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La filtrazione e il monitoraggio della contaminazione dei fluidi oleodinamici

I passi corretti per la selezione di un filtro oleodinamico

Tabella dei Contenuti

1. Introduzione

1.1 Cos’è la filtrazione oleodinamica?

La filtrazione oleodinamica è una tecnologia utilizzata per rimuovere impurità e particelle presenti nei fluidi oleodinamici, ovvero oli idraulici o fluidi operativi impiegati nei sistemi oleodinamici.

Negli impianti oleodinamici, l’olio è il fluido vitale che trasmette energia e movimento. Affinché questo sistema funzioni in modo ottimale e duraturo, è fondamentale garantire la massima purezza dell’olio. È qui che entra in gioco la filtrazione, un processo essenziale per rimuovere le impurità e le particelle che, se presenti, possono compromettere gravemente le prestazioni dell’impianto.

1.2 Importanza della filtrazione

La contaminazione dell’olio da parte di particelle solide, prodotti di usura o acqua può avere conseguenze disastrose sull’intero sistema. Le particelle, anche di dimensioni microscopiche, possono ostruire passaggi e valvole, accelerare l’usura dei componenti, degradare l’olio e generare fenomeni di cavitazione.

La scelta del filtro giusto dipende da diversi fattori, tra cui il tipo di fluido, il livello di contaminazione, la portata del sistema, la pressione di esercizio e la temperatura di esercizio.

Per garantire l’efficienza della filtrazione, è fondamentale effettuare una corretta manutenzione dei filtri. Il monitoraggio della caduta di pressione, la sostituzione periodica e la pulizia del sistema sono azioni indispensabili.

La filtrazione oleodinamica è normata da diverse direttive e standard internazionali, come l’ISO 4406, che definiscono i livelli di pulizia degli oli idraulici e i metodi di prova dei filtri.

1.3 Benefici della filtrazione dei fluidi oleodinamici

I benefici della filtrazione sono molteplici: prolunga la vita utile dei componenti, aumenta l’efficienza, diminuisce i costi di manutenzione, rende il sistema più affidabile e protegge l’ambiente.

2. Principi della filtrazione oleodinamica e del monitoraggio di contaminazione

2.1 Rimozione di particelle solide

La filtrazione oleodinamica ha lo scopo principale di rimuovere particelle solide di varie dimensioni presenti nell’olio idraulico. Queste particelle possono derivare da usura di componenti meccanici, contaminazione esterna o processi di produzione.

La contaminazione dell’olio può influire negativamente sulle prestazioni del sistema oleodinamico. La filtrazione oleodinamica aiuta a mantenere il fluido pulito, riducendo l’usura delle componenti, prevenendo malfunzionamenti e prolungando la vita utile del sistema.

I componenti critici di un sistema oleodinamico, come pompe, valvole e cilindri, possono essere danneggiati da particelle abrasive presenti nell’olio. La filtrazione protegge queste componenti, mantenendo il sistema in condizioni operative efficienti.

Durante il loro utilizzo, gli elementi filtranti dei filtri oleodinamici trattengono lungo le loro pareti un numero sempre maggiore di particelle solide, diminuendo quindi la propria efficienza filtrante e creando una caduta di pressione sempre più alta; è pertanto prevista la possibilità di installare sui filtri degli indicatori di intasamento: visivi, elettrici o elettronici, che indicano il grado di intasamento raggiunto, segnalando quando è arrivato il momento di sostituire l’elemento filtrante.

Nel caso non si proceda alla sostituzione dell’elemento in tempo utile sorge infatti il rischio che la perdita di pressione attraverso il filtro si innalzi eccessivamente, riducendo drasticamente la portata di fluido e, in casi estremi, facendo collassare l’elemento filtrante, rischiando così di rilasciare nel circuito tutte le particelle precedentemente trattenute.

Per evitare questo rischio i filtri idraulici possono essere dotati di una valvola by-pass. La sua funzione è proprio quella di proteggere l’elemento filtrante dalla rottura (evitandone il collasso) e garantire il flusso continuo dell’olio nel sistema.

Se la ΔP supera un valore preimpostato la valvola di bypass si apre, deviando il flusso d’olio attorno all’elemento filtrante intasato.

Importante da tenere in considerazione è che quando la valvola by-pass è aperta, l’olio circola non filtrato, causando un picco di contaminazione nel sistema. Per questo motivo, la sostituzione dell’elemento filtrante dovrebbe avvenire subito dopo la segnalazione dell’indicatore, senza far lavorare la valvola di by-pass per troppo tempo in posizione aperta.

2.2 Rimozione di acqua

La contaminazione del liquido causa principalmente un decadimento delle prestazioni di lubrificazione e riduce la protezione delle superfici fluide.

Rimuovendo l’acqua dal sistema di alimentazione del fluido si possono evitare molti problemi, come ad esempio: corrosione / incisione delle superfici metalliche; perdita di potere lubri­ficante; usura abrasiva accelerata in componenti idraulici; bloccaggio delle valvole; deterioramento a fatica dei cuscinetti lubrificati; variazione della viscosità con riduzione delle proprietà lubri­ficanti; precipitazione degli additivi e ossidazione dell’olio; aumento del livello di acidità; maggiore conduttività elettrica dell’olio (perdita di resistenza dielettrica).

C’è un fattore importante da tenere in considerazione, ovvero il livello di saturazione.

Il livello di saturazione è la quantità di acqua che può essere sciolta nella chimica molecolare dell’olio.

Quando la quantità di acqua nell’olio è inferiore a tale livello, si parla di acqua disciolta; al di sopra di tale livello, si parla di acqua libera e/o emulsionata.

Quando è contaminato dall’acqua al di sopra del suo livello di saturazione l’olio diventa torbido.

Poiché gli effetti d’acqua libera (anche emulsionata) sono più dannosi di quelli dell’acqua disciolta, i livelli dell’acqua dovrebbero rimanere ben al di sotto del punto di saturazione. Tuttavia, anche l’acqua in soluzione può causare danni e pertanto è necessario fare ogni sforzo ragionevole per mantenere i livelli di saturazione più bassi possibili.

