حلول الحلقات التوصيلية (O-Rings) المصنوعة من المطاط الفلوروإلكتروني عالي الأداء (FFKM) والمطاط الفلوروإلكتروني (FKM) لتحمل درجات الحرارة القصوى في التوربينات الغازية وبخارية

أدى السعي الدؤوب لتحقيق الكفاءة في توليد الطاقة الحديثة إلى اعتماد واسع النطاق لتوربينات الغاز ذات الدورة المركبة (CCGT) وتوربينات البخار من الفئة المتقدمة. تعمل هذه الآلات بكفاءة حرارية مذهلة، لكن ذلك يتم على حساب خلق بعضٍ من أشد الظروف قسوةً على مكونات الإغلاق. وقد تصل درجات الحرارة في أنظمة زيت التزييت لتوربينات الغاز عادةً إلى ١٥٠–١٨٠ °°م نتيجة انتقال الحرارة من غلاف التوربين، بينما قد تتعرض قضبان صمامات توربينات البخار وأنظمة إغلاق الغدد للبخار المُسخَّن عالي الضغط عند درجات حرارة تفوق ٣٠٠ °ج. وفي هذه البيئات، تفشل المطاطيات القياسية بسرعة، مما يؤدي إلى تسرب الزيت وتسرب البخار والتلوث والانقطاعات الإجبارية التي تترتب عليها غرامات مالية باهظة.

تُعد مطاطيات الفلوروكربون (FKM) الخط الأول للدفاع في مجال إحكام الغلق عند درجات الحرارة العالية في التوربينات. وتتميَّز هذه المطاطيات بتوازنٍ ممتاز بين مقاومتها للحرارة (حتى ٢٣٠ °الاستمرارية في مقاومة التآكل الكيميائي للزيوت التوربينية القائمة على الإستر الاصطناعي (مثل: ISO VG 32، 46) تجعلها الخيار القياسي لمعظم الأختام الثابتة والديناميكية في أنظمة التشحيم وزيوت التحكم. وتشمل التطبيقات الشائعة أختام المحاور في المضخات المساعدة، وأطواق O- الشكل في غلاف الفلاتر ومشغِّلات الصمامات، والأساور الإحكامية على الزجاج العيني. وغالبًا ما يُحدد معيار AS109 مركبات FKM الشائعة لتطبيقات التوربينات الجوية والصناعية، مما يضمن مستوىً أساسيًّا من الأداء. أما لتعزيز المتانة الميكانيكية في الأختام الديناميكية المعرَّضة لهذه الزيوت الساخنة، فيُستخدم أحيانًا نتريل مُهدرج (HNBR) بديلًا عنها، وهو يوفِّر مقاومةً فائقةً للتآكل وتوافقًا جيدًا مع الزيوت حتى درجة حرارة تبلغ نحو ١٥٠°م. °ج.

ومع ذلك، فإن مناطق الحرارة القصوى لا تصلح لها سوى المطاطيات الفلورية الكاملة (FFKM)، مثل Kalrez® أو Chemraz®. فالأجزاء المصنوعة من FFKM ليست مجرد تحسينٍ على مركبات FKM، بل هي فئة مختلفة تمامًا من المواد ذات البنية البوليمرية المشبَّعة بالفلور بالكامل. وهذه البنية تمنحها خاصيتين استثنائيتين:

١. درجات حرارة التشغيل المستمر فوق ٣٠٠ °مئوية، مما يسمح لها بالعمل في الجوار المباشر لخطوط البخار ومسارات الغاز الساخن.

٢. مقاومة كيميائية شبه كاملة تشمل زيوت التوربينات العدوانية وسوائل نقل الحرارة والغازات الصناعية التي قد تُسبب تدهور المطاط الفلوروكربوني (FKM) مع مرور الوقت.

وتتمّ استخداماتها بشكلٍ دقيق جدًّا نظرًا لتكلفتها المرتفعة (والتي تصل غالبًا إلى ٥٠–١٠٠ ضعف تكلفة المطاط الفلوروكربوني FKM). ومن أبرز مواقع الاستخدام ما يلي:

· أختام عمود صمام الإيقاف الرئيسي وصمام التحكم في توربينات البخار: وهي معرّضة مباشرةً للبخار عالي الضغط وعالي الحرارة؛ حيث يُمثل أي تسريب هنا خسارةً مباشرةً لكفاءة الدورة thermodynamic cycle ويشكّل خطرًا على السلامة.

· أختام صمام غاز الوقود في توربينات الغاز: وهي معرّضة لغاز الوقود الساخن، وقد تتعرّض أيضًا لتَكاثف مركّبات عدوانية.

· الأختام الواقعة على خطوط الاستشعار والأجهزة القياسية التي تخترق غلاف التوربينات الساخنة.

توفر شركات التصنيع الأصلية (OEMs) مثل جنرال إلكتريك (GE) وزيمنز (Siemens) وميتسوبيشي باور (Mitsubishi Power) مواصفات مواد صريحة لهذه المواقع الحرجة. ويُستند منطق الاختيار إلى تحليل طرق الفشل والآثار والخطورة (FMECA). ويُعيّن المهندسون رقم أولوية المخاطر (RPN) لكل نقطة إغلاق بناءً على حِدَّة الفشل، واحتمال حدوثه، وسهولة اكتشافه. وللنقاط التي يرتفع فيها رقم أولوية المخاطر (RPN)، فإن الأداء المتفوق لمادة الـFFKM يبرر تكلفتها.

يطبَّق هذا المبدأ على المستوى العالمي. ففي البحرين، حيث توفر محطات التوليد بالغاز والبخار (CCGT) الطاقة الأساسية في بيئة صحراوية ذات درجات حرارة محيطة مرتفعة، تكون كفاءة التبريد أقل، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة الزيت ودرجات حرارة السطح. ولذلك، فإن تحديد استخدام مادة الفلوروالكاستومر (FFKM) في أعمدة الصمامات الحرجة يُعَد استثمارًا استباقيًّا في الموثوقية. أما في الفلبين، فقد نجحت المحطات الجيولوجية الحرارية والمحطات التي تعمل بالفحم والتي تستخدم توربينات بخارية قديمة في تركيب ختم من مادة الفلوروالكاستومر (FFKM) بشكل لاحق لإيقاف التسريبات المستمرة للبخار، ما أدى إلى تحسين كفاءة المحطة وسلامة العاملين. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، تجعل اللوائح البيئية الصارمة المتعلقة بانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة (VOC) الناتجة عن التسريبات (التي تُطبَّق ضمن برامج الكشف عن التسريبات وإصلاحها LDAR) الأداء الخالي من التسريبات الذي تحققه مادة الفلوروالكاستومر (FFKM) في تطبيقات الانبعاثات المتسربة جذّابًا اقتصاديًّا. ويجب أن تشمل حسابات التكلفة الإجمالية لملكية المعدات ليس فقط سعر الختم، بل أيضًا التكاليف التي يتم تفاديها نتيجة فقدان إنتاج الطاقة، وأجور الإصلاح، والامتثال للمتطلبات البيئية.