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제대로 된 유압유, 잘 사용하고 계신가요?

⊳ 유압 시스템을 사용하는 제조인을 위한 지침

인체의 혈관에 흐르는 피가 깨끗해야 건강하듯이, 유압 시스템에 흐르는 유압 작동유가 제대로 된 성능을 가지고 있어야 함은 두말할 나위 없다.
유압 사용자가 간과하기 쉬운 유압 작동유에 대한 오해에서 출발해, 올바른 유압 시스템을 위해 알아두어야 할 지침을 모빌코리아윤활유(주)와 함께 알아본다.

제조 현장에서 유압은 많이 사용된다. 가장 쉬운 예로 터닝센터와 같은 공작기계에는 유압 시스템이 장착되어 유압 실린더와 유압 척 등에 유압을 공급한다.
유압 시스템을 이루는 요소 중의 하나인 유압 펌프는 외부에서 공급되는 기계적 에너지를 유압 시스템 작동유의 압력 에너지로 변환시키는 장치다.
일반적으로, 회전하는 두 개의 기어 이빨 사이의 공극을 이용하여 가압하는 기어펌프, 회전하는 축에 설치된 베인을 이용하여 작동유를 밀어 압축시키는 베인펌프, 피스톤을 실린더, 경사판, 회전 샤프트 등에 의해서 왕복 운동 시켜 유체를 흡입 및 토출하는 형식의 피스톤펌프가 사용된다.

유압 펌프의 종류

기어 펌프
회전하는 두 개의 기어 이빨 사이의 공극을 이용하여 가압하는 기어펌프. 가장 단순하고 저렴한 기어펌프는 비교적 낮은 압력(500~3,000 psi)에서 사용된다.
회전하는 두 개의 기어 이빨 사이의 공극을 이용하여 가압하는 기어펌프. 가장 단순하고 저렴한 기어펌프는 비교적 낮은 압력(500~3,000 psi)에서 사용된다.
베인 펌프
회전하는 축에 설치된 베인을 이용하여 작동유를 밀어 압축시키는 베인펌프. 1,000~3,000 psi 정도의 중간 압력에서 주로 사용한다. 효율이 좋은 편이고 유격이 작아 이물질에 민감하다.
회전하는 축에 설치된 베인을 이용하여 작동유를 밀어 압축시키는 베인펌프. 1,000~3,000 psi 정도의 중간 압력에서 주로 사용한다. 효율이 좋은 편이고 유격이 작아 이물질에 민감하다.
피스톤 펌프
피스톤을 실린더, 경사판, 회전 샤프트 등에 의해서 왕복 운동시켜 유체를 흡입 및 토출하는 형식의 피스톤펌프. 크기와 압력은 경사판의 사용에 따라 다양하며, 3,000~10,000 psi 정도의 고압에서 가동되므로 산화 안정도, 가수분해 안정성 등이 작동유에 요구된다.
피스톤을 실린더, 경사판, 회전 샤프트 등에 의해서 왕복 운동시켜 유체를 흡입 및 토출하는 형식의 피스톤펌프. 크기와 압력은 경사판의 사용에 따라 다양하며, 3,000~10,000 psi 정도의 고압에서 가동되므로 산화 안정도, 가수분해 안정성 등이 작동유에 요구된다.

유압 작동유는 유압 시스템의 성능과 효율에 있어서 가장 중요한 요소로 볼 수 있다. 유압 시스템 내부에서 가장 중요한 압력과 동력 전달의 역할 뿐만 아니라, 습동 부분에 대한 마찰 방지, 열의 방출과 먼지 마모 등의 협잡물 세정의 역할까지 유압 작동유의 역할은 광범위하다. 유압 작동유는 기유(Base Stock)에 산화방지제, 녹부식 방지제, 분산제 등 다양한 첨가제(Additives)를 5~20%가량 첨가하여 만든다.

최근 유압 시스템 시장의 요구에 의한 명확한 트렌드는 ‘압력의 증가’라고 말할 수 있다. 시스템 내 압력을 높이게 되면 마찰과 내부 누유의 증가가 발생하여 유압 작동유도 영향을 받을 수밖에 없다. 마찰이 증가하면 온도가 상승하고 산화가 증가하며 마모 발생이 많아지기 때문에 이에 대한 대비가 필요하고, 내부 누유가 증가되면 피스톤 간극의 정밀화 및 이에 따른 필터 성능 향상이 요구된다. 실제로 1960년대는 40㎛ 필터가 대부분 이었으나 현재는 약 3㎛까지 사용되고 있을 정도다. 지속적인 유압의 증가로 인해 가동 환경이 점차 혹독해지고 있기 때문에 유압 작동유의 사용과 관련한 잠재적인 문제점을 살피고 대응할 필요가 있다.

