راه‌حل‌های واشرهای O-Ring از جنس FFKM و FKM برای مقاومت در برابر گرمای شدید در توربین‌های گازی و بخار

دنبال‌کردن پیگیرانهٔ کارایی در تولید انرژی مدرن، منجر به پذیرش گستردهٔ توربین‌های گازی چرخه ترکیبی (CCGT) و توربین‌های بخاری پیشرفته شده است. این ماشین‌ها با بازده حرارتی قابل توجهی کار می‌کنند، اما این امر هزینه‌ای دارد: ایجاد سخت‌ترین محیط‌های ممکن برای اجزای آب‌بندی. دمای سیستم روغن روان‌کاری توربین‌های گازی به‌طور معمول به دلیل جذب حرارت از پوستهٔ توربین به ۱۵۰ تا ۱۸۰ °°C می‌رسد، در حالی که ساقه‌های شیرهای توربین بخاری و سیستم‌های آب‌بندی غده‌ای ممکن است در معرض بخار ابرگرمی با دمای بالای ۳۰۰ °C قرار گیرند °ج. در این محیط‌ها، الاستومرهاي استاندارد به سرعت از کار می‌افتند و منجر به نشت روغن، نشت بخار، آلودگی و توقف‌های اجباری با جریمه‌های مالی سنگین می‌شوند.

الاستومرهاي فلوروکربن (FKM) اولین خط دفاع در برابر آب‌بندی در دماي بالا در توربين‌ها هستند. این مواد تعادل عالی‌ای از مقاومت در برابر حرارت (تا ۲۳۰ درجه سانتی‌گراد) °مقاومت متناوب در برابر حرارت (C) و مقاومت شیمیایی در برابر روغن‌های توربینی مبتنی بر استر سنتتیک (مانند ISO VG 32، 46) این مواد را به انتخاب استاندارد برای اکثر آب‌بندی‌های ایستا و پویا در سیستم‌های روغن روان‌کاری و کنترل تبدیل می‌کند. کاربردهای رایج شامل آب‌بندی‌های محوری در پمپ‌های کمکی، حلقه‌های O شکل در پوشش فیلترها و عملگرهای شیرها، و واشرها روی شیشه‌های مشاهده است. استاندارد AS109 اغلب ترکیبات رایج FKM را برای کاربردهای توربینی هوافضا و صنعتی مشخص می‌کند و حداقل سطحی از عملکرد را تضمین می‌نماید. برای افزایش مقاومت مکانیکی در آب‌بندی‌های پویا که در معرض این روغن‌های داغ قرار دارند، گاهی از نیتریل هیدروژنه‌شده (HNBR) به‌عنوان جایگزینی استفاده می‌شود که مقاومت سایشی عالی‌تری داشته و سازگاری خوبی با روغن‌ها تا دمای حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد ارائه می‌دهد. °ج.

با این حال، برای مناطق با حرارت بسیار بالا، تنها پلیمرهای الاستومری پرفلورو (FFKM) مانند Kalrez® یا Chemraz® کافی هستند. قطعات FFKM صرفاً نسخه‌های بهبودیافته FKM نیستند؛ بلکه نوعی متفاوت از ماده با ساختار پلیمری کاملاً فلوئوردار هستند. این ویژگی به آنها دو خاصیت برجسته می‌بخشد:

۱. دمای عملیاتی پیوسته بالای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، که امکان کارکرد آن‌ها را در مجاورت مستقیم خطوط بخار و مسیرهای گاز داغ فراهم می‌کند. °C، امکان کارکرد آن‌ها را در مجاورت مستقیم خطوط بخار و مسیرهای گاز داغ فراهم می‌کند.

۲. مقاومت تقریبی در برابر مواد شیمیایی، از جمله روغن‌های توربینی خشن، سیالات انتقال حرارت و گازهای فرآیندی که با گذشت زمان باعث تخریب FKM می‌شوند.

کاربرد این محصولات به‌دلیل هزینه‌اش (که اغلب ۵۰ تا ۱۰۰ برابر FKM است) بسیار هدفمند است. مکان‌های کلیدی عبارتند از:

· درزبندی‌های میله‌ی شیر اصلی و شیر کنترل توربین بخار: مستقیماً در معرض بخار با فشار و دمای بالا قرار دارند. نشت در این نقطه منجر به کاهش مستقیم بازده چرخه و ایجاد خطر ایمنی می‌شود.

· درزبندی‌های شیر گاز سوخت توربین گازی: در معرض گاز سوخت داغ و احتمال تقطیر ترکیبات خشن.

· درزبندی‌های خطوط حسگر و ابزار دقیق که از پوسته‌های داغ توربین عبور می‌کنند.

سازندگان تجهیزات اصلی (OEM) مانند جنرال الکتریک (GE)، زیمنس (Siemens) و میتسوبیشی پاور (Mitsubishi Power) مشخصات مواد را به‌صورت صریح برای این مکان‌های حیاتی ارائه می‌دهند. منطق انتخاب بر اساس تحلیل حالت‌های شکست، اثرات و بحرانی‌بودن (FMECA) تعیین می‌شود. مهندسان برای هر نقطه آب‌بندی عددی را به نام «عدد اولویت خطر» (RPN) تخصیص می‌دهند که بر اساس شدت شکست، احتمال وقوع و قابلیت تشخیص آن محاسبه می‌شود. برای نقاطی که RPN بالایی دارند، عملکرد برتر FFKM توجیه‌کننده هزینه آن است.

این اصل به‌صورت جهانی اعمال می‌شود. در بحرین، که نیروگاه‌های CCGT در محیطی بیابانی با دمای محیط بالا بار پایه را تأمین می‌کنند، عملکرد سیستم‌های خنک‌کننده کاهش یافته و دمای روغن و سطح قطعات را افزایش می‌دهد. مشخص‌سازی واشرهای FFKM برای شافت‌های شیرهای حیاتی، سرمایه‌گذاری پیشگیرانه‌ای برای افزایش قابلیت اطمینان است. در فیلیپین، نیروگاه‌های زمین‌گرمایی و زغال‌سنگی با توربین‌های قدیمی‌تر بخار، با موفقیت واشرهای FFKM را برای رفع نشت‌های مزمن بخار نصب کرده‌اند که منجر به بهبود بازده نیروگاه و افزایش ایمنی پرسنل شده است. در ایالات متحده آمریکا، مقررات سخت‌گیرانه زیست‌محیطی مربوط به انتشار ترکیبات آلی فرار (VOC) از نشت‌ها (برنامه‌های LDAR) عملکرد بدون نشت FFKM در کاربردهای نشت غیرارادی را از نظر اقتصادی جذاب می‌سازد. در محاسبه هزینه کل مالکیت باید نه‌تنها قیمت واشر، بلکه هزینه‌های جلوگیری‌شده از افت تولید انرژی، نیروی کار مورد نیاز برای تعمیر و رعایت مقررات زیست‌محیطی نیز لحاظ شوند.