火力発電所のFGDスラリーポンプ用カーボングラファイトシール：フッ素含有石灰石-石膏スラリーによる60℃耐摩耗サービス

火力発電所の湿式排煙脱硫（FGD）システムの石灰石-石膏スラリー循環ポンプは脱硫システムの中核設備の一つであり、そのシールの信頼性はユニットの稼働率に直接影響します。FGDスラリーにはCaSO₄·2H₂O（石膏二水和物、硬度3モース）、未反応CaCO₃（硬度3モース）、SiO₂粉塵（硬度7モース）、および石炭中のCaF₂がH₂SO₄と反応して発生する微量のHF（フッ化水素酸）が含まれ、強い摩耗とフッ化物特有の腐食が複合的に作用し、従来のシリコンカーバイドシールは極めて短期間で破損します。Huahao Sealingが300 MW、600 MW、1000 MW級の複数の火力発電ユニットでの適用経験に基づき、本稿ではFGD用途向けカーボングラファイトシールの選定について紹介します。

1. サービス特性

1.1 典型的なスラリーのパラメータ

• 固形分：5～15％（石膏結晶＋石灰石粒子、粒径10～200 μm）
• フッ化物イオン（F⁻）：50～200 mg/L、pH4.5～6.0（弱酸性、HFはHF、F⁻、(HF)₂⁻の重合形態で共存）
• 塩化物イオン（Cl⁻）：10000～50000 mg/L（スラリー循環による濃縮）
• 作動温度：50～65℃（大気飽和温度）
• ポンプ回転数：590～740 rpm（大型低速遠心ポンプ）

1.2 破損モード分析

FGDサービスにおけるシリコンカーバイドシールの破損統計：

1.フッ化物イオンによる粒界腐食（60％）：SSiC中のSiO₂粒界相および遊離シリコンがHFと反応：

• SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O（フルオロシリシン酸、水溶性）
• Si（遊離シリコン） + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂↑

結果：シリコンカーバイド表面に「ピッティング」腐食が発生し、粒界剥離→全体破断に至る。

2.粒子による三体摩耗（25％）：石膏結晶がシール面に入り込み三体摩耗を形成、シール面にV字溝が発生し漏れが増加。

3.スプリング室の閉塞（10％）：スプリング室およびシール面外径側にスラリー粒子が堆積し、スプリングの弾性を失いシール面の密着不良を招く。

4.Oリングの膨潤（5％）：高塩素スラリー中でFKM Oリングの膨潤率が15％を超え、補償機能が失われる。

2. 材料選定

2.1 フッ化物耐性カーボングラファイト

フッ化物イオン腐食はFGDサービスにおける核心的課題です。Huahao SealingのM230F-フラン耐フッ化物グラファイトは以下の特徴を持ちます：

• 基材：中粒構造グラファイト（粒径30 μm、耐衝撃性あり）
• 含浸剤：フルフリルアルコールフラン樹脂（炭素含有率70%、硬化後にC=C二重結合なし、HF、HCl、H₂SO₄などの非酸化性酸に耐性あり）
• HF耐性性能：20% HF、60℃で30日間浸漬後の重量減少率は0.05%未満（一般的な樹脂含浸グラファイトの重量減少3.8%と比較）
• 機械的強度：圧縮強度280 MPa、曲げ強度65 MPa（一般的な樹脂グラファイトより50%高い）
• ショア硬度：HS 85（炭化ケイ素の耐摩耗性レベルに相当）

2.2 相手材（重要な改善点！）

シリコン系材料（SSiC、RBSiC、Si₃N₄）は厳禁です — フッ化物イオン腐食は不可逆的です。相手リングの選定は以下の通りです：

• WC-Niセメンタイトカーバイド（YG8タイプ、Niバインダ相8%、WC 92%）
• HF耐性：WCはHFと反応せず、Niバインダ相は50℃以下の弱酸性環境で極めて安定
• 硬度：HRA 91、粒子耐摩耗性は炭化ケイ素より優れる
• 注意：高温（200℃以上）強酸性環境は避けること。Niバインダ相が腐食する可能性あり。FGDサービスの60℃では完全に安全

2.3 補助シール材

• Oリング：EPDM（エチレンプロピレンジエンモノマー、HF＋高塩素＋弱酸に耐性あり、推奨はDuPont Vamac GLS）、またはFFKM（Kalrez 4079、極端な化学薬品に耐性あり）
• 金属部品：デュプレックス鋼2205（UNS S31803、50000 mg/L Cl⁻によるピッティング耐性あり）またはハステロイC276
• スプリング：ハステロイC276（通常の316Lは高塩素含有スラリー中で3ヶ月で応力腐食割れ発生）