In questi i casi, i filtri vengono dotati di specifici elementi filtranti che garantiscono non solo la rimozione di particelle solide, ma anche l’assorbimento di acqua, per portarla a livelli più bassi possibili, compatibili con il corretto funzionamento del sistema oleodinamico.

2.3 Controllo della contaminazione

Parlando di contaminazione di oli e fluidi idraulici, è fondamentale dotarsi non solo di strumenti “passivi”, quali i filtri, il cui scopo è quello di evitare e/o ridurre questa problematica; ma anche di strumenti per il controllo della contaminazione, finalizzati ad accrescere la produttività e la durata dei circuiti. Questi prodotti, con il monitoraggio continuo in linea, o a campionamento off-line, di oli e fluidi idraulici permettono una manutenzione preventiva e predittiva, garantendo la massima continuità di esercizio, una maggiore durata del ciclo di vita dei componenti ed una relativa riduzione dei costi. Una soluzione completa che coniuga sistemi dalle elevate prestazioni funzionali ed energetiche ad un ampio ventaglio di servizi post-vendita.

QUALI SONO I CONTAMINANTI DEGLI OLI OLEODINAMICI

Gli oli oleodinamici possono essere contaminati da una varietà di agenti, particelle e sostanze che possono compromettere le prestazioni e la durata del fluido, nonché danneggiare i componenti del sistema idraulico. I principali contaminanti degli oli oleodinamici includono:

  • Particelle solide: detriti, polvere, residui metallici e altri solidi possono entrare nel sistema oleodinamico attraverso l’usura delle parti mobili, la corrosione o durante il processo di produzione e manipolazione dell’olio.
  • Acqua: l’acqua può entrare nel sistema oleodinamico attraverso perdite, condensa o durante la pulizia del sistema. La presenza di acqua può causare corrosione, emulsione dell’olio e riduzione della viscosità.
  • Aria: l’aria può entrare nel sistema durante la manipolazione dell’olio o a causa di perdite. L’ossigeno presente nell’aria può contribuire alla formazione di ossidazione e alla degradazione dell’olio.
  • Contaminanti chimici: sostanze chimiche indesiderate possono contaminare l’olio oleodinamico, ad esempio, a causa di reazioni chimiche indesiderate, o a seguito di una contaminazione da fluidi incompatibili durante la manutenzione o il riempimento.
  • Resine e gomme: alcuni oli oleodinamici possono accumulare resine o gomme nel tempo, specialmente se il fluido viene esposto a temperature elevate che possono favorire la formazione di depositi.
  • Microorganismi e batteri: in ambienti umidi o se il fluido è conservato impropriamente, possono svilupparsi microorganismi e batteri, causando problemi di contaminazione biologica.
  • Combustibile Diesel: in alcune applicazioni, come macchinari edili o veicoli fuoristrada, il combustibile diesel può contaminare accidentalmente l’olio oleodinamico a causa di perdite o miscelazione impropria.
  • Prodotti di decomposizione termica: L’esposizione prolungata a temperature elevate può portare alla decomposizione termica dell’olio, generando prodotti di decomposizione che possono compromettere le prestazioni.
  • Contaminanti da processi di lavorazione: durante le operazioni di lavorazione e fabbricazione, possono essere introdotti contaminanti come particelle metalliche, abrasivi o fluidi di processo che possono contaminare l’olio.
  • Additivi consumati: nel corso del tempo, gli additivi presenti negli oli oleodinamici possono essere consumati o degradati, riducendo la capacità dell’olio di svolgere le sue funzioni specifiche.
  • Materiali di tenuta deteriorati: guarnizioni o sigillature deteriorate possono introdurre particelle nel sistema, oltre a contribuire alla perdita di fluido.

La gestione efficace di questi contaminanti richiede l’implementazione di pratiche di manutenzione preventive, tra cui la filtrazione regolare, la sostituzione dell’olio secondo le raccomandazioni del produttore, l’ispezione delle guarnizioni e la prevenzione delle perdite. La scelta di filtri e tecnologie di filtrazione appropriate è essenziale per mantenere l’olio oleodinamico pulito e garantire il corretto funzionamento del sistema.

3. Tipologie di filtri oleodinamici

La principale classificazione dei filtri oleodinamici che viene utilizzata è quella fatta sulla base del posizionamento dei filtri stessi nel circuito. In funzione di tale posizionamento, infatti, le caratteristiche ed i parametri di funzionamento dei filtri stessi cambiano in maniera rilevante.

Di seguito vengono riportate le principali categorie di filtri:

  • Filtro di Aspirazione (Suction Filter): posto sulla linea di aspirazione della pompa, spesso immerso nel serbatoio, ha la funzione di proteggere la pompa da particelle più grossolane (detriti di montaggio, guarnizioni, ecc.). Ha un grado di filtrazione relativamente basso per evitare di causare cavitazione alla pompa a causa di eccessiva perdita di carico.
  • Filtro di Ritorno (Return Filter): posto sulla linea di ritorno al serbatoio. Cattura i contaminanti generati dai componenti del sistema (tipicamente da usura) prima che l’olio ritorni nel serbatoio per essere riutilizzato. È cruciale per mantenere pulito l’olio nel serbatoio e quindi nel circuito stesso.
  • Filtro in Pressione (Pressure Filter): solitamente posizionato sulla linea di mandata della pompa, a monte dei componenti più critici (es. servo-valvole, attuatori). Offre la protezione più elevata al circuito. Deve resistere all’alta pressione del sistema. La finezza di filtrazione è spesso elevata (da 3 a 25 µm).
  • Filtro in Derivazione o “Fuori Linea” (Off-line Filter/Kidney Loop): Si tratta di un circuito di filtrazione separato che aspira l’olio dal serbatoio e lo reimmette dopo la filtrazione. In questo caso fornisce un livello di pulizia continuo e molto elevato, indipendente dal funzionamento del circuito principale.

