Parker Nederland

Elektrostatische Ontlading (ESD) in Hydraulische Olie

Elektrostatische Ontlading (ESD) in Hydraulische Olie - Parker Hannifin Nederland onderzoekt ESD verlagende filtermaterialen en pleit voor standaardisatie meetmethodenElektrostatische ontlading (ESD) in hydraulische systemen is niet nieuw, maar wel een fenomeen dat zich – om verschillende redenen – steeds vaker voordoet. Omdat deze elektrostatische ontlading een duidelijk negatief effect heeft op de kwaliteit en de levensduur van hydraulische olie, onderzoekt Parker welke parameters invloed hebben op dit fenomeen. Op basis van deze resultaten zijn inmiddels vervolgonderzoeken gestart naar mogelijke oplossingen. Daarnaast pleit Parker voor het ontwikkelen van een norm die een gestandaardiseerde methode beschrijft om de ESD te kunnen valideren.

Parker onderzoekt ESD verlagende filtermaterialen en pleit voor standaardisatie meetmethoden.

Elektrostatische ontlading is ook goed bekend onder de afkorting ESD; zijnde de Engelse afkorting van Electro Static Discharge. ESD ontstaat wanneer een vast voorwerp of een vloeistof ‘oplaadt’ en zo een potentiaalverschil met zijn omgeving ontstaat. Wanneer dit verschil te groot wordt, zal de lading ‘doorslaan’ zodat het vaste voorwerp of de vloeistof ontlaadt; hierbij ontstaat een klein vonkje. Met deze vonkjes hebben de meeste mensen wel eens te maken gehad wanneer zij in koude (droge) winterdagen door wrijving worden opgeladen en hun lading kwijtraken door bijvoorbeeld een metalen deurkruk aan te raken.

ESD en hydraulische vloeistoffen

ESD kan optreden in vloeistoffen wanneer deze zich opladen door langs diverse oppervlakken te stromen. Het fenomeen is bijvoorbeeld al tientallen jaren bekend in hydraulische installaties waar de olie zich oplaadt door langs het oppervlak van onder andere leidingen, pompen en filterelementen te stromen. Wanneer de lading te groot wordt, ontlaadt de olie zich – in veel gevallen stroomafwaarts van het filter – waarbij eveneens kleine vonkjes vrijkomen. De effecten van ESD zijn dan ook in bepaalde gevallen terug te zien als kleine brandgaatjes in het filterelement; in de meer extreme gevallen leiden de vonkjes tot kleine explosies. Deze explosies veroorzaken een plaatselijke drukverhoging die mogelijk beschadiging aan andere componenten tot gevolg heeft. In andere gevallen is op bepaalde locaties in een systeem een knetterend geluid te horen als gevolg van de vele ontladingen die zich kort na elkaar voltrekken.

De mate van ESD – dat wil zeggen: het aantal ontladingen per tijdseenheid en de hoeveelheid energie die bij een ontlading vrijkomt – is afhankelijk van verschillende parameters:

  • samenstelling van de olie
  • temperatuur van de olie
  • hoeveelheid lucht in het reservoir
  • relaxatieproces van de olie in het reservoir
  • vochtgehalte in de olie
  • stromingssnelheid van de olie
  • de mate waarin systeemcomponenten in staat zijn de olie op te laden
  • aarding
  • weercondities
  • filter media

Een aantal van deze parameters is de afgelopen jaren belangrijk gewijzigd waardoor ESD in hydraulische installaties is toegenomen. Zo kunnen nieuwe productieprocessen een sterke invloed hebben op de hoeveelheid zink in de olie (deze wordt lager). Zink is echter een element dat bijdraagt aan de geleidbaarheid van de olie. Hoe minder zink, hoe slechter de olie zal geleiden en hoe eenvoudiger hij zal opladen. Daarnaast bestaat er een trend naar het zo compact mogelijk ontwerpen van installaties. Hierbij wordt vaak het oliereservoir verkleind waardoor de olie minder tijd heeft om tot rust te komen en zijn opgeloste lucht weer kwijt te raken. Omdat ook meer lucht in de olie bijdraagt aan een slechtere geleidbaarheid zal ook hierdoor de kans op ESD toenemen. Een compacte installatie betekent tot slot ook kleinere leidingdiameters waardoor meer olie langs een oppervlak stroomt en zich dus meer zal opladen.

Impact van ESD op hydraulische olie

Hoewel de kleine vonkjes die we kennen uit de koude winterdagen relatief onschuldig zijn voor mensen, kunnen zij in hydraulische olie aanzienlijke schade aanrichten. Ten eerste veroudert de olie sneller en daarnaast ontstaat er meer ‘varnish’. Varnish is een taaie, lakachtige substantie die zich graag aan metalen oppervlakken hecht en op deze manier problemen veroorzaakt in (servo)kleppen, warmtewisselaars en andere componenten. Over het algemeen leidt varnish tot een lagere productiviteit, een verslechterde systeem respons en het daadwerkelijk vastplakken van kleppen of verstoppen van nauwe doorgangen. De vonkjes kunnen verder het filtermateriaal beschadigen door hierin kleine gaatjes te branden waardoor de filterprestaties afnemen. Wanneer de ontladingen optreden boven het oliebad in het reservoir kunnen zij bovendien de oorzaak zijn van een serieuze explosie.

