화력 발전소 FGD 슬러리 펌프용 카본 그라파이트 씰: 플루오르 함유 석회석-석고 슬러리와 60℃ 내마모 서비스

화력 발전소 습식 배기가스 탈황(FGD) 시스템의 석회석-석고 슬러리 순환 펌프는 탈황 시스템의 핵심 장비 중 하나이며, 씰링 신뢰성이 유닛 가동률에 직접적인 영향을 미칩니다. FGD 슬러리는 CaSO₄·2H₂O(석고 이수화물, 경도 3 모스), 반응하지 않은 CaCO₃(경도 3 모스), SiO₂ 분진(경도 7 모스)과 석탄 연소 배기가스에 포함된 미량 HF(석탄 내 CaF₂가 H₂SO₄와 반응하여 생성)를 포함해 강한 마모와 플루오르 특유 부식이 복합적으로 작용하며, 기존 실리콘 카바이드 씰은 매우 빠르게 고장납니다. Huahao Sealing이 300 MW, 600 MW, 1000 MW급 화력 발전소에서 다수 적용한 경험을 바탕으로 본 글에서는 FGD 서비스용 카본 그라파이트 씰 선택을 소개합니다.

1. 서비스 특성

1.1 전형적인 슬러리 파라미터

• 고형물 함량: 5-15% (석고 결정 + 석회석 입자, 입자 크기 10-200 μm)
• 플루오르 이온(F⁻): 50-200 mg/L, pH 4.5-6.0 (약산성, HF, F⁻, (HF)₂⁻ 중합체 형태 공존)
• 염화 이온(Cl⁻): 10000-50000 mg/L (슬러리 순환 농축)
• 작동 온도: 50-65℃ (대기 포화 온도)
• 펌프 속도: 590-740 r/min (대형 저속 원심 펌프)

1.2 고장 모드 분석

FGD 서비스 실리콘 카바이드 씰 고장 통계:

1.플루오르 이온 입계 부식 (60%): SSiC 내 SiO₂ 입계상과 자유 실리콘이 HF와 반응:

• SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O (플루오로실리시산, 수용성)
• Si (자유 실리콘) + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂↑

결과: 실리콘 카바이드 표면에 "피팅" 부식 발생 → 입계 분리 → 전체 파단.

2.입자 3체 마모 (25%): 석고 결정이 씰 면에 침투해 3체 마모 발생, 씰 면에 V자 홈 형성, 누설 증가.

3.스프링 챔버 막힘 (10%): 슬러리 입자가 스프링 챔버와 씰 면 외경에 침착되어 스프링 탄성 상실 → 씰 면 밀착 실패.

4.O-링 팽창 (5%): 고염분 슬러리에서 FKM O-링 팽창률 15% 이상으로 보상 기능 실패.

2. 재료 선택

2.1 불화물 저항성 카본 그라파이트

불화 이온 부식은 FGD 서비스의 핵심 과제입니다. Huahao Sealing M230F-Furan 불화물 저항성 그라파이트:

• 기본 재료: 중립 입자 구조 그라파이트(입자 크기 30 μm, 충격 저항성)
• 함침제: 퍼퓨릴 알코올 퓨란 수지(탄소 함량 70%, 경화 후 C=C 이중 결합 없음, HF, HCl, H₂SO₄와 같은 비산화성 산에 저항성)
• HF 저항 성능: 20% HF, 60℃에서 30일 침지 시 중량 손실률 <0.05% (일반 수지 함침 그라파이트 중량 손실 3.8% 대비)
• 기계적 강도: 압축 강도 280 MPa, 굴곡 강도 65 MPa (일반 수지 그라파이트 대비 50% 향상)
• 쇼어 경도: HS 85 (실리콘 카바이드 내마모성 수준과 일치)

2.2 맞물림 재료 (중요 개선 사항!)

실리콘 기반 재료(SSiC, RBSiC, Si₃N₄) 사용 엄격 금지 — 불화 이온 부식은 되돌릴 수 없습니다. 맞물림 링 선택:

• WC-Ni 시멘트 경화 카바이드(YG8 타입, Ni 바인더 페이즈 8%, WC 92%)
• HF 저항성: WC는 HF와 반응하지 않으며, Ni 바인더 페이즈는 50℃ 이하 약산성 환경에서 매우 안정적임
• 경도: HRA 91, 입자 내마모성은 실리콘 카바이드보다 우수
• 주의: 고온(>200℃) 강산 환경은 피해야 하며, Ni 바인더 페이즈가 부식될 수 있음; FGD 서비스 60℃에서는 완전 안전

2.3 보조 씰

• O-링: EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 고무, HF + 고염소 + 약산에 저항성, 추천 제품 DuPont Vamac GLS) 또는 FFKM(Kalrez 4079, 극한 화학물질 저항성)
• 금속 부품: 듀플렉스 스틸 2205(UNS S31803, 50000 mg/L Cl⁻ 피팅 저항) 또는 Hastelloy C276
• 스프링: Hastelloy C276(일반 316L은 고염소 슬러리에서 3개월 내 응력 부식 균열 발생)