Nella realtà, le tipologie di filtri vengono categorizzate anche in funzione di ulteriori parametri, arrivando così alla classificazione seguente. 

3.1 Filtri in aspirazione

Funzione: proteggono la pompa dai contaminanti presenti nel serbatoio dell’olio.

Posizionamento: montati sulla linea di aspirazione, prima della pompa.

Caratteristiche tecniche:

  • Grado di filtrazione: tipicamente poco fine, per evitare cadute di pressioni rilevanti che possano causare problemi di cavitazione alla pompa.
  • Materiale elementi filtranti: rete metallica, o microfibra, o cellulosa.
  • Pressione di esercizio: molto bassa.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale.

3.2 Filtri di ritorno

Funzione: rimuovono le impurità generate durante il funzionamento dell’impianto prima che l’olio rientri nel serbatoio.

Posizionamento: sulla linea di ritorno.

Caratteristiche tecniche:

  • Grado di filtrazione: medio-fine.
  • Pressione di esercizio: bassa.
  • Materiali filtri: acciaio al carbonio, o alluminio, o poliammide.
  • Vantaggi: proteggono il serbatoio e mantengono pulito l’olio di ritorno nel serbatoio.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale.

3.3 Filtri combinati (ritorno + aspirazione)

Funzione: uniscono in un unico corpo filtrante la funzione di ritorno e aspirazione.

Posizionamento: installati sul serbatoio, con due linee separate (ritorno e aspirazione).

Caratteristiche tecniche:

  • Grado di filtrazione: differenziato (fine per il ritorno, grossolano per l’aspirazione).
  • Pressione di esercizio: medio-bassa.
  • Vantaggi: riduzione ingombri, semplificazione impiantistica, garantiscono pulizia dell’olio in circolo e protezione della pompa.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale.

3.4 Filtri Spin-On

Funzione: filtri a cartuccia avvitata.

Posizionamento: su linea di ritorno o su circuiti ausiliari a media/bassa pressione.

Caratteristiche tecniche:

  • Materiali filtri: corpo in acciaio o alluminio con cartuccia avvitabile.
  • Pressione di esercizio: medio-bassa.
  • Grado di filtrazione: tutte quelle disponibili (fine-medio-bassa).
  • Vantaggi: sostituzione rapida, costi contenuti, ampia disponibilità di ricambi.

 

 

3.5 Filtri per bassa/media pressione

Funzione: proteggono componenti sensibili in circuiti a pressioni fino a 80 bar.

Posizionamento: su linee di mandata a pressioni non elevate, drenaggio o circuiti di controllo.

Caratteristiche tecniche:

  • Pressione di esercizio: medio-bassa, fino a 80 bar max.
  • Portate: range ampio, da 10 a 1200 l/min.
  • Elementi filtranti: rete metallica, o microfibra, o cellulosa.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale.
  • Versioni duplex disponibili.

3.6 Filtri per alta pressione

Funzione: proteggono valvole e attuatori nei circuiti principali ad alta pressione.

Posizionamento: sulla linea di mandata della pompa o a valle di componenti critici.

Caratteristiche tecniche:

  • Pressione di esercizio: fino a 420 bar (alcuni modelli oltre 550 bar).
  • Elementi filtranti: rete metallica o microfibra.
  • Grado di filtrazione: medio-fine.
  • Costruzione: corpo in acciaio o ghisa sferoidale.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale.

3.7 Filtri per alta pressione in acciaio inossidabile

Funzione: utilizzati per fluidi e/o ambienti corrosivi, e dove sono in gioco pressioni estremamente elevate.

Applicazioni tipiche: industria navale, alimentare, offshore, chimica, Oil&Gas.

Caratteristiche tecniche:

  • Materiale: acciaio inossidabile (AISI 304 o 316).
  • Pressione di esercizio: fino a 1000 bar.
  • Grado di filtrazione: medio-fine.
  • Vantaggi: resistenza alla corrosione, durata estesa, facile sterilizzazione.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale.
  • Versioni duplex disponibili.

 

3.8 Filtri per alta pressione idonei per utilizzo in atmosfere potenzialmente esplosive (ATEX)

Funzione: garantiscono la filtrazione sicura in ambienti classificati ATEX (Gruppo II: protezione Ex h, categoria gas 3G: gruppo IIC, e categoria polveri 3D: gruppo IIIC).

Caratteristiche tecniche:

  • Certificazioni: conformi Direttiva ATEX 2014/34/UE.
  • Costruzione: corpo in acciaio inox.
  • Pressione di esercizio: fino a 1000 bar.
  • Grado di filtrazione: medio-fine.
  • Accessori: valvola di by-pass integrata, indicatore di intasamento opzionale certificato ATEX.

3.9 Carrelli mobili per la filtrazione off-line

Quando nasce la necessità di flussare e pulire off-line dei serbatoi, la soluzione più efficace è quella offerta da carrelli sui quali vengono installati un gruppo moto-pompa con relative unità di filtrazione.

Funzione: unità mobili utilizzate per la depurazione e la manutenzione dell’olio idraulico senza fermare l’impianto.

Configurazione: pompa + filtro fine + filtro grossolano montati su carrello.

Caratteristiche tecniche:

  • Portata: in funzione della dimensione del serbatoio e del tempo di flussaggio e pulizia richiesto.
  • Pressione di esercizio: medio-bassa.
  • Grado di filtrazione: medio-fine.
  • Utilizzo: pulizia serbatoi, travaso olio, filtrazione continua.
  • Accessori: analizzatore di particelle montato su carrello
  • Vantaggi: riduzione tempi di fermo, aumento vita utile del fluido e dei componenti.

I PASSI CORRETTI PER LA SELEZIONE DI UN FILTRO OLEODINAMICO

La scelta corretta del filtro oleodinamico appropriato è un processo critico per garantire il corretto funzionamento e la durata degli impianti oleodinamici. La selezione di un filtro dipende da diversi fattori, inclusi il tipo di sistema oleodinamico, l’applicazione, le condizioni operative e i requisiti di filtrazione. La scelta del filtro oleodinamico deve essere una decisione ponderata basata sulle esigenze specifiche del sistema.

