Soluzioni con O-ring in FFKM e FKM per temperature estreme nelle turbine a gas e a vapore

La ricerca incessante dell'efficienza nella generazione moderna di energia ha portato all'adozione diffusa di turbine a gas a ciclo combinato (CCGT) e di turbine a vapore di classe avanzata. Queste macchine operano con efficienze termiche straordinarie, ma ciò comporta la creazione di alcuni degli ambienti più gravosi per i componenti di tenuta. Le temperature nei sistemi di lubrificazione delle turbine a gas possono raggiungere regolarmente i 150–180 °°C a causa del trasferimento di calore dal corpo della turbina, mentre gli steli delle valvole e i sistemi di tenuta delle flange delle turbine a vapore possono essere esposti a vapore surriscaldato a oltre 300 °C. In questi ambienti, gli elastomeri standard si deteriorano rapidamente, causando perdite di olio, perdite di vapore, contaminazione e fermi forzati con penali finanziarie considerevoli.

Gli elastomeri fluorocarbonici (FKM) rappresentano la prima linea di difesa per le tenute ad alte temperature nelle turbine. Il loro eccellente equilibrio tra resistenza al calore (fino a 230 °La resistenza chimica agli oli per turbine a base di esteri sintetici (ad es. ISO VG 32, 46) e la resistenza intermittente al calore di classe C ne fanno la scelta standard per la maggior parte delle guarnizioni statiche e dinamiche nei sistemi di lubrificazione e di olio di comando. Le applicazioni più comuni includono le guarnizioni d’albero sulle pompe ausiliarie, le guarnizioni toroidali (O-ring) nei contenitori dei filtri e negli attuatori delle valvole, nonché le guarnizioni in vetro di ispezione (sight glasses). Lo standard AS109 specifica spesso composti FKM comuni per applicazioni aerospaziali e industriali su turbine, garantendo un livello minimo di prestazioni. Per un’ulteriore resistenza meccanica nelle guarnizioni dinamiche esposte a questi oli ad alta temperatura, talvolta si utilizza come alternativa il nitrile idrogenato (HNBR), che offre una superiore resistenza all’abrasione e una buona compatibilità con gli oli fino a circa 150 °C. °C. - Sì.

Tuttavia, nelle zone di calore estremo, sono sufficienti esclusivamente gli elastomeri perfluorati (FFKM), quali Kalrez® o Chemraz®. I componenti in FFKM non sono semplicemente versioni migliorate di quelli in FKM: appartengono a una categoria completamente diversa di materiali, caratterizzata da una struttura polimerica totalmente fluorurata. Ciò conferisce loro due proprietà eccezionali:

1. Temperature operative continue superiori a 300 °°C, che consentono loro di funzionare in prossimità diretta di tubazioni del vapore e di percorsi di gas caldi.

2. Resistenza virtuale ai prodotti chimici, inclusi oli per turbine aggressivi, fluidi termoconduttori e gas di processo che nel tempo degraderebbero il FKM.

La loro applicazione è altamente mirata a causa del costo (spesso 50-100 volte superiore a quello del FKM). Le principali posizioni di impiego includono:

· Guarnizioni dello stelo delle valvole principali di arresto e di regolazione delle turbine a vapore: esposte direttamente a vapore ad alta pressione e ad alta temperatura. Una perdita in questo punto comporta una perdita diretta di efficienza del ciclo e un rischio per la sicurezza.

· Guarnizioni delle valvole del gas combustibile per turbine a gas: esposte a gas combustibile caldo e possibili condensazioni di composti aggressivi.

· Guarnizioni sulle linee di rilevamento e strumentazione che attraversano le carcasse calde delle turbine.

Costruttori originali (OEM) come GE, Siemens e Mitsubishi Power forniscono specifiche esplicite sui materiali per queste posizioni critiche. La logica di selezione è basata su un'analisi dei modi di guasto, degli effetti e della criticità (FMECA). Gli ingegneri assegnano a ciascun punto di tenuta un numero di priorità del rischio (RPN), in base alla gravità del guasto, alla probabilità di occorrenza e alla rilevabilità. Per i punti con un RPN elevato, le prestazioni superiori del materiale FFKM giustificano il suo costo.

Questo principio è applicato a livello globale. Nel Bahrain, dove gli impianti a ciclo combinato a gas (CCGT) forniscono energia di base in un ambiente desertico con temperature ambientali elevate, il raffreddamento risulta meno efficace, determinando un aumento delle temperature dell'olio e delle superfici. La specifica di guarnizioni in FFKM per gli alberi delle valvole critiche rappresenta un investimento proattivo in termini di affidabilità. Nelle Filippine, impianti geotermici e a carbone dotati di turbine a vapore più datate hanno effettuato con successo retrofit di guarnizioni in FFKM per eliminare perdite croniche di vapore, migliorando così l’efficienza dell’impianto e la sicurezza del personale. Negli Stati Uniti, le rigorose normative ambientali relative alle emissioni di composti organici volatili (VOC) derivanti da perdite (programmi LDAR) rendono economicamente vantaggioso il rendimento privo di perdite offerto dall’FFKM nelle applicazioni relative alle emissioni fuggitive. Nel calcolo del costo totale di proprietà (TCO) devono essere considerati non solo il prezzo della guarnizione, ma anche i costi evitati legati alla perdita di produzione, alla manodopera necessaria per le riparazioni e alla conformità alle normative ambientali.