FFKM- und FKM-O-Ring-Lösungen für extreme Hitze in Gas- und Dampfturbinen

Die stetige Suche nach Effizienz in der modernen Stromerzeugung hat zur breiten Einführung von GuD-Anlagen (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken) mit Gasturbinen und fortschrittlichen Dampfturbinen der Hochleistungsklasse geführt. Diese Maschinen arbeiten mit beeindruckenden thermischen Wirkungsgraden, doch dies geht zu Lasten einer extrem harten Umgebung für Dichtungskomponenten. Die Temperaturen in den Schmieröl-Systemen von Gasturbinen erreichen aufgrund der Wärmeaufnahme vom Turbinengehäuse regelmäßig 150–180 °°C, während Dampfturbinen-Ventilspindeln und Stopfbuchsdichtsysteme heißen, überhitzten Dampf mit Temperaturen über 300 °°C ausgesetzt sein können. In diesen Bereichen versagen Standard-Elastomere rasch, was zu Ölaustritten, Dampfaustritten, Kontaminationen sowie zwangsweisen Anlagenstillständen mit erheblichen finanziellen Folgen führt.

Fluorkohlenstoff-Elastomere (FKM) sind die erste Verteidigungslinie für Hochtemperaturdichtungen in Turbinen. Ihre ausgezeichnete Kombination aus Hitzebeständigkeit (bis zu 230 °Die Kombination aus guter Temperaturbeständigkeit (bis ca. 200 °C intermittierend) und chemischer Beständigkeit gegenüber synthetischen, auf Ester basierenden Turbinenölen (z. B. ISO VG 32, 46) macht sie zur Standardwahl für die meisten statischen und dynamischen Dichtungen in Schmier- und Steuerölsystemen. Typische Anwendungen umfassen Wellendichtungen an Hilfspumpen, O-Ringe in Filtergehäusen und Ventilaktoren sowie Dichtungen an Sichtgläsern. Der Standard AS109 legt häufig gängige FKM-Compounds für Luftfahrt- und industrielle Turbinenanwendungen fest und gewährleistet so ein Mindestmaß an Leistungsfähigkeit. Für zusätzliche mechanische Festigkeit bei dynamischen Dichtungen, die diesen heißen Ölen ausgesetzt sind, wird gelegentlich gehydriertes Nitrilkautschuk (HNBR) als Alternative eingesetzt, der eine überlegene Abriebfestigkeit sowie eine gute Ölverträglichkeit bis zu etwa 150 °C bietet. °C.

Für extrem heiße Bereiche hingegen kommen ausschließlich Perfluoroelastomere (FFKM), wie z. B. Kalrez® oder Chemraz®, infrage. FFKM-Komponenten sind keine bloß verbesserten FKM-Werkstoffe; sie stellen vielmehr eine völlig andere Werkstoffklasse mit einer vollständig fluorierten Polymerstruktur dar. Dies verleiht ihnen zwei herausragende Eigenschaften:

1. Kontinuierliche Betriebstemperaturen über 300 °°C, wodurch sie in unmittelbarer Nähe von Dampfleitungen und heißen Gasströmen eingesetzt werden können.

2. Nahezu vollständige Beständigkeit gegenüber Chemikalien, einschließlich aggressiver Turbinenöle, Wärmeträgerflüssigkeiten und Prozessgase, die FKM im Laufe der Zeit abbauen würden.

Ihr Einsatz ist aufgrund der Kosten (oft das 50- bis 100-Fache von FKM) stark spezifisch. Wichtige Einsatzorte umfassen:

· Dampfturbinen-Hauptabsperreinrichtung und Regelventil-Stangendichtungen: Direkter Kontakt mit Hochdruck- und Hochtemperaturdampf. Ein Leck an dieser Stelle bedeutet einen direkten Verlust an Zykluswirkungsgrad und stellt eine Sicherheitsgefahr dar.

· Gas­turbinen-Brenngasventildichtungen: Kontakt mit heißem Brenngas sowie möglicher Kondensation aggressiver Verbindungen.

· Dichtungen an Mess- und Instrumentierungsleitungen, die heiße Turbinengehäuse durchdringen.

OEMs wie GE, Siemens und Mitsubishi Power geben für diese kritischen Stellen ausdrückliche Materialvorgaben an. Die Auswahllogik basiert auf einer Fehlermodus- und Wirkungsanalyse mit Kritikalitätsbewertung (FMECA). Ingenieure weisen jedem Dichtpunkt eine Risikoprioritätszahl (RPN) zu, die sich aus der Schwere des Ausfalls, der Wahrscheinlichkeit des Auftretens und der Erkennbarkeit ergibt. Für Punkte mit einer hohen RPN rechtfertigt die überlegene Leistung von FFKM dessen Kosten.

Dieses Prinzip wird weltweit angewandt. In Bahrain, wo CCGT-Kraftwerke in einer Wüstenumgebung mit hoher Umgebungstemperatur Grundlaststrom bereitstellen, ist die Kühlung weniger effektiv, was zu höheren Öl- und Oberflächentemperaturen führt. Die Spezifikation von FFKM für kritische Ventilspindeln stellt eine proaktive Investition in Zuverlässigkeit dar. Auf den Philippinen haben geothermische und kohlebefeuerte Kraftwerke mit älteren Dampfturbinen FFKM-Dichtungen erfolgreich nachgerüstet, um chronische Dampflecks zu stoppen, wodurch die Anlageneffizienz und die Sicherheit des Personals verbessert wurden. In den USA machen strenge Umweltvorschriften bezüglich flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) aus Leckagen (LDAR-Programme) die leckfreie Leistung von FFKM in Anwendungen mit ungewollten Emissionen wirtschaftlich attraktiv. Bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten müssen nicht nur die Kosten für die Dichtung selbst, sondern auch die vermiedenen Kosten durch Ausfallzeiten bei der Stromerzeugung, Reparaturarbeitskosten sowie Kosten für die Einhaltung von Umweltvorschriften berücksichtigt werden.