Ecco una guida in 6 punti utile a scegliere un filtro per impianti oleodinamici.

1

Definire il sistema oleodinamico e la funzione del filtro al suo interno:

  • Filtro di aspirazione
  • Filtro di Ritorno
  • Filtro in Pressione
  • Ecc.

2

Conoscere le specifiche di processo del sistema:

  • Portata del fluido
  • Pressione di lavoro del fluido
  • Temperatura di lavoro del fluido
  • Tipo di fluido
  • Grado di viscosità a freddo

3

Determinare il grado di filtrazione necessario

4

Conoscere l’ambiente operativo

  • Condizioni ambientali di pulizia
  • Temperatura

5

Conoscere le connessioni del filtro al circuito

  • Tipo di connessione (filettata, flangiata)
  • Standard di riferimento (BSPP, NPT, ecc.)
  • Dimensioni della connessione

6

Valutare la necessità del controllo del grado di intasamento del filtro

  • Tipologia di indicatore richiesta
  • Tipologia di segnale di controllo
  •  

4. Parametri di selezione e funzionamento dei filtri oleodinamici

Diversi sono i parametri che influenzano la selezione di un filtro oleodinamico ed il suo corretto funzionamento. Vediamone di seguito, nel dettaglio, i principali.

4.1 Tipo di fluido

La scelta del filtro è inseparabile dalle caratteristiche del fluido e dalle condizioni ambientali e operative del sistema, in quanto il tipo di fluido (oltre ad altri parametri che si analizzeranno di seguito) influisce sul corretto funzionamento di qualsiasi sistema di filtrazione. Per questo motivo è fondamentale verificare la compatibilità del fluido con tutti i materiali costituenti un qualsiasi filtro: colle, guarnizioni, materiale del corpo filtro, materiale del contenitore, materiale filtrante. I fluidi principali utilizzati nel settore oleodinamico possono essere distinti nelle seguenti categorie, con riferimento alle sigle utilizzate dagli standard ISO:
  • Oli a base minerale (HH, HL, HM, HV)
  • Fluidi idraulici ecocompatibili (HETG, HEES, HEPR)
  • Fluidi acquosi ignifughi (HFAE, HFAS, HFB, HFC)
  • Fluidi sintetici anidri ignifughi (esteri fosfatici: HFDR)
  • Fluidi sintetici anidri ignifughi (diversi dagli esteri fosfatici: HFDU)

4.2 Viscosità, pressione, temperatura del fluido

La viscosità è la misura della resistenza di un fluido allo scorrimento e, in un sistema oleodinamico, è il parametro fisico dell’olio che ha il maggiore impatto sulla filtrazione. Esistono due modi per misurare la viscosità di un fluido:
  • la viscosità dinamica, che si riferisce alla pura resistenza al flusso di un fluido;
  • la viscosità cinematica, che considera anche la densità del fluido.
La viscosità dinamica, nota anche come viscosità assoluta, è una misura della resistenza interna del fluido al flusso: rappresenta quanto sia  difficile per un fluido scorrere  quando viene applicata una forza. La sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il Pascal per secondo (Pa·s), ma viene utilizzato più frequentemente il Poise (P); 1 Pa·s corrisponde a 10 Poise (P). Per ragioni storiche è più comune l’uso del suo sottomultiplo centiPoise (cP). La viscosità cinematica misura invece la resistenza del fluido a fluire sotto l’influenza della gravità. Essa tiene conto quindi della densità del fluido. La viscosità cinematica è quella utilizzata più di frequente nel dimensionamento dei fluidi oleodinamici. La sua unità di misura è il metro quadrato al secondo (m²/s), ma sono comuni anche gli stoke (St), pari alla viscosità cinematica di un fluido con densità di un grammo a centimetro cubo e viscosità dinamica di un Poise. 1 St equivale quindi a 10-4 volte 1 m²/s, ed è più frequentemente utilizzato con il suo sottomultiplo centiStoke (cSt). La viscosità cinematica influisce sulla perdita di carico del fluido. Un olio più viscoso richiede elementi filtranti che non creino un’eccessiva caduta di pressione, spesso con un’area filtrante maggiore. La perdita di carico attraverso un elemento filtrante è direttamente proporzionale alla viscosità del fluido. Quando l’olio è freddo (soprattutto all’avviamento, quando la temperatura è bassa) siamo in presenza di alta viscosità. In questo caso il fluido incontra una resistenza molto maggiore nell’attraversare il setto filtrante. Per gestire l’alta viscosità si opta per filtri con una maggiore area filtrante. I filtri di aspirazione, in particolare, sono dimensionati per tollerare la viscosità massima a freddo, altrimenti la pompa potrebbe subire cavitazione. Il corretto dimensionamento e la specifica del filtro si deve basare quindi sulla tipologia di fluido, per determinarne la viscosità, nonché sulla portata e sui seguenti parametri: Temperatura del Fluido: influenza la viscosità e la densità del fluido e, di conseguenza, la sua resistenza al flusso attraverso l’elemento filtrante. In questo caso il filtro dev’essere in grado di operare nell’intervallo di temperatura specificato. La temperatura massima determina anche la scelta dei materiali delle guarnizioni e dei filtri stessi. Pressione Operativa: determina la robustezza strutturale richiesta per l’alloggiamento del filtro. Più in dettaglio, i filtri per altre pressioni devono avere un corpo in grado di resistere alla pressione massima del sistema con un fattore di sicurezza adeguato.   

4.3 Classificazione delle particelle e contaminanti da filtrare

La “Funzione del filtro” si realizza comprendendo la natura e la dimensione dei contaminanti da rimuovere. I contaminanti si classificano in base alla loro dimensione secondo le macro-categorie riportate qui di seguito.
  • Particelle Grossolane (³ 40 μm): visibili ad occhio nudo (es. un capello umano è circa 70 μm).
  • Particelle Medie (tra 5 e 40 μm): le più dannose per i componenti idraulici perché hanno dimensioni simili allo spessore del film d’olio in pompe e valvole, causando usura per abrasione.
  • Particelle Fini (£ 5 μm): contribuiscono alla formazione di morchie (sludge). Sono rimosse da filtri con elementi filtranti ad altissima efficienza (anche off-line).
 

