Решения на основе O-образных колец из FFKM и FKM для экстремальных температур в газовых и паровых турбинах

Неумолимое стремление к повышению эффективности в современных системах генерации электроэнергии привело к широкому применению газотурбинных установок с комбинированным циклом (CCGT) и паровых турбин передового класса. Эти агрегаты работают с поразительным термическим КПД, однако это достигается ценой создания одних из самых экстремальных условий эксплуатации для уплотнительных компонентов. Температуры в системах смазочного масла газовых турбин регулярно достигают 150–180 °°C вследствие теплопередачи от корпуса турбины, тогда как штоки клапанов паровых турбин и системы уплотнения сальников могут подвергаться воздействию перегретого пара при температуре свыше 300 °°C. В таких условиях стандартные эластомеры быстро выходят из строя, что приводит к утечкам масла и пара, загрязнению оборудования и вынужденным остановкам с колоссальными финансовыми потерями.

Фторуглеродные (FKM) эластомеры являются первым рубежом защиты при высокотемпературном уплотнении в турбинах. Их превосходный баланс термостойкости (до 230 °C прерывистым режимом) и химическая стойкость к синтетическим турбинным маслам на основе эфиров (например, ISO VG 32, 46) делают их стандартным выбором для большинства статических и динамических уплотнений в системах смазочного и управляющего масла. Типичные области применения включают уплотнения валов вспомогательных насосов, уплотнительные кольца (O-образные кольца) в корпусах фильтров и исполнительных механизмах клапанов, а также прокладки на смотровых стёклах. Стандарт AS109 часто предписывает применение распространённых компаундов FKM в авиационных и промышленных турбинных установках, обеспечивая базовый уровень эксплуатационных характеристик. Для повышения механической прочности динамических уплотнений, подвергающихся воздействию этих горячих масел, в качестве альтернативы иногда используется гидрированный нитрилкаучук (HNBR), обладающий повышенной стойкостью к истиранию и хорошей совместимостью с маслами при температурах до примерно 150 °C °С.

Однако в зонах экстремальных температур применимы исключительно перфторэластомеры (FFKM), такие как Kalrez® или Chemraz®. Изделия из FFKM — это не просто усовершенствованные аналоги FKM; они представляют собой принципиально иной класс материалов с полностью фторированной полимерной структурой. Это обеспечивает им два выдающихся свойства:

1. Непрерывная рабочая температура выше 300 °°C, что позволяет им функционировать непосредственно вблизи паропроводов и горячих газовых трактов.

2. Практически полная химическая стойкость, включая агрессивные турбинные масла, теплоносители и технологические газы, которые со временем вызывают деградацию фторкаучука (FKM).

Их применение является highly targeted (очень узконаправленным) из-за высокой стоимости (часто в 50–100 раз превышающей стоимость FKM). Ключевые области применения включают:

· Уплотнения штоков главного запорного и регулирующего клапанов паровой турбины: непосредственно подвергаются воздействию пара высокого давления и высокой температуры. Утечка в этом месте приводит к прямой потере эффективности цикла и представляет угрозу безопасности.

· Уплотнения клапанов подачи топливного газа газовой турбины: подвергаются воздействию горячего топливного газа и возможной конденсации агрессивных соединений.

· Уплотнения на линиях датчиков и измерительных приборов, проходящих через раскалённые корпуса турбин.

Такие производители оригинального оборудования (OEM), как GE, Siemens и Mitsubishi Power, предоставляют четкие технические требования к материалам для этих критически важных участков. Логика выбора определяется анализом видов отказов, их последствий и критичности (FMECA). Инженеры присваивают каждому уплотнительному узлу число приоритета риска (RPN) на основе степени тяжести отказа, вероятности его возникновения и возможности обнаружения. Для узлов с высоким значением RPN превосходные эксплуатационные характеристики эластомера FFKM оправдывают его повышенную стоимость.

Этот принцип применяется по всему миру. В Бахрейне, где электростанции с комбинированным циклом газовых турбин (CCGT) обеспечивают базовую нагрузку в условиях пустыни с высокой температурой окружающей среды, эффективность охлаждения снижается, что приводит к повышению температуры масла и поверхностей. Указание использования эластомера FFKM для критически важных штоков клапанов является проактивной инвестицией в надёжность. На Филиппинах геотермальные и угольные электростанции со старыми паровыми турбинами успешно модернизировали уплотнения, заменив их на уплотнения из FFKM, чтобы устранить хронические утечки пара, повысив тем самым эффективность станций и безопасность персонала. В США строгие экологические нормы, регулирующие выбросы летучих органических соединений (ЛОС) вследствие утечек (программы LDAR), делают безупречную герметичность материалов FFKM в приложениях, связанных с непреднамеренными выбросами, экономически выгодной. При расчёте совокупной стоимости владения необходимо учитывать не только цену уплотнений, но и расходы, которые удаётся избежать благодаря предотвращению потерь выработки электроэнергии, затрат на ремонтные работы и соблюдение экологических требований.