Inflamabilitatea uleiurilor vegetale pe suprafețe calde

• Articol realizat de Lorena Deleanu^1,2, Constantin Georgescu¹, Liviu Cătălin Șolea¹, Dionis Guglea¹, Cristina Popa^3.
1Universitatea „Dunărea de Jos”, Galați, România; ²Academia de Științe Tehnice din România (ASTR), București, România; 3 Asociația de Standardizare din România (ASRO).

1. Introducere

In cercetare, dar şi în administrație, au loc dezbateri despre problemele actuale legate de prezenţa substanţelor periculoase la locurile de muncă şi de modalităţile de reducere a riscurilor în utilizarea lor. Un subiect interesant este potenţialul unor materiale, şi în această categorie intră şi fluidele, de a contribui la creşterea riscului la foc, în anumite condiţii de utilizare, care pot apărea accidental. De aceea a apărut necesitatea reglementărilor specifice, în domeniul evaluarii conformităţii produselor de acest tip faţă de prescripţiile tehnice, cerinţă care poate fi considerată o componentă a dezvoltării durabile din industriile extractive [1], [2], dar și în alte domenii: transporturi, procese tehnologice, inclusiv cele din industria alimentară și turism.

Din punctul de vedere al riscurilor asociate substanţelor periculoase, una dintre cele mai cercetate proprietăţi ale uleiurilor este inflamabilitatea în contact cu suprafeţe calde, care poate duce la aprindere spontană. Fluidele hidraulice reprezintă categoria de uleiuri cele mai studiate, din acest punct de vedere, dar există un interes și pentru uleiurile vegetale, folosite ca aliment sau ca fluid industrial. Unele uleiuri sunt prezente şi în industriile extractive miniere, unde accidentele produse de o aprindere spontană pot avea consecinţe grave, atât pentru infrastructură şi utilităţi, cât şi pentru siguranţa şi sănătatea personalului.

Uniunea Europeană a stabilit serioase şi ample reglementări în domeniu protecţiei în materie de securitate şi sănătate a lucrătorilor. Un exemplu este Directiva Consiliului Uniunii Europene nr. 104 din 3 decembrie 1992 (92/104/CEE) cu privire la prescripţiile minime vizând ameliorarea protecţiei în materie de securitate şi sănătate a lucrătorilor din industriile extractive de suprafaţă sau subterane (a douăsprezecea directivă particulară în sensul articolului 16, paragraful 1 al Directivei cadru 89/391/CEE), modificată prin Directiva 2007/30/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 20 iunie 2007 [3].

Dar risc de aprindere a uleiurilor vegetale în contact cu suprafețe calde exită și în industria alimentară și chiar în bucătăria fiecăruia. Uleiurile vegetale, sunt utilizate în industria alimentară pentru procesarea alimentelor, dar și în echipamente, ca lubrifianți mai prietenoși cu mediul și cu toxicitate redusă.

În legislaţia românească această directivă a fost transpusă târziu, prin Hotarârea nr. 1049 din 09/08/2006 privind cerinţele minime pentru asigurarea securităţii şi sănătăţii lucrătorilor din industria extractivă de suprafaţă sau subteran [4].

Focul şi efectele lui sunt pericole în toate activităţile economice deoarece, datorită procesului tehnologic şi/sau soluţiei de proiectare, generează temperaturi destul de înalte pentru a iniţia şi întreţine focul. De exemplu, industriile oţelului şi a sticlei, industria chimică sunt recunoscute ca implicând procese caracterizate prin temperaturi ridicate care apar din cerinţe tehnologice, dar şi din cauza frecării, mai ales în cazul lubrifierii defectoase sau eliminării lubrifiantului din diverse cauze. Analiza consecinţelor focului în zona de lucru este astăzi mult mai complexă şi trebuie să pună în evidenţă implicaţiile pe termen scurt şi lung: costurile întreruperii producţiei, costurile legate de sănătatea şi securitatea personalului, impactul asupra mediului şi a sustenabilității organizaţiei etc.

Termenul de rezistent la foc este prost înţeles sau interpretat relativ când este vorba despre fluide. Specialiştilor li se pare adecvat să se standardizeze terminologia şi să se revizuiască metodele de testare acceptate pentru a aprecia rezistenţa la foc a unui anumit fluid [5]-[7]. Nu există o singură proprietate sau test pentru un fluid, care să cuantifice, calitativ, rezistenţa lui la foc sau la aprindere. De obicei, testele pentru evaluarea rezistenței la foc a fluidelor sunt „incidente simulate”, astfel încât testele să fie o replică repetabilă a celui mai rău scenariu posibil în aplicaţiile tipice, în care un fluid este utilizat cu un potenţial risc de foc. Fluidele trec sau nu trec aceste încercări şi cele care le trec sunt incluse în recomandări [8].

