Rozwiązania uszczelek typu O-ring wykonanych z FFKM i FKM do warunków skrajnego nagrzewania w turbinach gazowych i parowych

Nieustająca dążność do zwiększenia wydajności w nowoczesnej generacji energii doprowadziła do powszechnego zastosowania turbin gazowych o cyklu połączonego (CCGT) oraz zaawansowanych turbin parowych. Maszyny te osiągają imponujące sprawności cieplne, ale wiąże się to z tworzeniem jednych z najbardziej ekstremalnych środowisk dla elementów uszczelniających. Temperatury w układach smarowania turbin gazowych mogą regularnie osiągać zakres 150–180 °C ze względu na nagrzewanie się przez obudowę turbiny, °°C z powodu nagrzewania się przez obudowę turbiny, podczas gdy wały zaworów i układy uszczelniania kielichów turbin parowych mogą być narażone na działanie przegrzanej pary o temperaturze przekraczającej 300 °C °C. W tych obszarach standardowe elastomery szybko ulegają uszkodzeniu, co prowadzi do wycieków oleju, wycieków pary, zanieczyszczeń oraz wymuszonych przestojów wiążących się z ogromnymi stratami finansowymi.

Elastomery fluorowęglowe (FKM) stanowią pierwszą linię obrony w zastosowaniach uszczelniania przy wysokich temperaturach w turbinach. Ich doskonała równowaga odporności na ciepło (do 230 °C) °C okresowe) oraz odporność chemiczna na syntetyczne oleje turbinowe oparte na estrach (np. ISO VG 32, 46) czynią je standardowym wyborem dla większości uszczelek statycznych i dynamicznych w układach smarowania i sterowania olejem. Typowymi zastosowaniami są uszczelki wałowe pomp pomocniczych, pierścienie O-ring w obudowach filtrów i siłownikach zaworów oraz uszczelki szyb oglądowych. Norma AS109 często określa typowe mieszanki FKM do zastosowań lotniczych i przemysłowych w turbinach, zapewniając podstawowy poziom wydajności. W celu uzyskania dodatkowej wytrzymałości mechanicznej w uszczelkach dynamicznych narażonych na działanie tych gorących olejów czasem stosuje się alternatywnie wodorowane akrylonitrylo-butadienowe kauczuki (HNBR), które charakteryzują się lepszą odpornością na zużycie oraz dobrą zgodnością z olejami w temperaturze do ok. 150 °C °C.

Jednak w strefach skrajnie wysokich temperatur jedynie perfluoroelastomery (FFKM), takie jak Kalrez® lub Chemraz®, spełniają wymagane kryteria. Części wykonane z FFKM nie są jedynie ulepszoną wersją FKM – stanowią one zupełnie inną klasę materiałów o całkowicie fluorowanej strukturze polimerowej. Daje to im dwie wyjątkowe właściwości:

1. Ciągłe temperatury robocze powyżej 300 °°C, umożliwiające ich funkcjonowanie w bezpośredniej bliskości przewodów pary i gorących ścieżek przepływu gazów.

2. Prawie pełna odporność chemiczna, w tym na agresywne oleje turbinowe, płyny do transferu ciepła oraz gazy procesowe, które z czasem powodują degradację materiału FKM.

Zastosowanie tych uszczelek jest bardzo specyficzne ze względu na wysoki koszt (często 50–100 razy wyższy niż koszt uszczelek z FKM). Kluczowe miejsca zastosowania obejmują:

· Uszczelki wałków głównych zaworów zatrzymujących i regulacyjnych turbin parowych: bezpośrednio narażone na parę o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze. Ucieczka pary w tym miejscu oznacza bezpośredni ubytek sprawności cyklu oraz zagrożenie bezpieczeństwa.

· Uszczelki zaworów paliwa gazowego turbin gazowych: narażone na gorący gaz paliwowy oraz możliwe skraplanie agresywnych związków.

· Uszczelki na liniach pomiarowych i kontrolno-pomiarowych przechodzących przez gorące obudowy turbin.

Producentów oryginalnych (OEM) takich jak GE, Siemens i Mitsubishi Power określają wyraźne specyfikacje materiałowe dla tych kluczowych miejsc. Logika doboru opiera się na analizie trybów awarii, skutków i krytyczności (FMECA). Inżynierowie przypisują każdemu punktowi uszczelnienia liczbę priorytetu ryzyka (RPN) na podstawie powagi awarii, prawdopodobieństwa jej wystąpienia oraz łatwości wykrycia. Dla punktów o wysokiej wartości RPN lepsza wydajność materiału FFKM uzasadnia jego wyższą cenę.

Zasada ta jest stosowana na całym świecie. W Bahrajnie, gdzie elektrownie CCGT zapewniają moc bazową w warunkach pustyni o wysokiej temperaturze otoczenia, chłodzenie jest mniej skuteczne, co powoduje wzrost temperatury oleju i powierzchni. Określenie zastosowania uszczelek z FFKM dla kluczowych wałów zaworów stanowi proaktywną inwestycję w niezawodność. Na Filipinach elektrownie geotermalne i węglowe wyposażone w starsze turbiny parowe pomyślnie przeprowadziły modernizację uszczelek poprzez zastosowanie materiału FFKM, aby wyeliminować przewlekłe przecieki pary, co poprawiło sprawność elektrowni oraz bezpieczeństwo personelu. W Stanach Zjednoczonych surowe przepisy środowiskowe dotyczące emisji lotnych związków organicznych (VOC) z przecieków (programy LDAR) czynią bezprzeciekową pracę uszczelek z FFKM w zastosowaniach związanych z emisją uciekającą atrakcyjną ekonomicznie. W obliczeniach całkowitych kosztów posiadania należy uwzględnić nie tylko cenę uszczelki, ale także koszty uniknięte związane z utratą wytworzonej energii, pracami naprawczymi oraz zgodnością z wymogami środowiskowymi.