Графитовые колодки

Графитовые колодки — элементы периферийного уплотнения регенеративных воздухоподогревателей (РВП), применяемых на тепловых электростанциях и в промышленной теплоэнергетике. Они предотвращают присос наружного воздуха в газовоздушный тракт и снижают перетоки между газовой и воздушной сторонами аппарата. Изготавливаются из искусственного электродного графита, обладающего низким коэффициентом трения, термостойкостью и химической устойчивостью к продуктам сгорания топлива.

Назначение графитовых колодок в регенеративных воздухоподогревателях

Регенеративный воздухоподогреватель (РВП) — противоточный теплообменный аппарат, в котором вращающийся ротор с набивкой из металлических листов попеременно нагревается уходящими дымовыми газами и отдаёт тепло поступающему воздуху. Конструктивно РВП состоит из цилиндрического ротора, корпуса с крышками и системы уплотнений.

В зоне контакта между фланцами ротора и крышками корпуса устанавливаются периферийные (окружные) уплотнения. Они представляют собой чугунные направляющие, в которые вставлены графитовые колодки. Прижим колодок к фланцам ротора обеспечивается пружинным механизмом. По мере износа пружины компенсируют уменьшение толщины колодки, поддерживая плотный контакт.

Основные задачи графитовых колодок в узле уплотнения:

• минимизация присосов наружного воздуха через периферийный зазор;
• снижение перетоков воздуха в газовый тракт (и наоборот);
• обеспечение герметичности при непрерывном вращении ротора (примерно 2 об/мин);
• работа в условиях повышенных температур и воздействия продуктов сгорания.

Графитовые колодки для РВП применяются в воздухоподогревателях различных типоразмеров: РВП-41, РВП-54, РВП-68, РВП-88, РВП-98, а также РВП-9,8. Конкретные размеры колодок определяются конструкцией конкретного аппарата.

Свойства графита как материала уплотнительных колодок

Искусственный электродный графит получают путём высокотемпературной обработки (графитации) углеродных заготовок на основе нефтяного кокса и каменноугольного пека. Графитированный материал обладает совокупностью свойств, определяющих его пригодность для работы в узлах трения и уплотнениях:

• низкий коэффициент трения — графит является природным твёрдым смазочным материалом благодаря слоистой кристаллической структуре;
• высокая теплопроводность — обеспечивает отвод тепла из зоны контакта;
• электропроводность — графит хорошо проводит электрический ток, что важно при наличии блуждающих токов;
• термическая стойкость — в инертной атмосфере графит стабилен до 2500–3000 °C, в воздухе начинает окисляться при температурах выше 450–500 °C;
• химическая стойкость — устойчив к большинству кислот, щелочей, расплавов; не взаимодействует с продуктами сгорания при рабочих температурах РВП;
• слоистая структура — слои атомов углерода (графены) связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что обеспечивает антифрикционные свойства;
• хорошая обрабатываемость — графит легко поддаётся механической обработке: точению, фрезерованию, шлифованию;
• малый коэффициент термического линейного расширения — обеспечивает стабильность размеров при изменении температуры.

Следует учитывать, что графит — хрупкий материал с низкой твёрдостью (около 1 по шкале Мооса). Поэтому при транспортировке, хранении и монтаже колодок необходимо исключить ударные нагрузки.

Марки электродного графита для колодок РВП

Для изготовления графитовых колодок применяют искусственный графит электродных марок. Выбор конкретной марки зависит от условий эксплуатации РВП, требований к ресурсу и допустимому уровню перетоков. Ниже описаны основные марки, из которых изготавливают колодки.

Графит марки ЭГ

ЭГ — электродный графитированный материал общего назначения на основе нефтяного кокса и каменноугольного пека. Является наиболее распространённой базовой маркой. Обозначение соответствует классификации по ГОСТ Р 57613-2017 (марка ЭГ-RP для электродной продукции). Типичные характеристики графита марки ЭГ (данные по графитовым заготовкам):

Графит ЭГ применяют в тех случаях, когда условия работы уплотнения не предъявляют повышенных требований к механической прочности и плотности материала.