Sursele potenţiale de aprindere includ nu numai piese metalice încălzite la roşu sau topite, scântei sau flăcări, dar şi suprafeţe fierbinţi, precum colectoarele de evacuare ale motoarelor, conductele de abur sub presiune şi carcasele fierbinţi ale echipamentelor. Fluidele rezistente la foc (multe sintetice), chiar dacă sunt mai sigure, costă mai mult decât fluidele pe bază de petrol şi/sau necesită modificări ale echipamentului sau ale parametrilor de funcţionare.

“Rezistent la foc” nu înseamnă “protejat la foc” sau ignifug şi aproape orice fluid poate arde în anumite circumstanţe.

Diversitatea metodelor de încercare pentru stabilirea proprietăţilor de rezistenţă la foc a fluidelor, așa cum este prezentată de Figura 1, a determinat formularea unor definiţii diferite pentru explicarea „rezistenţei la foc”.

Figura 1. Variabile în încercări cu foc, numai pentru fluide, după [9] și [10]

Zinc M. D. [9] a propus ca un fluid rezistent la foc să aibă următoarele proprietăţi:

• fluidul trebuie să reziste la aprindere;
• fluidul să aibă abilitatea să stingă flacăra şi să prevină răspândirea ei, când sursa de aprindere este prezentă;
• fluidul să se auto-stingă atunci când sursa de flacără/aprindere este înlăturată.

2. Procedura de testare pentru evaluarea inflamabilității fluidelor pe suprafețe calde

Cercetări privind privind comportarea fluidelor pe suprafeţe calde (cu sau fără aprindere) s-au făcut din nevoia de a evalua riscul prezenței celor doi factori care ar interacționa, fluidul și suprafața caldă, fără a fi cuprinse în standarde.

Wright, Mowery şi LePera [11] prezintă o abordare a problematicii fluidelor hidraulice în situaţii critice, în care supravieţuirea depinde de proprietăţile de rezistenţă la foc a acestor fluide, în special pentru echipamente militare. Pe lângă teste cu aprindere la pulverizare, este prezentat şi testul de aprindere pe suprafaţă caldă, inclus în NPFC-FED-STD-791 Testing Method of Lubricants, Liquid Fuels, and Related Products Federal, în versiunea anterioară publicării articolului, astăzi fiind valabilă ediția din 2021, FED-STD-791E Testing Method of Lubricants, Liquid Fuels, and Related Products [12]. Acest test determină inflamabilitatea unui fluid în contact cu o suprafaţă metalică caldă. Acest document este cel mai apropiat din punct de vedere al metodei, procedurii şi cuantificării rezultatelor cu ISO 20823:2003, adoptat și ca standard european și român în 2004 [13]. Fluidul este picurat pe un tub din oțel refractar, încălzit cu un dispozitiv electric, introdus în tub. Temperatura la care se realizează testul detaliat în [12] este de 1300 °F (704 °C) – o temperatură foarte apropiată de cea introdusă în SR EN ISO 20823 (care este de 700 °C). Viteza de picurare şi volumul probei de fluid testat sunt aceleaşi ca în standardul ISO: timp de picurare 40…60 s şi volumul picurat de 10 ml. Jetul rezultat este examinat din punct de vedere al rezultatului după căderea pe tub. Fluidul se poate aprinde, poate arde atât pe tub cât şi la căderea de pe acesta în tava colectoare. Rezultatele sunt raportate ca [13]:

1. a) „I(T)” când fluidul se aprinde sau arde pe tub, dar nu continuă să ardă când este colectat în tava de dedesubt,
2. b) „I(D)” când fluidul se aprinde şi arde pe tub, şi continuă să ardă când este colectat în tava de dedesubt,
3. c) „N” când fluidul nu se aprinde sau nu arde în nici un moment.

Standardele pentru evaluarea caracteristicilor la foc ale fluidelor au fost introduse după accidente grave în care s-a dovedit că fluidul a participat activ la declanșarea și/sau întreținerea focului. Phillips et al. [14] și Shermann J.V. [15] au promovat elaborarea și aplicarea standardelor pentru încercări la foc sau aprindere a fluidelor, accentuând ideea că pentru aplicații cu risc ridicat la foc/aprindere sunt necesare fluide rezistente la foc, în special sintetice, unele compoziții neaprinzându-se nici la 700 °C, o temperatură inclusă atât în standardul american (704 °C), cât și în cel internațional.