Onderzoek naar ESD

Om de relaties te vinden tussen de verschillende parameters en ESD, is Parker gestart met het uitvoeren van verschillende metingen met behulp van een eigen ontwikkelde en gebouwde testinstallatie. In tegenstelling tot onderzoeken die eerder zijn gedaan naar dit fenomeen in relatie tot hydraulische olie, beperkt Parker zich hierin níet tot het meten van uitsluitend de ontladingen achter een inline filter. Deze aanpak leidt weliswaar tot een overzichtelijk onderzoeksveld maar sluit belangrijke aandachtsgebieden uit. Bijvoorbeeld wat er gebeurt op de plaats waar de olie in het reservoir stroomt, het opladen van de olie door andere elementen dan alleen het filter (dus ook de leidingen, het reservoir, de pompen enzovoorts), het schuimen van de olie en de relatie met locaties waar ESD ontstaat wanneer het filterelement geheel of gedeeltelijk is ondergedompeld. 

In de Parker testopstelling is geen inline maar een tanktop filter toegepast. De olie (Texaco Rhando 46 HDZ) stroomt vanuit het hart van het filter radiaal door de filterelementen naar de buitenzijde. Het filter is boven de olietank geplaatst waardoor de ontladingen zijn te meten direct stroomafwaarts van het filter. Verder zijn meetsensoren geplaatst tussen het filterelement en de olie in het reservoir en in het reservoir zelf.

De metingen richten zich op twee belangrijke aspecten: het aantal ontladingen per tijdseenheid (aantal pieken) en de hoeveelheid energie die er bij een ontlading vrijkomt (de hoogte van de gemeten piek in [V]). Hierbij vragen we ons uiteraard af wat beter is: meer ontladingen met een lagere energie of juist minder ontladingen maar met een grotere energiedichtheid? Deskundigen neigen naar het eerste.

Enkele conclusies

De eerste serie metingen heeft verschillende resultaten opgeleverd en vermoedens bevestigd. Zo is gebleken dat de olie inderdaad niet alleen oplaadt door het filter aangezien ook ESD werd gemeten in de opstelling waarin het filterelement volledig ontbrak. Dit onderstreept wederom het belang om niet alleen de omgeving van het filter te bekijken, maar de volledige opstelling. Verder is de temperatuur van de olie van invloed op ESD aangezien deze de geleidbaarheid van de olie beïnvloedt: hoe lager de temperatuur, hoe slechter de geleidbaarheid dus hoe groter de kans op het opladen en vervolgens het ontladen van de olie. In de praktijk betekent dit onder meer dat de kans op ESD groter is bij het opstarten van een systeem (wanneer deze nog koud is) of in koel- en vrieshuizen, dan bij systemen die al zijn warm gedraaid. Het grootste deel van de ESD ontladingen werd gemeten bij temperaturen onder de 17 °C. Ook de eerder besproken invloed van het zinkgehalte in de olie werd hier aangetoond evenals de invloed van de geleidbaarheid van de verschillende soorten oliën. Bio-olie heeft bijvoorbeeld een geleidbaarheid die bijna twee maal zo klein is als bij een turbineolie.

Normering

Met deze testopstelling en het vrijgeven van de resultaten, neemt Parker een unieke positie in. Vele bedrijven zijn namelijk wel ‘bezig’ met ESD, maar omdat er geen standaard bestaat, is het lastig om iets zinnigs te zeggen in bijvoorbeeld een handleiding over de ESD gevoeligheid van een component of installatie. Parker maakt zich daarom sterk voor de ontwikkeling van den (ISO) norm of standaard waarin beschreven wordt hóe er moet worden gemeten (op welke punten, met welke apparatuur en bijbehorende nauwkeurigheden) en vooral ook hoe de waarden moeten worden geïnterpreteerd en waar de grenzen liggen. Welke waarden zijn onder welke omstandigheden wel of niet acceptabel? Zolang dit niet is geregeld, zijn de uitkomsten van metingen subjectief en lastig te vergelijken.

Invloed van het filtermateriaal

Als specialist in filters is door Parker tevens expliciet onderzoek gedaan naar de invloed van het filter op ESD. Moderne filters zijn opgebouwd uit synthetische (niet geleidende) vezels die in eerste instantie als doel hebben om vaste vuildeeltjes uit de olie te halen. Hoe hoger de eisen die worden gesteld aan een systeem aangaande de betrouwbaarheid, productiviteit en beheersbaarheid, hoe hoger de reinheidsgraad van de olie moet zijn en hoe hoger dus de filterefficiëntie. Filters met een hoge filterefficiëntie leiden echter tot meer wrijving en dus tot meer oplading van de olie. De uitdaging ligt derhalve in het ontwikkelen van een vezelstructuur die effectief de vuildeeltjes verwijdert maar geen significante bijdrage levert aan ESD.

