Solutions de joints toriques en FFKM et FKM pour des températures extrêmes dans les turbines à gaz et à vapeur

La recherche incessante de l'efficacité dans la production d'énergie moderne a conduit à l'adoption généralisée des turbines à gaz à cycle combiné (CCGT) et des turbines à vapeur de classe avancée. Ces machines fonctionnent avec des rendements thermiques impressionnants, mais cela se fait au prix de la création des environnements les plus sévères pour les composants d'étanchéité. Les températures dans les systèmes d'huile lubrifiante des turbines à gaz peuvent couramment atteindre 150–180 °°C en raison de la transmission de chaleur depuis le carter de la turbine, tandis que les tiges de vanne des turbines à vapeur et les systèmes d'étanchéité des garnitures peuvent être exposés à de la vapeur surchauffée à plus de 300 °°C. Dans ces domaines, les élastomères standards se dégradent rapidement, entraînant des fuites d'huile, des fuites de vapeur, une contamination et des arrêts forcés accompagnés de pénalités financières considérables.

Les élastomères fluorocarbures (FKM) constituent la première ligne de défense pour l'étanchéité à haute température dans les turbines. Leur excellente combinaison de résistance à la chaleur (jusqu'à 230 °La résistance à la température (classe C intermittente) et à la corrosion chimique des huiles pour turbines à base d’esters synthétiques (p. ex., ISO VG 32, 46) en fait le choix standard pour la plupart des joints statiques et dynamiques des systèmes d’huile de lubrification et de commande. Les applications courantes comprennent les joints d’arbre sur les pompes auxiliaires, les joints toriques dans les boîtiers de filtres et les actionneurs de vannes, ainsi que les joints d’étanchéité sur les hublots de contrôle. La norme AS109 spécifie fréquemment des compositions courantes de FKM pour les applications aéronautiques et industrielles liées aux turbines, garantissant ainsi un niveau minimal de performance. Pour une résistance mécanique accrue des joints dynamiques exposés à ces huiles chaudes, le nitrile hydrogéné (HNBR) est parfois utilisé comme alternative, offrant une résistance supérieure à l’abrasion et une bonne compatibilité avec les huiles jusqu’à environ 150 °C. °C. Je suis désolé.

Toutefois, dans les zones soumises à des températures extrêmes, seuls les perfluoroélastomères (FFKM), tels que Kalrez® ou Chemraz®, conviennent. Les pièces en FFKM ne sont pas simplement des versions améliorées de FKM : il s’agit d’une catégorie de matériaux différente, dotée d’une structure polymère entièrement fluorée. Cela leur confère deux propriétés exceptionnelles :

1. Températures de fonctionnement continues supérieures à 300 °°C, ce qui leur permet de fonctionner à proximité directe des conduites de vapeur et des trajets de gaz chauds.

2. Résistance virtuelle aux produits chimiques, y compris les huiles pour turbines agressives, les fluides caloporteurs et les gaz de procédé susceptibles de dégrader le FKM au fil du temps.

Leur application est très ciblée en raison de leur coût (souvent 50 à 100 fois supérieur à celui du FKM). Les emplacements clés comprennent :

· Joints d’étanchéité des tiges des vannes principales d’arrêt et de régulation des turbines à vapeur : exposés directement à la vapeur à haute pression et à haute température. Une fuite à cet endroit entraîne une perte directe d’efficacité du cycle et constitue un risque pour la sécurité.

· Joints d’étanchéité des vannes de gaz combustible des turbines à gaz : exposés au gaz combustible chaud et éventuellement à la condensation de composés agressifs.

· Joints d’étanchéité des lignes de capteurs et d’instrumentation traversant les carter chauds des turbines.

Les équipementiers d'origine (OEM) tels que GE, Siemens et Mitsubishi Power fournissent des spécifications explicites en matière de matériaux pour ces emplacements critiques. La logique de sélection repose sur une analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (FMECA). Les ingénieurs attribuent à chaque point d'étanchéité un nombre de priorité du risque (RPN), fondé sur la gravité de la défaillance, la probabilité d'occurrence et la détectabilité. Pour les points présentant un RPN élevé, les performances supérieures du FFKM justifient son coût.

Ce principe est appliqué à l’échelle mondiale. À Bahreïn, où des centrales à cycle combiné gaz-turbine (CCGT) fournissent une puissance de base dans un environnement désertique caractérisé par des températures ambiantes élevées, le refroidissement est moins efficace, ce qui entraîne une augmentation des températures de l’huile et des surfaces. La spécification de joints en FFKM pour les tiges de vannes critiques constitue un investissement proactif en fiabilité. Aux Philippines, des centrales géothermiques et à charbon équipées de turbines à vapeur anciennes ont réussi à rétrograder des joints en FFKM afin d’éradiquer des fuites de vapeur chroniques, améliorant ainsi l’efficacité des centrales et la sécurité du personnel. Aux États-Unis, la réglementation environnementale stricte relative aux émissions de composés organiques volatils (COV) provenant des fuites (programmes LDAR) rend la performance étanche des joints en FFKM dans les applications de fuites fugitives économiquement avantageuse. Le calcul du coût total de possession doit prendre en compte non seulement le prix du joint, mais aussi les coûts évités liés à la perte de production, aux interventions de réparation et au respect de la réglementation environnementale.