4.4 Perdita di Pressione (perdita di carico)

La perdita di carico (o caduta di pressione) è la riduzione di pressione che si verifica attraverso il filtro quando il fluido lo attraversa: per queste viene misurata come pressione differenziale. Nel caso di filtro nuovo (pulito), la perdita di carico iniziale deve essere mantenuta al minimo per non sprecare energia e non causare problemi operativi. Per un filtro intasato (massima perdita di carico), il valore del differenziale di pressione attraverso il filtro aumenta mano a mano che l’elemento filtrante trattiene le particelle contaminanti, fino a raggiungere un valore definito come “massimo” (perdita di pressione massima ammissibile: ΔPmax) che indica la necessità di sostituire l’elemento. Come precedentemente accennato, i sistemi di filtrazione possono essere dotati di indicatori di intasamento (visivi o elettrici, o elettronici) tarati su questo valore. Se la pressione differenziale supera il valore di taratura della valvola by-pass, il filtro viene “aggirato”, compromettendo la filtrazione ma proteggendo l’elemento.

5. Applicazioni della filtrazione oleodinamica

La filtrazione oleodinamica trova applicazione in una vasta gamma di settori e applicazioni dove sono presenti sistemi oleodinamici. In generale, la filtrazione oleodinamica è una pratica standard in qualsiasi contesto in cui i fluidi oleodinamici vengono impiegati per il controllo e il movimento di componenti meccaniche.

Alcuni dei principali settori applicativi includono:

    • Industria Manifatturiera: La filtrazione oleodinamica è ampiamente utilizzata nelle linee di produzione industriali per garantire il corretto funzionamento delle attrezzature, come presse idrauliche, macchine utensili e sistemi di automazione.
    • Settore dell’Automotive: Nei veicoli e nelle linee di produzione automobilistica, la filtrazione oleodinamica è essenziale per garantire l’efficienza dei sistemi di controllo idraulico, come quelli presenti nei sistemi di frenatura e di sospensione.
    • Energia eolica: I sistemi oleodinamici vengono utilizzati per controllare la movimentazione delle pale di turbine eoliche. La filtrazione oleodinamica è fondamentale per mantenere l’efficienza di questi sistemi.
    • Oil&Gas: I filtri oleodinamici servono a proteggere i componenti del sistema idraulico (valvole, pompe, attuatori inseriti in Unità di controllo idraulico per piattaforme offshore, nei sistemi di attuazione valvole, impianti di perforazione, sistemi di sollevamento e movimentazione). Nel settore Oil & Gas, questa funzione è particolarmente critica perché i sistemi lavorano a pressioni molto elevate (fino a 420 bar o più), le condizioni ambientali sono estreme (temperature, corrosione, sabbia, acqua salata) e l’affidabilità operativa è fondamentale (shutdown o guasti sono estremamente costosi, anche solo a livello di mancata produzione).
    • Agricoltura: Attrezzature agricole come trattori e macchine per la raccolta utilizzano sistemi oleodinamici per controllare varie funzioni. La filtrazione è cruciale per mantenere l’integrità di tali sistemi.
    • Settore Aerospaziale: Nell’industria aerospaziale, la filtrazione oleodinamica è utilizzata nei sistemi di controllo di aerei e veicoli spaziali per garantire prestazioni affidabili e sicure.
    • Industria del Movimento Terra: Le attrezzature utilizzate per lo scavo, la movimentazione del terreno e la costruzione, come bulldozer e escavatori, spesso dipendono da sistemi oleodinamici. La filtrazione oleodinamica è essenziale per la loro manutenzione.
    • Settore Navale: Navi e imbarcazioni di vario genere impiegano sistemi oleodinamici per la gestione dei timoni, delle gru e di altri dispositivi. La filtrazione è critica per garantire la sicurezza e l’efficienza delle operazioni marittime.

6. Vantaggi della filtrazione

La filtrazione nei sistemi oleodinamici, come accennato al paragrafo 1.3, offre una serie di vantaggi che influiscono direttamente sull’efficienza operativa e sulla durata degli impianti. Mantenere l’olio pulito e privo di contaminanti è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali e massimizzare la produttività degli impianti oleodinamici. Ecco alcuni esempi specifici:

  • Riduzione dell’usura dei componenti: è senza dubbio uno dei principali vantaggi perché la filtrazione corretta ha il compito di rimuovere particelle abrasive e contaminanti dall’olio, riducendo l’usura prematura dei componenti critici come pompe, valvole e cilindri. Ciò contribuisce a prolungare la vita utile degli impianti oleodinamici.
  • Miglioramento dell’efficienza energetica: il secondo vantaggio più evidente deriva dalla riduzione dell’attrito e dell’usura attraverso la filtrazione che contribuisce a mantenere l’efficienza energetica degli impianti oleodinamici. Un sistema pulito richiede meno energia per lavorare e può mantenere prestazioni ottimali.
  • Prevenzione di guasti e fermi macchina: la rimozione tempestiva di contaminanti dall’olio attraverso la filtrazione contribuisce a prevenire guasti imprevisti e fermi macchina. Ciò aumenta l’affidabilità degli impianti e riduce i tempi di inattività non pianificati.
  • Mantenimento della precisione e della stabilità del controllo: negli impianti oleodinamici utilizzati per il controllo di macchinari e processi, la precisione è cruciale. Una filtrazione efficace aiuta a mantenere la stabilità del controllo, garantendo che le componenti mobili rispondano in modo preciso ai comandi.
  • Riduzione dei costi di manutenzione: la prevenzione di danni causati da contaminanti contribuisce a ridurre i costi di manutenzione. La sostituzione regolare dei filtri è generalmente meno costosa rispetto alla riparazione o alla sostituzione di componenti danneggiate.
  • Prolungamento della durata dell’olio: la filtrazione rimuove impurità e contaminanti, contribuendo a prolungare la vita utile dell’olio. Questo significa che i fluidi oleodinamici possono essere utilizzati per periodi più lunghi senza compromettere le prestazioni.
  • Riduzione dell’impatto ambientale: la gestione efficace degli oli oleodinamici attraverso la filtrazione contribuisce a ridurne l’impatto ambientale. La corretta manutenzione e la prevenzione della contaminazione evitano la necessità di smaltire oli inquinati che, se non correttamente gestiti, possono causare inquinamento ambientale.
  • Miglioramento della qualità del prodotto: negli impianti di produzione, in cui i sistemi di controllo oleodinamico sono utilizzati per movimentare e/o controllare macchinari ed attrezzature, la filtrazione contribuisce a garantire la precisione e la qualità del processo produttivo.