유압 사용 시 잠재된 문제와 이를 극복하기 위해 요구되는 유압 작동유 성능
유압 작동유 사용 시 잠재된 문제. 첫째로는 산화 안정성을 들 수 있다. 유압 작동유의 산화는 유용성 산화물과 불용성 산화물을 생성하므로 바니시 및 침전물을 형성하여 필터 막힘과 밸브의 오작동 및 기계의 진동과 마모를 증가시킬 수 있다. 그다음으로는 내마모성이다. 베어링, 펌프, 밸브 및 실린더 등의 미끄럼마찰 부분은 경계윤활 상태이므로, 마모를 최소화하기 위해서는 강력한 유막 강도와 윤활성이 요구된다. 또한, 기포 방지성인데, 기포의 발생 원인으로는 배관의 부적절한 위치, 탱크의 부적절한 설계, 압력강하, 탱크의 유면 저하, 공동 현상, 오염, 패킹 및 펌프의 흡입측 라인 누설 및 오일의 열화 등이 있을 수 있다. 녹 및 부식 방지성 또한 중요하다. 녹이 발생하면 퇴적물의 생성을 촉진하여 펌프, 밸브, 실린더의 작동을 저해하고 마모를 초래하기 때문이다. 마지막으로 유수 분리성을 들 수 있다. 냉각수나 공정수의 누수 및 공기 중의 수분 응축으로 수분이 혼입되어 유화물이 형성되고 슬러지가 발생할 수 있어 주의해야 한다.

유압 작동유 사용자의 오해
모빌코리아윤활유가 유압 작동유 실사용자를 대상으로 진행한 설문조사 중, ‘유압 작동유 사용에 있어서 가장 중요한 성능’을 묻는 문항에 43%의 응답자가 열 및 산화안정성, 즉 밸브나 필터에 슬러지 또는 바니시 등이 발생하지 않아야 함을 꼽았다[표 1]. 또한, 38%의 응답자가 펌프, 액추에이터에 대한 내마모성을 꼽았는데, 결국, 이 두 가지 성능 인자가 유압 작동유 사용에 있어 가장 중요하며 소비자가 요구하는 점이라는 것을 확인해 주는 결과라고 볼 수 있다.

[표 1] 유압 작동유를 사용하는 실 사용자들은 열 및 산화안정성과 내마모성을 가장 중요한 유압 작동유의 성능으로 꼽았다. (설문조사: 2019년 5월 모빌코리아윤활유 사용자 127명 대상)
[표 1] 유압 작동유를 사용하는 실 사용자들은 열 및 산화안정성과 내마모성을 가장 중요한 유압 작동유의 성능으로 꼽았다. (설문조사: 2019년 5월 모빌코리아윤활유 사용자 127명 대상)
반면, ‘유압 설비의 고장 원인이 무엇이라고 생각하는지’에 대한 응답을 보면[표 2], 유압 작동유와의 연관성보다는 주로 설비의 노후화 또는 기계적 고장, 정비 문제 등을 유압 설비 고장의 원인으로 보고 있는 것으로 나타났다. 그러나 전문적이고 신뢰성 있는 리서치에 따르면 유압 시스템 트러블의 원인 중 70%가 불량 유압 작동유에 의한 것으로 밝혀졌다. 이는 유압 설비 운영에 있어 유압 작동유의 중요성에 대한 사용자의 인식 전환이 요구되는 부분이다.

[표 2] 유압 작동유 사용 현장의소비자는 유압설비의 고장의 원인과 유압 작동유의 성능과의 관계를 과소평가하고 있다. 소비자의 인식 변화가 필요한 대목이다.
[표 2] 유압 작동유 사용 현장의소비자는 유압설비의 고장의 원인과 유압 작동유의 성능과의 관계를 과소평가하고 있다. 소비자의 인식 변화가 필요한 대목이다.
따라서, 유압 시스템 고장을 방지하기 위해서는 제대로 된 유압 작동유를 사용해야 하며, 그 유압 작동유는 가장 중요한 성능인 산화안정성과 내마모성을 모두 갖추고 있어야 한다는 결론에 이르게 된다. 모빌의 프리미엄 유압 작동유 Mobil DTE™ 20 Ultra는 이를 모두 갖춘 제품으로 주목할 만하다.