Testul de aprindere a fluidului pe suprafață metalică (care simulează un accident pe o piesă reală) determină inflamabilitatea fluidelor, păstrând constantă temperatura suprafeţei metalice. În accidente, temperatura poate crește pe măsură ce se dezvoltă incendiul. Metoda permite şi stabilirea temperaturii de aprindere a fluidului studiat prin creşterea în trepte a temperaturii tubului pe care se picură fluidul. Metoda este utilizată, în special, pentru stabilirea rezistenţei la aprindere a fluidelor rezistente la foc care sunt greu de aprins. Această procedură este specificată şi în SR EN ISO 12922:2020 Lubrifianţi, uleiuri industriale şi produse înrudite (clasa L). Familia H (Sisteme hidraulice) [16]. Specificaţii pentru fluidele hidraulice din categoriile HFAE, HFAS, HFB, HFC, HFDR şi HFDU.

3. Instalația de testat și procedura de testare

Teste au fost realizate cu o instalație originală, automatizată, de la Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați, pentru a proteja operatorul și pentru a reduce riscul de aprindere în afara incintei (Figura 2).

Figura. 2. Instalația de testare a inflamabilității fluidelor pe suprafață caldă. 1 – sistem de răcire pentru picurător, 2 – picurător cu manta de răcire, 3 – manipulator 2D pentru picurător, 4 – rezervor cu fluidul de testat, 5 – incintă din oțel inoxidabil, 6 – termocuplu protejat prin carcasă sudată pe tubul înclinat, 7 – tubul înclinat, încălzit cu o rezistență electrică internă, 8 – tavă pentru colectarea fluidului care cade de pe tub, 9 – incintă ventilată și protejată cu geam rezistent la foc, 10 – compresorul care deservește picurătorul, 11 – întrerupător principal, 12 – computer care asigură reglarea și funcționarea instalației, 13 – display pentru temperatura tubului înclinat [10]

Procedura respectă standardul SR EN ISO 20823:2004 [13] şi oferă posibilitatea acţionării automate a instalaţiei, înregistrarea datelor şi filmarea testului. Încercarea include următoarele operații.

1. Curățarea suprafeţei exterioară a tubului care trebuie să fie aproximativ la temperatura camerei, prin frecare cu burete de sârmă, cu vata absorbantă înmuiată cu solvent de curăţare şi, în final cu vată uscată. Curăţarea tubului între teste este de preferat să fie făcută fără scoaterea lui din suport, dar cu elementul de încălzire izolat electric sau scos.
2. Montarea picurătorului deasupra axei tubului şi la 300 mm deasupra suprafeţei acestuia, la mijlocul tubului înclinat.
3. Umplerea picurătorul cu fluidul de testat, la 20°C până la 25°C. Standardul prevede că se pot face 3 teste repetate pe tub, cu picurare egal distanțată față de mijlocul tubului, începând cu poziţia cea mai joasă pe tub şi apoi mai sus pe tub.
4. Testarea timpului de picurare a fluidului și reglarea vitezei de picurare cu ajutorul unui robinet montat pe conducta de curgere.
5. Conectarea elementului de încălzire şi echilibrarea temperaturii la valoarea dorită de operator (maximum 700 ºC ± 5 °C), aşa cum indică termocuplul protejat printr-o incintă metalică, sudată de tubul înclinat.
6. Verificarea închiderii geamurilor anti-explozie.
7. Picurarea fluidului pe tub la o viteză constantă de picurare, astfel încât 10 ml de fluid testat să fie picurat în 40 s până la 60 s.
8. Observarea și filmarea comportării fluidului, atât pe suprafaţa tubului cât şi atunci când este fluidul cade în tava de dedesubt.

Se repetă testul încă de 2 ori la aceeaşi temperatură prin respectarea procedurii, pentru poziţii noi pe tub, fiecare la cel puţin 50 mm mai sus pe tub faţă de aria de contact anterioară.