7. Strumenti utilizzati nella filtrazione oleodinamica

Per eseguire una filtrazione oleodinamica efficace vengono impiegati diversi tipi di strumenti e dispositivi: non solo i filtri stessi, progettati per rimuovere particelle e contaminanti dai fluidi oleodinamici, ma anche strumenti per ricevere indicazioni sullo stato di intasamento dei filtri stessi.

La scelta degli strumenti dipende dalle specifiche esigenze del sistema oleodinamico e dalla natura della contaminazione.

Strumenti come gli indicatori di intasamento sono strumenti fondamentali per monitorare l’efficienza degli elementi filtranti e per determinare il momento corretto per la loro sostituzione. Un filtro intasato, infatti, provoca una maggiore caduta di pressione attraverso l’elemento filtrante, compromettendo le prestazioni dell’intero impianto. Di seguito sono riportati i diversi tipi di indicatori di intasamento, suddivisi per il parametro che misurano e per la tipologia di segnale che forniscono.

 

7.1 Indicatori suddivisi per parametro misurato

  • Vuotometri: questi strumenti misurano la depressione a valle del filtro, tipicamente utilizzati sui filtri in aspirazione. Quando l’elemento filtrante si intasa, la depressione aumenta, segnalando la necessità di manutenzione.
  • Indicatori di pressione: misurano la pressione in un singolo punto del circuito, solitamente a monte del filtro. Un aumento della pressione può indicare un intasamento del filtro stesso.
  • Indicatori di pressione differenziale: questi sono i più comuni e precisi. Misurano la differenza di pressione (ΔP) tra il lato “sporco” (a monte) e il lato “pulito” (a valle) dell’elemento filtrante. L’intasamento del filtro causa un aumento del ΔP, e quando questo valore raggiunge una soglia preimpostata, l’indicatore si attiva.

 

7.2 Indicatori suddivisi per tipologia di segnale

  • Visivi: forniscono un’indicazione ottica dell’intasamento. Spesso presentano un segnale colorato, come un settore verde che diventa rosso, per segnalare la necessità di sostituire l’elemento filtrante.
  • Elettrici: attivano un segnale elettrico quando l’intasamento raggiunge il valore di soglia. Questo segnale può essere utilizzato per attivare un allarme sonoro o luminoso, oppure per inviare un segnale a un sistema di controllo per automatizzare la manutenzione.
  • Elettronici: offrono una funzionalità più avanzata, spesso integrandosi con sistemi di gestione dei dati e sensori per il monitoraggio continuo. Misurano il livello di contaminazione e comunicano le informazioni a una centralina per avviare, ad esempio, un ciclo di rigenerazione.
  • Elettrici + Visivi: combinano un’indicazione visiva con un segnale elettrico, offrendo un doppio sistema di segnalazione. Questa tipologia è particolarmente utile per avere sia un’indicazione immediata sul posto sia un allarme a distanza.

8. Strumenti utilizzati per il monitoraggio della contaminazione

Lo strumento per il monitoraggio della contaminazione dei fluidi, tipicamente oli idraulici e di lubrificazione, è essenziale per la manutenzione predittiva e per garantire l’affidabilità e la durata dei macchinari. Questi strumenti possono essere classificati in base alla loro modalità di utilizzo (portatili o fissi) e alla loro funzione (monitoraggio, analisi o campionamento).

La digitalizzazione è diventata sempre più prevalente anche nei sistemi di filtrazione oleodinamica. L’integrazione di tecnologie digitali può portare a una gestione più efficiente e avanzata dei processi di filtrazione. L’adozione di soluzioni digitali nei sistemi di filtrazione non solo migliora l’efficienza operativa ma consente anche una gestione più intelligente, reattiva e ottimizzata delle risorse. La digitalizzazione è parte integrante del concetto di Industria 4.0, dove la connettività e l’analisi dei dati svolgono un ruolo fondamentale nell’ottimizzazione dei processi industriali. Di seguito sono riportati alcuni aspetti della digitalizzazione nei sistemi di filtrazione oleodinamica:

  • Smart sensor: l’installazione di sensori intelligenti nei sistemi di filtrazione consente il monitoraggio continuo delle condizioni dell’olio. Questi sensori possono rilevare la presenza di particelle, la pressione, la temperatura e altri parametri critici.
  • Sistemi di monitoraggio remoto: la connettività a Internet consente il monitoraggio remoto delle condizioni del sistema di filtrazione. Gli operatori possono ricevere avvisi in tempo reale e accedere a dati operativi da qualsiasi luogo, facilitando la gestione a distanza.
  • Analisi dei dati e intelligenza artificiale: l’analisi dei dati provenienti dai sensori può essere sfruttata per rilevare tendenze, prevedere guasti imminenti e ottimizzare la manutenzione preventiva. Tecniche di intelligenza artificiale (IA) possono contribuire a migliorare la precisione delle previsioni.
  • Sistemi di diagnostica avanzata: l’integrazione di sistemi di diagnostica avanzata consente una valutazione più approfondita delle condizioni dell’olio e del sistema. Ciò può includere l’analisi chimica in tempo reale per identificare la composizione dell’olio e la presenza di contaminanti.
  • Automazione e controllo digitale: l’automazione dei processi di filtrazione attraverso sistemi di controllo digitale consente un adattamento dinamico alle condizioni di funzionamento. Questo può migliorare l’efficienza del processo e la precisione nella rimozione di contaminanti.
  • Manutenzione pianificata e predittiva: sempre di più, la digitalizzazione permette una transizione da una manutenzione programmata a una manutenzione predittiva. La raccolta e l’analisi dei dati consentono di identificare i tempi ideali per la sostituzione dei filtri o altre attività di manutenzione.
  • Tracciabilità digitale: i sistemi digitali possono garantire una tracciabilità completa delle operazioni di filtrazione, tenendo traccia di quando sono stati eseguiti i cambi di filtro, i livelli di contaminazione nel tempo e altre informazioni cruciali.
  • Integrazione con sistemi di controllo industriale: l’integrazione con sistemi di controllo industriale più ampi consente una gestione centralizzata e coordinata di tutti i processi industriali, inclusi quelli relativi alla filtrazione oleodinamica.

