Filterelement mit Varnish

Varnish in Hydraulikanlagen: Hydrauliköle der ASTM-Gruppe zwei und drei ähneln der Gruppe eins, die Unterschiede merkt der Anwender unter anderem an den Filterlementen: Die Komponente ist im Bild wie mit Lack überzogen. Bild: TMM

Bis vor wenigen Jahren wurden für Hydrauliköle fast ausschließlich Rohöldestillate der ASTM-Gruppe eins verwendet. Konstrukteure und Instandhalter kannten deren Praxisverhalten, die Welt war also noch in Ordnung. Heute werden vermehrt die Basisflüssigkeiten der ASTM-Gruppe zwei und drei eingesetzt. Diese haben den Vorteil der besseren chemischen Reinheit und sie sind global verfügbar. Aber auch die Nachteile sind nicht ohne. So ist zum Beispiel der Anteil polarer Stoffe in den neuen Ölvarianten geringer, was eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit zur Folge hat. Es kann also zu elektrostatischen Entladungen in der Hydraulikanlage kommen, die nicht nur Filterelemente zerstören, sondern auch erhebliche Schäden am Mess- und Regelsystem verursachen.

Der geringe Anteil an polaren Stoffen der ASTM-Öle zwei und drei hat noch einen anderen gravierenden Nachteil zur Folge: In Hydraulikölen der neueren Generation werden die Ölalterungsprodukte weniger gut gelöst. Denn diese Alterungsrückstände sind von polarer Struktur und lösen sich daher bevorzugt in polaren Flüssigkeiten. Da bei den neuen Varianten der „natürliche“ Alterungsschutz fehlt, kann es mit zunehmender Nutzungsdauer zur Öleintrübung oder zu gelartigen bis festen Systemablagerungen kommen, die als Varnish bezeichnet werden.

Technik im Detail

Verlauf MPC Wert

Bild: Hydac

Beispiel: Varnish in einer Hydraulikpumpe

  • die Pumpe wird lauter
  • die Leistung nimmt ab
  • höhere Stromaufnahme und dadurch schlechtere Energieeffizienz
  • höherer Seitenverschleiß
  • Flügel und Kolben verkleben
  • Beschädigung der Gleitringdichtung
  • Ausfall der Wälzlager.

Schlecht gemischt

Und noch eines muss erwähnt werden: Problematisch ist auch, wenn es bei Wartungsarbeiten zu einer Vermischung zwischen einem vielleicht bisher eingesetzten Hydrauliköl der ASTM-Ölgruppe eins mit einem Öl der Gruppe zwei oder drei kommt. Da die neuen Öle zink-und aschefrei sind, die Hydrauliköle der ASTM-Öle eins aber zinkhaltig sind, kann Zinkseife entstehen. Um die Anlage wieder fit zu machen ist dann ein guter Reinigungsdienstleister gefragt.

Aus den technischen Datenblättern der Ölhersteller ist leider nicht ersichtlich, welcher mineralische Grundöltyp für ein Schmier- oder Hydrauliköl eingesetzt wird. Um kein Risiko einzugehen, sollten also Sicherungsmaßnahmen vorgenommen werden. Welche technischen Möglichkeiten sich anbieten, wird nachfolgend erläutert.

Die technischen Lösungsansätze

Die Alterung eines Hydrauliköls ist kein neues Phänomen, sondern existiert schon immer. Durch den hohen Anteil polarer Verbindungen der ASTM-Gruppe eins war die Gefahr, dass sich Alterungsrückstände verklumpen, lange nicht so groß. Da in den neuen Generationen der ASTM-Öle weniger polare Bestandteile vorhanden sind, fehlt der Selbstreinigungseffekt. Die Alterungsrückstände bleiben also im System.

Tritt Varnish auf, können klassische Hydraulikfilter schnell, manchmal in wenigen Stunden, zugesetzt und blockiert werden. Um einen wirtschaftlichen und gefahrlosen Betrieb einer Hydraulikanlage zu ermöglichen, müssen also spezielle Schutzmaßnahmen vorgesehen werden. Filterkonzepte, die in der Lage sind die Ölalterungsprodukte zu binden und so die Varnish-Gefahr verringern, sind ein interessanter Lösungsansatz.

Die Filter OLF-15 bis 60 von Hydac beispielsweise haben sich für Pflegemaßnahmen der neuen mineralölbasierten Hydrauliköle bereits bewährt. Es handelt sich um eine Feinfiltration. Die Filterelemente selbst bestehen aus Cellulose mit aktiver Oberfläche. Die OLF-Filter werden für die kontinuierliche Nebenstromfiltration eingesetzt und entfernen zusätzlich das freie Varnish.

Zur gezielten Abreinigung von Varnish in Turbinenölen kann auch die Varnish Mitigation Unit des selben Anbieters eingesetzt werden. Die Anlage wird ähnlich angewendet wie ein Nebenstromfilter. Das Öl strömt durch ein spezielles Harz, das die Ölalterungsprodukte bindet und so entfernt.

Durch eine routinemäßige Ölanalyse kann nicht festgestellt werden, ob Varnish vorhanden ist. Eine gute Aussage liefert der MPC-Test (Membrane Patch Calorimetry).

Gemessen wird die farbliche Veränderung einer Laborfiltermembrane mit einer Feinheit von 0,45 Mikrometer. Kritische Anlagenbedingungen liegen vor, wenn der MPC-Test einen Wert größer als 40 liefert.

Partikel zählen

Aber auch die klassische Partikelzählung kann Aufschluss über Varnish geben. Es wird sich hier das temperaturabhängige Lösevermögen von Varnish in einem Öl zu Nutze gemacht; es sinkt bei niedriger Temperatur, und steigt bei höherer. Sobald die Löslichkeitsgrenze erreicht ist kommt es zur Eintrübung des Öles. Werden nun zwei identische Proben bei Raumtemperatur und zum Beispiel bei 80 °C gemessen, so ergibt sich bei Varnish eine Partikelzahldifferenz.