3. 構造設計とフラッシング計画

3.1 カートリッジ二重面構造

FGDスラリーサービスには単一面シールは厳禁です（粒子が直接シール面に入り込み、2週間で摩耗します）。標準的な解決策はカートリッジ二重面（タンデムシリーズタイプ）です：

• 内側（大気側）：M230Fカーボングラファイト × WC-Ni、フラッシング水（粒子を含まない清浄水）と接触
• 外側（媒体側）：M230Fカーボングラファイト × WC-Ni、プロセススラリーと接触
• 一体型スプリング：外部大型スプリング（内蔵スプリングは詰まりやすいため、外部タイプは媒体に接触しません）
• カートリッジタイプの一体設置で、ポンプを分解せずにシール交換可能、メンテナンス時間を24時間から4時間に短縮

3.2 APIフラッシング計画 PLAN 32 + PLAN 64

PLAN 32（外部フラッシング） — 粒子がシール室に侵入するのを防ぐ鍵です：

• フラッシング水源：FGDプロセスメイクアップ水（ろ過済み、SS <1 mg/L、粒子径 <5 μm）
• フラッシング圧力：シール室圧力より0.1〜0.2 MPa高い（通常0.5〜0.7 MPa）
• フラッシング流量：1.5〜3.0 m³/h（80〜150 mm径ポンプ）
• フラッシング方法：シール室に接線方向注入し、渦流を形成して粒子を洗い流し、堆積を防止

PLAN 64（漏れ監視＋緊急フラッシング）：

• 内側シールの漏れ口は圧力スイッチに接続され、漏れ圧力が0.1 MPa超または流量が20 L/h超でDCSアラーム発報
• 漏れ口は緊急フラッシング用インターフェースに切り替え可能（高圧プロセス水に接続）、内側シール故障時に緊急注入し、スラリーの軸受箱侵入を防止

3.3 粒子堆積防止設計

• シール室に傾斜したディフレクター（45°）を設置し、粒子は傾斜に沿って沈降し、シール面外径に堆積しないようにする
• シール面外径側には「砂止めリップ」（PTFE薄膜＋EPDM支持）を設け、大きな粒子（>20 μm）が直接シール面に衝突するのを防止
• スプリング座には「自己洗浄孔」（φ8穴×4）を設け、フラッシング水がスプリング座の通路を通過し、堆積した粒子を洗い流す

4. Huahao Sealing ケーススタディ

ある省エネルギーグループの2×660 MW超々臨界ユニットにおいて、FGDシステムの各ユニットは6台のスラリー循環ポンプ（流量8800 m³/h、揚程22 m、回転数590 rpm、シール径160 mm）を装備していましたが、当初は輸入ブランドのSSiC × SSiC＋内蔵スプリング単一面シールに以下の問題がありました。

1.SSiCのメイティングリングがフッ化物腐食を受け、平均寿命は42日（最短23日）、分解検査でシール面に多数のピッティングと局所的な破断を確認

2.ポンプ1台あたり年間約8回のシール交換が必要で、12台分の予備部品費用およびメンテナンス費用は約780万元

3.シール漏れによりスラリーがモーターの巻線に飛散し、2019年に2件のモーター焼損事故発生（損失約180万元）

2020年にHuahao SealingのM230Fフラン樹脂含浸カーボングラファイト × WC-Niセメンタイトカーバイド＋カートリッジ式両面シール＋PLAN 32（プロセス水0.6 MPa、2 m³/h）＋PLAN 64＋2205デュプレックスステンレス金属部品＋EPDM Oリングのソリューションに切り替えた後は、

• 初号機は連続運転26ヶ月（2020年3月～2022年5月）で漏れなし、計画保全による分解点検でシール面摩耗は0.12 mm（摩耗率0.00046 mm/100 h）
• 平均シール寿命は22ヶ月（+1471%）、42日から大幅に改善
• 年間の予備部品費用およびメンテナンス費用は780万元から約80万元に削減、累計で2000万元以上のコスト削減
• モーター焼損事故はゼロとなり、ユニットの稼働率は92.3%から98.7%に向上

選定のポイントは以下の通りです。フッ化物イオン濃度がメイティング材質を決定（F⁻ >50 mg/Lではシリコン系材料禁止、WCに切替）、固形粒子含有量が洗浄計画を決定（>10%はPLAN 32外部洗浄必須）、塩素濃度が金属材質グレードを決定（>30000 mg/Lは2205デュプレックスステンレスまたはC276を選択）。