3. 구조 설계 및 세척 계획

3.1 카트리지 이중면 구조

FGD 슬러리 서비스에는 단면 씰 링 사용이 엄격히 금지됩니다 (입자가 씰 면에 직접 침투하여 2주 내에 마모됨). 표준 솔루션: 카트리지 이중면 (탠덤 시리즈 타입):

• 내부 측(대기 측): M230F 카본 그라파이트 × WC-Ni, 세척수와 접촉 (입자 없는 청정수)
• 외부 측(매체 측): M230F 카본 그라파이트 × WC-Ni, 공정 슬러리와 접촉
• 통합 스프링: 외부 대형 스프링 (내장 스프링은 막힘이 쉬우며, 외부형은 매체와 접촉하지 않음)
• 카트리지 타입 일체형 설치, 펌프 분해 없이 씰 교체 가능, 유지보수 시간 24시간에서 4시간으로 단축

3.2 API 세척 계획 PLAN 32 + PLAN 64

PLAN 32 (외부 세척) — 입자가 씰 챔버에 침투하는 것을 방지하는 핵심:

• 세척수 원천: FGD 공정 보충수 (여과, SS <1 mg/L, 입자 크기 <5 μm)
• 세척 압력: 씰 챔버 압력보다 0.1-0.2 MPa 높음 (보통 0.5-0.7 MPa)
• 세척 유량: 1.5-3.0 m³/h (80-150 mm 직경 펌프)
• 세척 방식: 씰 챔버에 접선 방향으로 주입하여 소용돌이 형성, 입자 세척 및 침착 방지

PLAN 64 (누출 모니터링 + 비상 세척):

• 내부 씰 누출 포트가 압력 스위치에 연결되어, 누출 압력 >0.1 MPa 또는 유량 >20 L/h 시 DCS 경보 발생
• 누출 포트는 비상 세척 인터페이스로 전환 가능 (고압 공정수 연결), 내부 씰 고장 시 비상 세척수 주입으로 슬러리의 베어링 박스 침투 방지

3.3 입자 침착 방지 설계

• 씰 챔버에 경사형 디플렉터(45°) 설치, 입자가 경사를 따라 침전되어 씰 면 외경에 쌓이지 않음
• 씰 면 외경 측에 "모래 차단 립"(PTFE 얇은 시트 + EPDM 지지대) 설치, 20 μm 이상의 큰 입자가 씰 면에 직접 충격하는 것을 차단
• 스프링 시트에 "자가 세척 구멍"(φ8 구멍 ×4) 설치, 세척수가 스프링 시트 채널을 통과하며 침전된 입자를 제거

4. Huahao Sealing 사례 연구

한 성(省) 에너지 그룹의 2×660 MW 초초임계 유닛, FGD 시스템 각 유닛에 6대의 슬러리 순환 펌프(유량 8800 m³/h, 양정 22 m, 속도 590 r/min, 씰 직경 160 mm)가 장착되어 있었으며, 원래 수입 브랜드 SSiC × SSiC + 내장 스프링 단면 씰에서 다음과 같은 문제가 있었습니다:

1.SSiC 접촉 링의 플루오린화물 부식, 평균 수명 42일 (최소 23일), 분해 검사에서 씰 면 전체에 핏팅과 국부 파손 발견

2.펌프당 연간 약 8회 씰 교체, 12대 펌프의 예비 부품 비용 및 유지보수 비용 약 780만 위안

3.씰 누수로 인해 슬러리가 모터 권선에 튀어 2019년에 모터 소손 사고 2건 발생(손실 약 180만 위안)

2020년에 Huahao Sealing의 M230F 퓨란 그라파이트 × WC-Ni 시멘트 경화 카바이드 + 카트리지형 이중면 + PLAN 32 (공정수 0.6 MPa, 2 m³/h) + PLAN 64 + 2205 듀플렉스 스틸 금속 부품 + EPDM O-링 솔루션으로 전환한 후:

• 첫 번째 유닛 연속 운전 26개월 (2020.03-2022.05) 동안 누수 없이 계획된 유지보수 분해, 씰 면 마모 0.12 mm (마모율 0.00046 mm/100 h)
• 평균 씰 수명 22개월 (+1471%), 42일에서 크게 개선
• 연간 예비 부품 비용 및 유지보수 비용이 780만 위안에서 약 80만 위안으로 감소, 누적 절감액 2천만 위안 이상
• 모터 소손 사고 제로화, 유닛 가동률이 92.3%에서 98.7%로 향상

선정 핵심: 플루오린 이온 농도가 접촉 재료를 결정(F⁻ >50 mg/L 시 실리콘계 재료 금지, WC로 전환), 고형 입자 함량이 세척 계획 결정(>10% 시 PLAN 32 외부 세척 필수), 염소 농도가 금속 재료 등급 결정(>30000 mg/L 시 2205 듀플렉스 스틸 또는 C276 선택).