모빌의 유압 작동유 Mobil DTE™ 20 ULTRA
유압 작동유의 수명과 침전물 컨트롤은 내구성 시험 장비에서 테스트 후 평가 등급과 사진을 비교하여 측정한다. ExxonMobil의 유압작동유 Rig 테스트로 불리는 ‘MHFD’ 테스트는 실제 환경을 보다 효율적으로 설정하고 동일하게 시스템을 설치하여 글로벌 장비 제조 기업으로부터 인정받고 있는 신뢰할 만한 테스트 방법이다. 모빌의 유압 작동유 제품인 Mobil DTE 20 Ultra와 시장을 주도하던 종전 제품과 비교한 테스트 결과는 가히 주목할 만하다. 기존 제품이 1,000시간에서 교체를 해야 할 정도로 침전물과 바니시 등이 발생한 반면 Mobil DTE 20 Ultra는 동일 시간에 거의 변화가 없었다. 테스트가 2,000시간¹ 경과한 시점에서야 비로소 Mobil DTE 20 Ultra 제품에도 변화가 있었다. 이는 유압 작동유 사용 시간이 두 배 증가한 것이고, 동일 시간 사용 시 뛰어난 청정 유지 성능을 나타냄을 의미한다.

¹점도지수 100가량의 아연계 내마모 첨가제 시스템을 갖춘 ISO VG 46 기준 – 가혹한 MHFD (Mobil Hydraulic Fluid Durability) 테스트에서 ISO 11158 (L-HM) 과/또는 DIN 51542-2 (HLP 타입) 요구조건을 만족함
기존 제품이 1,000시간에서 교체를 해야 할 정도로 침전물과 바니시 등이 발생한 반면 Mobil DTE 20 Ultra는 동일 시간에 거의 변화가 없었다. 테스트가 2,000시간¹ 경과한 시점에서야 비로소 Mobil DTE 20 Ultra 제품에도 변화가 있었다.
기존 제품이 1,000시간에서 교체를 해야 할 정도로 침전물과 바니시 등이 발생한 반면 Mobil DTE 20 Ultra는 동일 시간에 거의 변화가 없었다. 테스트가 2,000시간¹ 경과한 시점에서야 비로소 Mobil DTE 20 Ultra 제품에도 변화가 있었다.

산화 안정성을 알아보기 위해 국제 규격인 ‘ASTM D 4310, 1000 h 산화 안정성 테스트’를 실시해 보았다. 이 시험 방법은 고온에서 산소, 물, 구리 및 철이 존재할 때 오일의 산화 안정성 및 슬러지 경향을 평가하도록 설계되었다. 오일 샘플은 물과 철-구리 촉매의 존재하에 95℃에서 산소와 접촉한다. 시험은 1,000시간 동안 계속되며, 시험이 끝나면 산가, 슬러지의 양 및 구리의 양 등을 측정하게 된다. 산화된 불안정한 작동유는 필터 막힘, 밸브 스티킹 또는 유체의 점도 변화로 인해 유압 시스템 오작동을 유발할 수 있다. 시험 결과[표3]에서 볼 수 있듯이 Mobil DTE 20 Ultra는 우수한 산화안정 성능을 보이며 ISO/ASTM의 관리 기준은 물론 기존 작동유 대비 현저한 슬러지 감소 능력을 보여주고 있다.

[표 3] Mobil DTE 20 Ultra는 우수한 산화안정 성능을 보이며 ISO/ASTM의 관리 기준은 물론 기존 작동유 대비 현저한 슬러지 감소 능력을 보여주고 있다.
[표 3] Mobil DTE 20 Ultra는 우수한 산화안정 성능을 보이며 ISO/ASTM의 관리 기준은 물론 기존 작동유 대비 현저한 슬러지 감소 능력을 보여주고 있다.
ASTM D 4310, 1000 h 산화 안정성 테스트를 위한 설비.
ASTM D 4310, 1000 h 산화 안정성 테스트를 위한 설비.

내마모 성능을 알아보기 위해 우선 국제 규격인 Vickers V104C 베인 펌프를 이용한 테스트를 해 보았다. 그 결과 DTE 20 Ultra는 Vickers에서 산업 기준으로 허용하는 수치인 120mg의 1/5 수준에 불과한 마모량이² 발생했다[표 4]. 유압분야 국제 규격인 Vickers는 독일의 DIN 규격과 ISO 규격이 모두 채택하고 있는 공인된 마모 성능 규격이다. 이와 마찬가지로 마모 성능을 판별하는 국제 규격인 ‘DIN 51517-3’에서는 FZG 실패단계(Fail Stage)를 사용한다. 기어 치면에 테스트를 위한 오일을 적용하고 부하를 가하는 스커핑 테스트(Scuffing Test)에서도 Mobil DTE 20 Ultra는 허용 기준인 10단계를 뛰어넘는 11단계를 만족하며 뛰어난 스커핑 마모 보호 성능을 나타냈다.