9. Analisi della contaminazione: normative e standard Internazionali

L’analisi della contaminazione oleodinamica è regolata da diverse normative e standard internazionali che definiscono i requisiti di performance, i metodi di prova e i livelli di pulizia dei fluidi idraulici.

  • ISO 4406: definisce la classe di pulizia di un fluido idraulico in base al numero di particelle per millilitro di fluido a diverse dimensioni. Il titolo completo di questa norma è Hydraulic fluid power – Fluids – Method for coding the level of contamination by solid particles, è recepita e venduta dagli enti di normazione nazionali membri dell’ISO (International Organization for Standardization). In Italia la si può acquistare (UNI ISO 4406) direttamente sul sito dell’UNI (Ente Italiano di Normazione). La versione più recente è la UNI ISO 4406:2021.
  • NAS 1638: National Aerospace Standard 1638, si tratta dello standard aerospaziale che definisce i livelli di contaminazione per i fluidi idraulici utilizzati in applicazioni aeronautiche. È uno standard storico, sviluppato originariamente negli Stati Uniti negli anni ’60, ora considerato obsoleto per le nuove progettazioni e non ottimizzato per l’uso con i moderni contatori automatici di particelle (tarati secondo ISO 11171).

Il suo successore ufficiale, specialmente in ambito aerospaziale, è la normativa SAE AS4059, che offre un sistema di classificazione più coerente con le moderne tecniche di conteggio.

La NAS 1638, rispetto alla ISO 4406, classifica la contaminazione in cinque intervalli dimensionali differenziali e assegna una singola classe (da 00 a 12) basata sul conteggio più alto (il worst case) tra gli intervalli. La ISO 4406, invece, utilizza un codice a tre numeri basato su conteggi cumulativi.

  • SAE AS4059: è uno dei principali standard internazionali utilizzati per definire la classificazione del livello di contaminazione particellare dei fluidi idraulici, in particolare nell’industria aerospaziale e in applicazioni critiche. Il nome completo: Aerospace Fluid Power – Cleanliness Classification for Hydraulic Fluids.
  • Norme nazionali: Ogni paese può avere normative specifiche sulla filtrazione oleodinamica, comunque spesso basate sugli standard internazionali.

9.1 Normative per la calibrazione dei monitor di contaminazione: ACFTD, ISO MTD

Esistono normative internazionali ben definite per la calibrazione dei monitor automatici di particelle (Automatic Particle Counters – APC), che sono gli strumenti utilizzati nei monitor di contaminazione. I primi metodi di monitoraggio delle particelle impiegavano microscopi ottici (ARP 598) utilizzando il formato di reportistica NAS1638. Originariamente il metodo era conforme alla procedura di calibrazione ISO 4402, basata sulla microscopia ottica, che prendeva in esame la dimensione più grande delle particelle, misurata in μm (micron) e utilizzando come mezzo di riferimento l’ACFTD (Air Cleaner Fine Test Dust). Quando i sistemi di monitoraggio delle particelle automatici arrivarono per la prima volta sul mercato resero disponibile un metodo più rapido per analizzare i campioni, ma era richiesto anche un metodo di calibrazione diverso; è stata così perfezionata una nuova procedura e la relativa polvere di prova, basata sulle dimensioni delle particelle determinate utilizzando il monitoraggio automatico e facendo riferimento al diametro di un cerchio con la stessa area superficiale della particella (standard di campionamento secondo ISO NIST), utilizzando lo standard dimensionale definito in μm(c) (micron c). Esiste una leggera differenza tra le misurazioni delle particelle effettuate con i due metodi indicati in Tabella. Per mantenere lo stesso standard di pulizia, le calibrazioni che utilizzano uno dei due metodi (ISO MTD vs. ACFTD) vengono corrette alla seguente scala di confronto tra dimensioni di particelle:
ACFTD <1 μm 2 μm 3 μm 5 μm 7 μm 10 μm 15 μm 20 μm 25 μm 30 μm 50 μm 75 μm 100 μm
ISO MTD 4 μm(c) 4.6 μm(c) 5.1 μm(c) 6.4 μm(c) 7.7 μm(c) 9.8 μm(c) 13.6 μm(c) 17.5 μm(c) 21 μm(c) 25 μm(c) 38 μm(c) 50* μm(c) 70* μm(c)

*stima

ACFTDISO MTD
<1 μm4 μm(c)
2 μm4.6 μm(c)
3 μm5.1 μm(c)
5 μm6.4 μm(c)
7 μm7.7 μm(c)
10 μm9.8 μm(c)
15 μm13.6 μm(c)
20 μm17.5 μm(c)
25 μm21 μm(c)
30 μm25 μm(c)
50 μm38 μm(c)
75 μm50* μm(c)
100 μm70* μm(c)

*stima

Le procedure di calibrazione per i Prodotti per il Monitoraggio della Contaminazione basate sull’estinzione della luce che utilizzano ISO MTD come polvere di prova seguono gli standard ISO 11171 (potenza fluida idraulica – Calibrazione dei contatori automatici di particelle per liquidi) e ISO 11943 (potenza fluida idraulica  – sistemi di conteggio delle particelle nei liquidi automatici in linea – Metodi di calibrazione e convalida). In sostanza, queste procedure indicano dice come si deve calibrare un analizzatore di particelle affinché le sue misurazioni siano accurate e confrontabili a livello globale. Il contributo più significativo della ISO 11171 è l’introduzione di un metodo di calibrazione tracciabile.  