Tot een aantal jaar geleden werd bij oliereinheid vooral gekeken naar de vaste deeltjes maar de laatste jaren is een toenemende aandacht voor de hoeveelheid water in de olie. Hoe meer water in de olie, hoe sneller de olie veroudert en hoe makkelijker zich varnish kan vormen. Bovendien werkt water corrosie in de hand. Het terugdringen van het vochtgehalte in de olie heeft echter weer een negatief effect op de geleidbaarheid ervan. Ook hier ligt een uitdaging in het vinden van de optimale balans.

De meest logische stap lijkt om de wrijving tussen de olie en het filterelement te verminderen door een groter filteroppervlak te creëren gecombineerd met het verbeteren van de geleidbaarheid van het vezelmateriaal. Daarbij in het oog houdend dat het filterelement in eerste instantie is bedoeld om effectief vaste vuildeeltjes te filtreren! Parker testte drie filtermaterialen: standaard glasvezel, gemetalliseerd glasvezel en een zogenaamde meltblown samenstelling. Het laatste materiaal wordt vervaardigd door met sliertjes kunststof een soort spaghetti mix te maken die na uitharding een vezelachtige structuur geeft. De testen wezen uit dat het vergroten van het filteroppervlak leidt tot minder ESD – zowel het aantal ontladingen als de intensiteit ervan. Een groter oppervlak is te realiseren door de filterplooien dichter tegen elkaar te drukken waardoor er meer plooien in het filterelement passen; dit samendrukken kent echter een maximum. Wanneer de plooien nog verder worden samengedrukt zal de drukval over het filter te hoog worden waardoor de oplossing zijn doel voorbij schiet. Ook de gemetalliseerde uitvoering gaf betere resultaten dan de standaard glasvezel filterelementen maar bleek bovendien te voldoen aan de vereiste filterefficiëntie (gemeten met de multipass filtertest conform ISO16889). Een gemetalliseerd filterelement met een groot oppervlak is tot nu toe dus de beste oplossing gebleken. De meltblown samenstelling geeft een bijzonder lage verschildruk gecombineerd met een open structuur hetgeen een positieve invloed zal hebben op ESD. De filterefficiëntie is echter nog onvoldoende maar kan door verdere ontwikkelingen worden verbeterd.

In het reservoir

Om ESD in de olietank te verminderen zijn testen gedaan met zowel een metalen als een kunststof trechtervormige inlaat. Op basis hiervan zijn geen aanwijzingen gekomen dat een metalen inlaat een positieve invloed heeft op ESD; de kunststof variant kan echter leiden tot meer ESD. Verder lijkt het zinvol om de vorming van schuim tegen te gaan omdat hierbij een explosief olie/lucht mengsel kan ontstaan dat door vonkjes als gevolg van ESD zou kunnen ontsteken. Tevens kon uit metingen worden vastgesteld dat het aantal en de intensiteit van de ontladingen ook in het reservoir het laagst waren bij het gebruik van een gemetalliseerd filterelement met een groot filteroppervlak.

Tot slot heeft Parker onderzoek gedaan naar de positie van een keerschot in de tank ten opzichte van het lijnfilter. Een dergelijk schot voorkomt het ‘klotsen’ van de olie in de tank (bijvoorbeeld in schepen) en hiermee de schuimvorming. Uit dit onderzoek is gebleken dat het plaatsen van het schot dichter bij het filter leidt tot meer ESD.

Conclusies

Tot nu toe kunnen we concluderen dat ESD overal in een hydraulisch systeem kan ontstaan (dus niet alleen bij het filter). Een gegeven waarmee engineers rekening moeten houden bij het ontwerpen van een installatie. Om de kans op ESD te verkleinen is het aan te raden om een gemetalliseerd glasvezelfilterelement toe te passen, de geleidbaarheid van de olie boven de 100 pS/m te houden en het systeem niet té klein te dimensioneren. Om ESD verder te kunnen onderzoeken is het noodzakelijk dat standaarden worden geïmplementeerd die het mogelijk maken het ESD fenomeen te onderzoeken en een classificatiesysteem op te stellen waarin een acceptabele niveaus van ESD zijn op te nemen.

 

Parker.com/nl

Condition Monitoring Van Smeerolie in de Scheepvaart

 

 

Categorieën
Recente berichten door auteur

Nu eenvoudiger hydraulische slangen en fittingen selecteren

Het selecteren van de juiste combinatie van slang en fitting voor een hydraulisch systeem is een belangrijk proces dat vaak wordt vergeten en onderschat. Het kiezen van de juiste combinatie...

This is Parker Service & Repair

Being a premier producer of hydraulic components and systems is one thing, making sure that our products are granted with a second life is completely something else. Therefore we also have a...

Open toegang tot 3.1 certificaten vergroot de voorsprong op uw concurrenten

Steeds meer gebruikers specificeren exotische legeringen met als doel de risico's als gevolg van corrosieschade te minimaliseren en om de levensduur van proces equipment in zware omstandigheden...
Opmerkingen

Opmerking voor Elektrostatische Ontlading (ESD) in Hydraulische Olie

Een opmerking achterlaten





Captcha