4. Rezultate privind inflamabilitatea uleiurilor vegetale pe suprafață caldă

Imaginile din următoarele figuri prezintă momente din testarea uleiului de rapiță [10], la diferite temperaturi ale suprafeței metalice. Figura 3 arată că nu se poate considera că uleiul de rapiță nu se aprinde la 505 °C deoarece pentru cel puțin unul din cele 3 teste efectuate, uleiul de rapiță a luat foc. La o temperatură mai mică, 495 °C, toate cele trei teste nu au produs aprinderea uleiului de rapiță. La temperaturi mai mari de 510 °C, aprinderea uleiului are loc mai intens, cu flacară mai voluminoasă (Figura 4)

Fum dupa prima picătură, secunda 2	Arde în secunda 3
Secunda 55	Secunda 55
a)	b)
Figura 3. Teste cu ulei de rapiță, la temperatura tubului înclinat de 505 ºC: a) uleiul de rapiță nu s-a aprins, b) uleiul de rapiță s-a aprins

a) Prima picatură de ulei	b) Secunda a 9-a
c) Secunda a 16-a	d) Secunda 55
Figura 4. Testul nr. 2, cu ulei de rapiță, la temperatura tubului înclinat de 510 ºC

Dacă se cere stabilirea unei temperaturi de aprindere, aceasta se va determina prin metoda înjumătățirii intervalului, acesta fiind limitat de o temperatură a tubului la care fluidul nu arde și una la care fluidul s-a aprins. De exemplu, Figura 5 prezintă rezultatele încercărilor, în ordinea efectuării lor și până la obținerea a trei încercări consecutive pentru care fluidul nu arde. Pentru rezultate obținute din testarea uleiurilor vegetale, trebuie specificată și compoziția în acizi grași a acestora. Tabelul 1 prezintă compoziția în acizi grași a uleiurilor testate.

Figura 5. Rezultatele încercărilor pentru uleiul de rapiță
(albastru – uleiul nu arde, roșu – uleiul arde)

Tabelul 1. Compoziția uleiurilor vegetale testate în acizi grași (%wt) (analiză realizată de Expur București)

Concluzii

Pe baza datelor experimentale, uleiurile vegetale testate au o rezistență bună la aprindere pe suprafețe calde, deoarece temperatura minimă la care nu se aprind este de 490 °C (uleiul de măsline), dar mai mare decât a unui ulei mineral hidraulic tipic (Figura 6). Se observă că uleiurile vegetale au temperatura minimă de aprindere pe suprafață caldă între 490 °C și 515 °C, ceea ce ar rezulta că nu contează concentrațiile constituenților, ci prezența lor în uleiul respectiv, chiar în concentrații mici, concluzie subliniată și în [Georgescu, 2018 ] [19]. O comportare mult mai bună la foc o are uleiul de rapiță vinterizat: nu arde pe suprafață încălzită la 570 °C, dar prețul acestuia este mai ridicat. Componenții cu lanțuri scurte se vor aprinde primii, dar vor genera suficientă energie ca să aprindă în continuare componenții cu masă moleculară mai mare.

Figura 6. Temperatura de aprindere pe suprafețe calde a uleiurilor vegetale testate

Condiţiile pentru utilizarea eficace a rezultatelor testelor de rezistenţă la foc a fluidelor sunt cunoaşterea posibilelor teste care pot fi făcute, selectarea celor adecvate şi utile pentru îmbunătăţirea siguranței de operare. Lista fluidelor posibil de a fi selectate şi lista testelor pe care acestea să le “treacă”, trebuie să fie cunoscute şi stabilite chiar în stadiul de proiectare al echipamentului pentru a obţine soluţia care reduce riscul de foc. Este important să se analizeze accidentele similare, legate de aplicaţii reale din acelaşi domeniu de activitate (şi nu numai) pentru a obţine posibile îmbunătăţiri ale echipamentului, procesului tehnologic, protejării mediului şi pentru perfecţionarea operatorilor.

Aceste rezultate argumentează încă o dată că rezultate experimentale sunt necesare in evaluarea riscului la foc la utilizarea fluidelor tehnice iar aditivarea unui ulei de bază nu garantează a-priori caracteristici de inflamabilitate mai bune, chiar dacă aditivul ar sugera o îmbunătățire.

O altă observație pertinentă este că intervalul de temperatură între teste nu trebuie să fie mai mic decât toleranța pentru temperaturile măsurate; pentru această instalație și intervalul 20-700 ºC, s-a determinat ca fiind ± 3 ºC, deci diferența între temperaturile determinate ca temperatura maximă la care fluidul nu arde pe suprafața caldă și temperatura minimă la care fluidul se aprinde pe suprafața caldă nu poate fi mai mică de 6 ºC.

