Уплотнения из углеродного графита для насосов шлама ООГ на ТЭС: износостойкость при 60℃ в фторсодержащем известково-гипсовом шламе

Насос циркуляции известково-гипсового шлама системы мокрого дымового газа десульфуризации (FGD) на ТЭС является одним из ключевых элементов системы десульфуризации, и его надежность уплотнения напрямую влияет на доступность блока. Шлам FGD содержит CaSO₄·2H₂O (гипс дигидрат, твердость 3 по Моосу), не прореагировавший CaCO₃ (твердость 3 по Моосу), пыль SiO₂ (твердость 7 по Моосу) и следы HF (плавиковая кислота, образующаяся при реакции CaF₂ в угле с H₂SO₄), переносимые дымовыми газами угольных котлов, формируя комплексное воздействие сильного абразивного износа и специфической коррозии фторидами, из-за чего традиционные уплотнения из карбида кремния выходят из строя очень быстро. Основываясь на опыте Huahao Sealing в применении на нескольких тепловых блоках мощностью 300 МВт, 600 МВт и 1000 МВт, в этой статье представлено решение по выбору уплотнений из углеродного графита для работы в условиях FGD.

1. Характеристики эксплуатации

1.1 Типичные параметры шлама

• Содержание твердых частиц: 5-15% (кристаллы гипса + частицы известняка, размер частиц 10-200 μm)
• Ионы фтора (F⁻): 50-200 мг/л, pH 4,5-6,0 (слабокислая среда, HF присутствует в виде HF, F⁻, полимерных форм (HF)₂⁻)
• Ионы хлора (Cl⁻): 10000-50000 мг/л (концентрация в циркулирующем шламе)
• Рабочая температура: 50-65℃ (температура насыщения при атмосферном давлении)
• Скорость насоса: 590-740 об/мин (большой низкоскоростной центробежный насос)

1.2 Анализ причин отказов

Статистика отказов уплотнений из карбида кремния в условиях FGD:

1.Коррозия границ зерен фторидными ионами (60%): фаза границ зерен SiO₂ и свободный кремний в SSiC реагируют с HF:

• SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O (фторосилициевая кислота, водорастворимая)
• Si (свободный кремний) + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂↑

Результат: «точечная» коррозия поверхности карбида кремния → разделение по границам зерен → общий излом.

2.Абразивный износ с участием твердых частиц (25%): кристаллы гипса попадают на уплотнительную поверхность, вызывая абразивный износ с образованием V-образных канавок, что увеличивает утечку.

3.Засорение пружинной камеры (10%): частицы шлама оседают в пружинной камере и на наружной стороне уплотнительной поверхности, пружина теряет упругость → нарушение прилегания поверхностей.

4.Набухание уплотнительного кольца (5%): набухание FKM-уплотнительного кольца более 15% в шламе с высоким содержанием хлора, что приводит к отказу компенсации.

2. Выбор материала

2.1 Углеродный графит, устойчивый к фториду

Коррозия ионов фторида является основной проблемой при эксплуатации в системах очистки дымовых газов (FGD). Углеродный графит Huahao Sealing M230F-Furan, устойчивый к фториду:

• Основной материал: графит со средней зернистостью (зерно 30 μm, ударопрочный)
• Пропитка: фурановая смола на основе фурфурилового спирта (углеродное содержание 70%, после отверждения отсутствуют двойные связи C=C, устойчива к неокисляющим кислотам, таким как HF, HCl, H₂SO₄)
• Устойчивость к HF: выдержка в 20% HF при 60℃ в течение 30 дней, потеря массы <0,05% (для сравнения, обычный графит с пропиткой смолой теряет 3,8%)
• Механическая прочность: прочность на сжатие 280 MPa, прочность на изгиб 65 MPa (на 50% выше, чем у обычного графита с пропиткой смолой)
• Твердость по Шору: HS 85 (соответствует уровню износостойкости карбида кремния)

2.2 Материал сопряженного элемента (критическое улучшение!)

Строго запрещается использование любых кремнийсодержащих материалов (SSiC, RBSiC, Si₃N₄) — коррозия ионов фторида необратима. Выбор сопрягаемого кольца:

• Цементированный карбид WC-Ni (тип YG8, связующая фаза Ni 8%, WC 92%)
• Устойчивость к HF: WC не реагирует с HF, связующая фаза Ni чрезвычайно стабильна в слабо-кислой среде при температуре ниже 50℃
• Твердость: HRA 91, износостойкость частиц выше, чем у карбида кремния
• Примечание: избегать высоких температур (>200℃) и сильнокислой среды, связующая фаза Ni может корродировать; при эксплуатации в FGD при 60℃ полностью безопасен

2.3 Вспомогательные уплотнения

• Уплотнительные кольца: EPDM (этилен-пропилен-диеновый мономер, устойчив к HF + высокому содержанию хлора + слабым кислотам, рекомендуется DuPont Vamac GLS) или FFKM (Kalrez 4079, устойчив к экстремальным химикатам)
• Металлические компоненты: дуплексная сталь 2205 (UNS S31803, устойчива к питтинговой коррозии при 50000 мг/л Cl⁻) или Hastelloy C276
• Пружины: Hastelloy C276 (обычная сталь 316L подвергается коррозионному растрескиванию напряжений за 3 месяца в среде с высоким содержанием хлора)