9.2 Polvere di prova utilizzata per la calibrazione dei monitor di contaminazione

La polvere di prova “Media” ISO (ISO MTD: ISO 12103-A3) è la polvere di prova utilizzata per la calibrazione dei prodotti per il monitoraggio della contaminazione basati sul principio di estinzione della luce. L’ISO MTD costituisce anche la base per i materiali di riferimento standard certificati NIST (SRM) – SRM2806 e Materiale di Riferimento (RM) – RM8631. Il materiale di riferimento standard (SRM) 2806 è composto da polvere minerale ISO MTD sospesa in MIL-PRF-5606 / Olio idraulico NATO H-515. SRM 2806 è uno standard di conteggio delle particelle tracciabile ed è certificato per il numero di particelle maggiore di una dimensione specificata per millilitro di olio idraulico. Un’unità di materiale di riferimento ISO MTD (RM) 8631 è costituita da 20 g di polvere minerale eterogenea in composizione e polidispersione rispetto alle dimensioni. RM 8631 è destinato ad essere utilizzato come materiale secondario per strumenti di calibrazione del dimensionamento delle particelle.

10. Innovazioni nella filtrazione oleodinamica

Le innovazioni della filtrazione oleodinamica si concentrano principalmente nell’adozione di materiali più sostenibili per ridurre l’impatto ambientale e nell’integrazione di tecnologie digitali. Vediamo qui di seguito qualche esempio.

10.1 Utilizzo di materiali rigenerabili e biodegradabili

L’evoluzione della filtrazione oleodinamica punta all’adozione di materiali più sostenibili per ridurre l’impatto ambientale.

  • Materiali rigenerabili/riutilizzabili: si riferiscono principalmente ai filtri in rete metallica (generalmente acciaio inossidabile). Questi elementi filtranti possono essere puliti (tramite ultrasuoni o lavaggi chimici) e rimessi in servizio più volte. Questo riduce la quantità di rifiuti solidi generati.
  • Fluidi biodegradabili: un aspetto complementare è l’uso crescente di fluidi idraulici ecologici (HFE – Hydraulic Fluid Environmental) basati su oli vegetali (esteri sintetici o naturali) o poliglicoli. Sebbene non si applichi direttamente ai filtri, la loro adozione rende l’intero sistema oleodinamico più sostenibile. Le case produttrici di filtri devono garantire che i materiali filtranti, le guarnizioni e le colle siano compatibili con questi fluidi HFE.
  • Filtri con componenti biodegradabili: la ricerca si sta concentrando su elementi filtranti che utilizzano fibre provenienti da fonti rinnovabili, come la cellulosa trattata in combinazione con additivi biodegradabili, o colle biodegradabili utilizzate nell’assemblaggio degli elementi filtranti, per facilitare lo smaltimento del filtro saturo.

 

10.2 Importanza della manutenzione preventiva (Condition Monitoring)

La manutenzione preventiva fornita dai sistemi di filtrazione è un investimento che prolunga la vita dei componenti e massimizza l’efficienza.

  • Prolungamento della vita del fluido: Mantenendo la contaminazione entro i limiti prescritti si riducono i tassi di ossidazione e degradazione del fluido, consentendone un uso prolungato.
  • Riduzione dell’usura dei componenti: Il 75%-80% dei guasti ai componenti idraulici (pompe, valvole, attuatori) è causato dalla contaminazione eccessiva dei fluidi utilizzati. Mantenere l’olio pulito riduce drasticamente l’usura abrasiva e la fatica superficiale, aumentando la vita utile di tutti i componenti in contatto.
  • Condition Monitoring (CM): la manutenzione preventiva moderna si basa sul monitoraggio delle condizioni. Questo include anche l’utilizzo di monitor automatici di particelle in linea che analizzano la pulizia del fluido in tempo reale, consentendo di intervenire prima che la contaminazione diventi critica. Sono tipicamente completi di sensori di umidità e temperatura per evitare che l’acqua faccia da contaminante corrosivo e catalizzi l’ossidazione e la temperatura influisca sulla viscosità e sulla durata dell’olio.
  • Pianificazione degli interventi: una corretta manutenzione preventiva consente di sostituire i filtri solo quando necessario (al raggiungimento della pressione differenziale massima), ottimizzando i costi rispetto a una sostituzione a tempo fisso.

 

10.3 Prospettive future della filtrazione oleodinamica

Il futuro della filtrazione è dominato da 2 macro-fattori:

  • Aumento dell’efficienza di filtrazione

C’è la tendenza verso elementi filtranti con una maggiore capacità di accumulo dello sporco (DAC) e valori di efficienza filtrante sempre più elevati ed in grado di catturare particelle sempre più piccole;

  • Digitalizzazione

Ovvero la necessità di una maggiore precisione e connettività per la raccolta dei dati di funzionamento.

Esempi: sistemi di filtrazione completamente integrati con l’IIoT; Filtri dotati di sensori avanzati (pressione, temperatura, pulizia) che comunicano in tempo reale a piattaforme cloud o PLC. L’analisi predittiva attraverso sistemi di machine learning e AI saranno sempre di più in grado di prevedere guasti e l’esatta vita residua di filtri e fluidi. Inoltre, i sistemi idraulici di prossima generazione (ad esempio nelle trasmissioni CVT o nei servomeccanismi) richiederanno fluidi con un grado di pulizia elevatissima, spingendo la filtrazione ai limiti del sub-micrometro.

Crescerà anche l’adozione di materiali biodegradabili e l’uso di polimeri riciclati per le testate dei filtri e per i componenti non direttamente a contatto con il fluido.