Bibliografie

1. Hámor, T., 2004, Sustainable Mining in the European Union: The Legislative Aspect, Environmental Management, 33 (2), p. 252-261.
2. The 7th Luxembourg Report, March 3,1994, Doc. No. 4746/10/91, Requirements and Test Applicable to Fire-Resistant Hydraulic Fluids used for Power Transmission and Control.
3. Directiva 92/104/CEE a Consiliului din 3 decembrie 1992 privind cerințele minime pentru îmbunătățirea securității și protecției sănătății lucrătorilor din industria extractivă de suprafață și în subteran [a douăsprezecea directivă specială în sensul articolului 16 alineatul (1) din Directiva 89/391/CEE] (JO L 404, 31.12.1992, p. 10), modificată prin: Directiva 2007/30/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 20 iunie 2007 Jurnalul Oficial L 165, p. 21, 27.6.2007, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/RO/TXT/PDF/?uri=CELEX:01992L0104-20070627.
4. Hotărâre nr. 1.049 din 9 august 2006 privind cerinţele minime pentru asigurarea securităţii şi sănătăţii lucrătorilor din industria extractivă de suprafaţa sau subteran, https://legislatie.just.ro/Public/DetaliiDocument/74627.
5. Gere R., Hazelton T. (1993) Rules for choosing a fire-resistant hydraulic fluid. Hydraulics & pneumatics, 46, 4 37-42.
6. Grosshandler, W. (2001). (editor), Work on Fire Testing Measurement Needs, Proceedings, https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=861084.
7. Jagger S. F., Nicol A., Sawyer J., & Thyer A. M. (2004). The incorporation of fire test data in a risk-based assessment of hydraulic fluid fire resistance, INTERFLAME, 569-576
8. Directiva 92/104/CEE a Consiliului din 3 decembrie 1992 privind cerințele minime pentru îmbunătățirea securității și protecției sănătății lucrătorilor din industria extractivă de suprafață și în subteran [a douăsprezecea directivă specială în sensul articolului 16 alineatul (1) din Directiva 89/391/CEE] (JO L 404, 31.12.1992, p.10), modificată prin Directiva 2007/30/CE a Parlamentului European și a Consiliului, Text cu relevanță pentru SEE din 20 iunie 2007, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/RO/TXT/HTML/?uri=CELEX:01992L0104-20070627.
9. Zink, M. D. (2000). Fire resistant hydraulic fluids: shifting definitions and standards, Proceedings of the 48th National Conferance on Fluid Power, paper 105-8.3.
10. Guglea D., Evaluarea comportării tribologice a unor lubrifianți pe bază de ulei de rapiță și nanoaditivi (nitrură de bor hexagonală și grafen), Teză de doctorat, Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați, 2022.
11. Wright B.R., Mowery R.B., LePera M.E., (27-30 Mars 2000). Survivability It Could Be a Matter of Hydraulic Fluid!, Proc. 11th Annual US Army Ground Vehicle Survivability Symposium.
12. NPFC – FED-STD-791 Testing Method Of Lubricants, Liquid Fuels, and Related Products Federal, https://standards.globalspec.com/std/14423744/fed-std-791e.
13. SR EN ISO 20823:2004 Produse petroliere și produse înrudite. Determinarea caracteristicilor de inflamabilitate a fluidelor în contact cu suprafețe calde. Încercarea de inflamabilitate pe metal cald.
14. Phillips W.D., Goode M.J., R. Winkeljohn, (2000). Fire-Resistant Hydraulic Fluids and the Potential Impact of New Standards for General Industrial Applications, Proceedings of the 48th National Conference on Fluid Mechanics and Fluid Power, Chicago, April 4-6th, 69-79.
15. Shermann, J. V. (2005). Current Standards for Certification of Fire-Resistant Hydraulic Fluids Used in General Industrial Applications, Fluid Power Journal, Nov.-Dec, 2-9.
16. SR EN ISO 12922:2020 Lubrifianţi, uleiuri industriale şi produse înrudite (clasa L). Familia H (Sisteme hidraulice).

17.   Șolea L. C., Deleanu L. (2020). Flammability tests on hot surface for castor oil. Mechanical Testing and Diagnosis, (X)4, 30-34.

18. Șolea, C.L., (2013). Contribuţii la studiul comportării reologice şi tribologice a unor lubrifianţi biodegradabile pe bază de uleiuri vegetale. PhD thesis, Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați, România.

19.   Georgescu, C., Cristea G. C., Șolea C.L., Deleanu L., Sandu I.G. (2018). Flammability of Some Vegetal Oils on Hot Surface, Revista de chimie, 69(3), 668-673. http://www.revistadechimie.ro/pdf/29%20GEORGESCU%20C%203%2018.pdf.

Citiți pe Arta Albă și alte articole interesante.