3. Конструктивное решение и схема промывки

3.1 Конструкция картриджного уплотнения с двойной торцевой поверхностью

Уплотнения с одной торцевой поверхностью строго запрещены для работы с шламом FGD (частицы напрямую попадают на поверхность уплотнения и изнашивают её за 2 недели). Стандартное решение: картриджное уплотнение с двойной торцевой поверхностью (серия Tandem):

• Внутренняя сторона (атмосферная): углеродный графит M230F × WC-Ni, контактирует с промывочной водой (чистой, без частиц)
• Внешняя сторона (со стороны среды): углеродный графит M230F × WC-Ni, контактирует с технологическим шламом
• Интегрированная пружина: внешняя крупная пружина (встроенная пружина легко засоряется, внешняя не контактирует со средой)
• Картриджная конструкция с интегральным монтажом, уплотнение можно заменить без разборки насоса, время обслуживания сокращается с 24 до 4 часов

3.2 Схема промывки API PLAN 32 + PLAN 64

PLAN 32 (внешняя промывка) — ключ к предотвращению попадания частиц в камеру уплотнения:

• Источник промывочной воды: подпиточная вода процесса FGD (фильтрованная, SS <1 мг/л, размер частиц <5 μм)
• Давление промывки: на 0,1-0,2 МПа выше давления в камере уплотнения (обычно 0,5-0,7 МПа)
• Расход промывки: 1,5-3,0 м³/ч (насос диаметром 80-150 мм)
• Метод промывки: тангенциальная подача в камеру уплотнения, формирование вихря для вымывания частиц и предотвращения их осаждения

PLAN 64 (мониторинг утечек + аварийная промывка):

• Порт утечки внутреннего уплотнения подключён к датчику давления, при давлении утечки >0,1 МПа или расходе >20 л/ч срабатывает сигнализация DCS
• Порт утечки может переключаться на интерфейс аварийной промывки (подключён к высоконапорной технологической воде), при отказе внутреннего уплотнения осуществляется аварийная подача промывочной воды, предотвращая попадание шлама в подшипниковый узел

3.3 Конструкция против осаждения частиц

• В камере уплотнения установлен наклонный дефлектор (45°), по которому частицы оседают, не накапливаясь на наружном диаметре уплотнительного кольца
• С наружной стороны уплотнительного кольца установлен «пескоудерживающий выступ» (тонкий лист PTFE + опорный EPDM), препятствующий прямому воздействию крупных частиц (>20 μм) на поверхность уплотнения
• В пружинном седле выполнены «самоочищающиеся отверстия» (φ8 мм ×4), через которые промывочная вода проходит по каналам пружинного седла, вынося осевшие частицы

4. Кейсовое исследование Huahao Sealing

Ультрасверхкритический блок мощностью 2×660 МВт в составе провинциальной энергетической группы, система очистки дымовых газов (FGD), каждый блок оснащён 6 насосами для циркуляции шлама (расход 8800 м³/ч, напор 22 м, скорость 590 об/мин, диаметр уплотнения 160 мм), изначально имел проблемы с импортным одноторцевым уплотнением с пружиной SSiC × SSiC:

1.Фторидная коррозия сопрягаемого кольца из SSiC, средний срок службы 42 дня (минимум 23 дня), при разборке обнаружены многочисленные каверны и локальные трещины на уплотнительной поверхности

2.Около 8 замен уплотнений на насос в год, затраты на запчасти и обслуживание для 12 насосов составляют около 7,8 млн юаней

3.Протечки уплотнений приводили к разбрызгиванию шлама на обмотки электродвигателей, в 2019 году произошло 2 случая перегорания двигателей (убытки около 1,8 млн юаней)

После перехода в 2020 году на решение Huahao Sealing: M230F фурановый графит × WC-Ni цементированный карбид + картриджное двухторцевое уплотнение + PLAN 32 (технологическая вода 0,6 МПа, 2 м³/ч) + PLAN 64 + металлические детали из дуплексной стали 2205 + уплотнительное кольцо EPDM:

• Первый блок работал непрерывно 26 месяцев (03.2020–05.2022) без протечек, при плановом обслуживании износ уплотнительной поверхности составил 0,12 мм (скорость износа 0,00046 мм/100 ч)
• Средний срок службы уплотнения увеличился до 22 месяцев (+1471%), по сравнению с 42 днями ранее
• Годовые затраты на запчасти и обслуживание снизились с 7,8 млн до около 0,8 млн юаней, совокупная экономия превысила 20 млн юаней
• Количество случаев перегорания электродвигателей сведено к нулю, коэффициент готовности блока вырос с 92,3% до 98,7%

Основные критерии выбора: концентрация ионов фтора определяет материал сопрягаемого кольца (при F⁻ >50 мг/л запрещены кремнийсодержащие материалы, переход на WC), содержание твёрдых частиц определяет схему промывки (>10% требуется внешняя промывка PLAN 32), концентрация хлора определяет марку металла (>30000 мг/л выбирается дуплексная сталь 2205 или C276).