Eine große Differenz ist ein Hinweis darauf, dass sich viele Alterungsrückstände im Schmieröl befinden, also akute Varnishgefahr besteht.

Eine dritte Möglichkeit ist, die noch vorhandenen Antioxidantien eines Öls zu ermitteln. Antioxidantien sollen das Öl vor schneller Alterung schützen, werden aber mit zunehmender Einsatzdauer verbraucht. Die Schutzfunktion nimmt also sukzessive ab. Durch einen Öl-Teilaustausch könnte der Anteil der Antioxidantien wieder angehoben werden.

Aber die Nachfüllung von größeren Mengen Frischöl ist nicht ganz ungefährlich. Das Frischöl kann die Ölablagerungen in einer Anlage lösen und so die Partikelkonzentration im System deutlich ansteigen lassen. Wird also ein Hydrauliköl durch größere Nachfüllmengen getoppt, sollte die vorhandene Systemfiltration auf jeden Fall durch einen Öl-Nebenstromfilter ergänzt werden.

Nebeneffekt mit großer Wirkung

Durch den geringeren Anteil an polaren Stoffen weisen die ASTM-Öle zwei und drei auch eine niedrigere Leitfähigkeit auf. Es kann zu einer elektrostatischen Aufladung von bis zu 30.000 Volt im Hydrauliksystem kommen. Häufig ist die elektrostatische Aufladung schon durch Knistern oder Klicken im Filterbereich, beziehungsweise im Tank zu hören. Kann die Ladung nicht abfließen, kommt es zur Entladung, wobei Mikroblitze mit einer Temperatur von mehreren 1000 °C entstehen.

Oft werden Anlagen geerdet, um diese elektrostatische Aufladung zu verhindern. Dies ist eine Maßnahme, mit der die elektrostatische Entladung gegenüber der Umgebung unterbunden werden kann. Mit einer Anlagenerdung kann man aber wegen des geringen Potenzialausgleichs die elektrostatische Aufladung durch das Fluid oder Filterelement nicht verhindern.

Durchströmt ein schlecht leitendes Fluid Hydraulikrohre, so transportiert es die entstehende elektrostatische Aufladung weiter. Löcher von bis zu 200 Mikrometer Durchmesser können entstehen, wenn sich im Systemfilter die Spannung entlädt. Die normalerweise geforderte Ölreinheit kann mit derartigen Filterschäden nicht mehr gesichert werden.

Noch dramatischer wird es, wenn die Entladung im Tank stattfindet. Auch Ventile, Kühler oder elektronische Anlagenkomponenten werden in Mitleidenschaft gezogen. Die schlechtere Leitfähigkeit des Hydrauliköls verursacht also eine elektrostatische Aufladung, welche ein nicht zu unterschätzendes Risiko für die Maschine darstellt.

Elektrostatische Entladungen können aber auch die chemische Struktur der Hydraulikflüssigkeit aufspalten, es entstehen Radikale. Diese sind wiederum der Grundstoff für Varnish. Dafür zu sorgen, dass die elektrostatische Aufladung in zulässigen Grenzen gehalten wird, hat also einen doppelten Nutzen. Eine profane, aber sehr wirksame, technische Lösung wäre es, Hydraulikanlagen mit speziellen Filtern auszurüsten.

Zusammenfassung

Die ASTM-Hydrauliköle der Gruppe zwei und drei haben im Vergleich zu Ölen der ASTM-Gruppe eins eine Reihe von Vorteilen. Sie haben einen geringeren Anteil an ungesättigten Kohlenstoffen, sind zudem zink- und schwefelfrei und ungiftig.

Diesen Vorteilen stehen allerdings, wenigstens was bestehende Anlagen betrifft, auch erhebliche Schwächen gegenüber. Werden diese nicht durch intelligente Lösungen kompensiert, so kann es zu teuren Anlageschäden kommen. Die Spannweite reicht vom höheren Instandhaltungsaufwand, über ungeplante Maschinenstillstände bis hin zu einem hohen Sicherheitsrisiko durch Verpuffung oder Explosion durch elektrostatische Entladung. Hauptgründe für diese Nachteile sind die unpolare chemische Struktur, die geringe Leitfähigkeit der Gruppe zwei und drei Öle und die Additivierung.

In den Datenblättern der Öllieferanten fehlt in der Regel der Hinweis, auf welcher Mineralölbasis ein Hydrauliköl aufgebaut ist. Die Umstellung von Gruppe eins auf die Gruppen zwei und drei erfolgt also im Stillen. Mit neu entwickelten Filtertechnologien kann die Gefahr von Varnish und der elektrostatischen Aufladung bekämpft werden. Um den sicheren Anlagenbetrieb zu gewährleisten, muss die Routine-Öluntersuchung zwingend um die Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und von Varnish erweitert werden. mw

Autor: Helmut Winkler, Redakteur im Auftrag der fluid

Technik im Detail

Varnish in Hydraulikanlage

Bild: Hydac

Folgen von Varnish im Hydrauliksystem:

  • die Schmierfähigkeit des Öls wird negativ beeinflusst
  • Schwergängigkeit, bis hin zum Verkleben von Proportional- und Servoventilen
  • Frühausfälle verschiedener Anlagenkomponenten
  • Kühler setzen zu und müssen so früher getauscht werden
  • hoher Reinigungsaufwand für die Beseitigung von Varnish im Tank.

Fazit: Varnish verschlechtert die Leistung einer Hydraulikanlage und verursacht Kosten.