FFKM- en FKM-O-ringoplossingen voor extreme hitte in gas- en stoomturbines

De onvermoeide streving naar efficiëntie in moderne energieopwekking heeft geleid tot de wijdverspreide toepassing van gecombineerde-cyclus-gasturbines (CCGT) en geavanceerde stoomturbines. Deze machines functioneren met adembenemende thermische efficiëntie, maar dit gaat ten koste van het creëren van sommige van de meest belastende omgevingen voor afdichtingscomponenten. Temperaturen in de smeervloeistofsystemen van gasturbines kunnen regelmatig oplopen tot 150–180 °°C als gevolg van warmteoverdracht vanaf de turbinebehuizing, terwijl de klepstenen en de pakkingssystemen van stoomturbines blootstaan aan oververhitte stoom van meer dan 300 °C. In deze omgevingen vallen standaardelastomeren snel uit, wat leidt tot olielekkages, stoomlekkages, verontreiniging en gedwongen stilstanden met verbluffende financiële sancties.

Fluorkoolstof (FKM)-elastomeren zijn de eerste verdedigingslinie voor afdichting bij hoge temperaturen in turbines. Hun uitstekende balans van hittebestendigheid (tot 230 °C) °C-tussenpauzes) en chemische weerstand tegen synthetische esterhoudende turbineoliën (bijv. ISO VG 32, 46) maken hen de standaardkeuze voor de meeste statische en dynamische afdichtingen in smerings- en besturingsoliesystemen. Typische toepassingen omvatten asafdichtingen op hulpom pompen, O-ringen in filterhuizen en klepactuatoren, en pakkingen op kijkglazen. De AS109-norm specificeert vaak gangbare FKM-samenstellingen voor luchtvaart- en industriële turbine-toepassingen, waardoor een basisniveau van prestaties wordt gewaarborgd. Voor extra mechanische sterkte bij dynamische afdichtingen die aan deze hete oliën worden blootgesteld, wordt soms gehydrogeneerd nitrilrubber (HNBR) als alternatief gebruikt, wat uitstekende slijtvastheid en goede oliecompatibiliteit biedt tot ongeveer 150 °C. °C.

Voor extreme hittegebieden zijn echter uitsluitend perfluoroelastomeren (FFKM), zoals Kalrez® of Chemraz®, geschikt. FFKM-onderdelen zijn niet eenvoudig verbeterde FKM-materialen; ze vormen een geheel andere materiaalklasse met een volledig gefluoreerde polymeerstructuur. Dit verleent hen twee buitengewone eigenschappen:

1. Continu bedrijfstemperaturen boven de 300 °°C, waardoor ze direct in de nabijheid van stoomleidingen en hete gasstromen kunnen functioneren.

2. Bijna volledige weerstand tegen chemicaliën, inclusief agressieve turbineoliën, warmtedragerfluiden en procesgassen die FKM op termijn zouden aantasten.

Hun toepassing is zeer gericht vanwege de kosten (vaak 50 tot 100 keer hoger dan die van FKM). Belangrijke toepassingslocaties zijn:

· Stoomturbine hoofdafsluiter- en regelklep-asafdichtingen: Direct blootgesteld aan stoom onder hoge druk en hoge temperatuur. Een lek hier betekent een direct verlies aan cyclusrendement en een veiligheidsrisico.

· Gas-turbine brandstofgas-klepafdichtingen: Blootgesteld aan heet brandstofgas en mogelijke condensatie van agressieve verbindingen.

· Afdichtingen op meet- en instrumentatieleidingen die doordringen in hete turbinehuisvestingen.

OEM's zoals GE, Siemens en Mitsubishi Power verstrekken expliciete materiaalspecificaties voor deze kritieke locaties. De selectielogica wordt bepaald door een analyse van foutmodi, gevolgen en kritikaliteit (FMECA). Ingenieurs wijzen aan elk afdichtpunt een risicoprioriteitsnummer (RPN) toe op basis van de ernst van de fout, de kans op optreden en de detecteerbaarheid. Voor punten met een hoog RPN rechtvaardigt de superieure prestatie van FFKM de kosten.

Dit principe wordt wereldwijd toegepast. In Bahrein, waar CCGT-centrales basislastvermogen leveren in een woestijnomgeving met hoge omgevingstemperaturen, is koeling minder effectief, wat de olie- en oppervlaktetemperaturen verhoogt. Het specificeren van FFKM voor kritieke klepassen is een proactieve investering in betrouwbaarheid. Op de Filippijnen hebben geothermische en kolgevulde centrales met oudere stoomturbines FFKM-afdichtingen met succes geüpgraded om chronische stoomlekken te stoppen, waardoor de centrale-efficiëntie en de veiligheid van het personeel zijn verbeterd. In de Verenigde Staten maken strenge milieuvoorschriften met betrekking tot emissies van vluchtige organische stoffen (VOS) uit lekken (LDAR-programma’s) de lekvrije prestaties van FFKM in toepassingen voor diffuse emissies economisch aantrekkelijk. Bij de berekening van de totale eigendomskosten moeten niet alleen de kosten van de afdichting worden meegenomen, maar ook de voorkomen kosten van verloren gegane opwekking, herstelarbeid en naleving van milieuvoorschriften.