² ISO VG 32기준
[표 4] Mobil DTE 20 Ultra는 Vickers에서 산업 기준으로 허용하는 수치인 120mg의 1/5 수준에 불과한 마모량²을 나타냈다.
[표 4] Mobil DTE 20 Ultra는 Vickers에서 산업 기준으로 허용하는 수치인 120mg의 1/5 수준에 불과한 마모량²을 나타냈다.
Vickers V104C 베인 펌프를 사용하여 오일의 내마모 성능을 평가했다. 사진은 테스트 결과 마모가 발생한 베인 펌프.
Vickers V104C 베인 펌프를 사용하여 오일의 내마모 성능을 평가했다. 사진은 테스트 결과 마모가 발생한 베인 펌프.
내마모성 규격인 DIN 51354-2의 FZG 스커핑 테스트 베드
내마모성 규격인 DIN 51354-2의 FZG 스커핑 테스트 베드
스커핑 테스트 결과. 좌측은 DIN 51517-3 규격을 만족하지 않는 오일 사용으로 인해 통과하지 못한 경우 (fail). 과도한 스커핑은 기어 고장을 유발할 수도 있다.
스커핑 테스트 결과. 좌측은 DIN 51517-3 규격을 만족하지 않는 오일 사용으로 인해 통과하지 못한 경우 (fail). 과도한 스커핑은 기어 고장을 유발할 수도 있다.

소방법에서 요구하는 인화점 250℃ 이상의 유압작동유 – Mobil DTE HFP 46, 68
유압 작동유의 중요성을 인식하고 제대로된 유압 작동유를 사용하는 것은 좋은 시작점이 될 것이다. 여기서 유압 작동유를 사용할 때 반드시 고려해야 할 사항을 한 가지 더 짚고 넘어가야 한다. 바로 소방법이다. 우리나라 소방법에서 규정하고 있는 ‘위험물안전관리법 시행령’에 의거하여 윤활유에 해당되는 제4석유류 6,000L 이상을 보유한 기업은 해당 기관으로 부터 소방허가를 받아야 한다. 윤활유 탱크 단독으로 6,000L 이상이 있거나, 탱크전용실 일 경우 단독 탱크가 아니어도 설치된 탱크의 총용량을 기준으로 적용한다.

소방허가를 받기 위해서는 위험물 관리를 위한 방화벽을 설치하거나, 윤활유의 인화점이 250℃ 이상이면 인화성 액체로 포함되지 않으므로 통과된다. 대부분 시장에서 사용중인 유압 작동유는 인화점이 230℃ 내외 이므로 저 점도의 작동유가 이 규정을 충족하기는 어렵다. 설령 충족한다 하더라도 첨가제의 사용 제한으로 작동유의 성능이 매우 저하되는 경우가 발생할 수 있다. 첨가제들은 인화점이 대체로 낮기 때문이다.

모빌은 Mobil DTE HFP(High Flash Point) 46/68을 소방법 안정 규정의 요구사항에 맞춰 인화점이 250℃를 초과하도록 개발했다. ISO 11158 L-HM 규격을 만족하는 Mobil DTE HFP 시리즈는 고품질 윤활기유와 Non-Zinc 타입 내마모 첨가제 등의 진보된 첨가제 시스템을 기반으로 제조되어 뛰어난 산화 안정성에 의한 청정성을 유지해 주고 기포, 수분 등에 대한 안정적 특성과 탁월한 내마모 보호성능을 두루 갖춘 고 인화점 유압 작동유이다. Mobil DTE HFP 46의 인화점은 255℃, Mobil DTE HFP 68의 인화점은 256℃ 이다. Mobil DTE HFP 시리즈를 사용하면 좋은 적용 개소로는 6,000L 이상의 윤활유 탱크가 설치된 곳이나 다이캐스팅 장비를 사용하는 현장, 화재 위험성이 높은 유압 개소 또는 청정성을 필요로하는 현장 등이 있다.

ASTM D 92 표준에 의거한 인화점 테스트 모습. 테스트 샘플의 온도를 일정 속도 증가시킨 후, 불꽃을 스쳐지나가도록 한다. 샘플의 증기가 점화되는 가장 낮은 액체 온도가 인화점이다.
ASTM D 92 표준에 의거한 인화점 테스트 모습. 테스트 샘플의 온도를 일정 속도 증가시킨 후, 불꽃을 스쳐지나가도록 한다. 샘플의 증기가 점화되는 가장 낮은 액체 온도가 인화점이다.

도움주신 분

모빌코리아의 Field Engineer 서정택 이사. 서정택 이사는 모빌에서 선정하는 Million Dollar Savings Club의 멤버다. 엔지니어가 고객에게 좋은 제품을 제안하고 그로 인해 고객이 얼마나 많은 효익을 얻었는지를 평가(Proof of performance)하여 선정한다.
모빌코리아의 Field Engineer 서정택 이사. 서정택 이사는 모빌에서 선정하는 Million Dollar Savings Club의 멤버다. 엔지니어가 고객에게 좋은 제품을 제안하고 그로 인해 고객이 얼마나 많은 효익을 얻었는지를 평가(Proof of performance)하여 선정한다.

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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.