Графит марки ЭГП

ЭГП — электродный графитированный пропитанный материал. Технология дополнительной пропитки каменноугольным пеком повышает плотность и прочность заготовки, снижает пористость и электрическое сопротивление. Обозначение соответствует марке ЭГП-HP по ГОСТ Р 57613-2017 (для электродной продукции). Типичные характеристики:

Пропитка снижает открытую пористость материала, что уменьшает его газопроницаемость — важный фактор для уплотнительных элементов. ЭГП обеспечивает увеличенный ресурс работы колодок по сравнению с маркой ЭГ.

Графит марки ЭГСП

ЭГСП — электродный графитированный специальный пропитанный материал на основе игольчатого кокса с усиленной пропиткой каменноугольным пеком. Обозначение соответствует марке ЭГСП-UHP по ГОСТ Р 57613-2017 (для электродной продукции). Это наиболее плотный и прочный материал из перечисленных. Типичные характеристики:

Использование игольчатого кокса в качестве наполнителя обеспечивает высокую степень графитации и упорядоченную кристаллическую структуру, что выражается в повышенной плотности, прочности и пониженном электрическом сопротивлении. ЭГСП применяют при повышенных требованиях к ресурсу колодок и точности уплотнения.

Сравнительная таблица марок графита для колодок

Конструкция и типоразмеры колодок для РВП

Графитовая колодка представляет собой прямоугольный брусок с обработанными рабочими поверхностями. Колодка вставляется в чугунную направляющую и прижимается пружиной к фланцу вращающегося ротора. Рабочая поверхность колодки контактирует с металлической поверхностью фланца, обеспечивая герметичность при минимальном износе контртела.

Размеры колодок зависят от типоразмера воздухоподогревателя. Обозначение «колодка графитовая 45» или «колодка графитовая 50» указывает на характерный размер (ширину) изделия — 45 мм или 50 мм соответственно. Конкретные габариты (длина, ширина, толщина) определяются чертежами на конкретный тип РВП и могут различаться у аппаратов разных серий.

Требования к качеству рабочих поверхностей

К графитовым колодкам предъявляют требования по геометрической точности, обеспечивающие надёжную работу уплотнения:

• отклонение от плоскостности рабочей поверхности — контролируется в зависимости от конструкторской документации на конкретный РВП;
• шероховатость рабочей поверхности — должна обеспечивать плотный контакт с фланцем ротора без чрезмерного износа;
• отсутствие сколов, трещин и раковин на рабочих и посадочных поверхностях;
• соответствие размеров допускам, указанным в чертежах.

При капитальном ремонте РВП колодки с критическим износом подлежат замене. Согласно СТО 70238424.27.060.01.008-2009, при ремонте периферийных уплотнений РВП-54, РВП-68 и РВП-9,8 повреждённые колодки заменяют новыми, а зазоры выставляют в соответствии с нормами, указанными в технической документации.

Типоразмеры РВП и применяемые графитовые колодки

В российской энергетике эксплуатируются регенеративные воздухоподогреватели нескольких типоразмеров. Число после обозначения «РВП» указывает на наружный диаметр ротора в дециметрах (например, РВП-68 — ротор диаметром 6,8 м).

Для каждого типа РВП предусмотрены колодки с определёнными габаритными размерами. Колодки не являются взаимозаменяемыми между аппаратами разных серий без проверки соответствия посадочным размерам направляющих и зазорам, регламентированным ремонтной документацией.

Условия эксплуатации графитовых колодок

Графитовые колодки работают в контакте с металлическим фланцем ротора РВП при следующих условиях:

• температура — в зоне периферийного уплотнения температура зависит от расположения (горячий или холодный конец) и может находиться в диапазоне от 80 до 300 °C;
• среда — смесь дымовых газов и воздуха, возможно присутствие золы, соединений серы, влаги;
• механическое воздействие — постоянный скользящий контакт с вращающимся фланцем при давлении, создаваемом пружинным прижимом;
• скорость скольжения — определяется частотой вращения ротора (около 2 об/мин) и диаметром фланца.

В процессе эксплуатации колодки постепенно изнашиваются. Основные факторы, ускоряющие износ: загрязнение золой, сернокислотная коррозия при работе на сернистом топливе, вибрация ротора, нарушение центровки. Периодический контроль состояния уплотнений и своевременная замена изношенных колодок — обязательная часть технического обслуживания РВП.

Влияние состояния уплотнений на работу котла

Исправность периферийных уплотнений напрямую влияет на технико-экономические показатели котлоагрегата. При износе или заклинивании колодок возрастают присосы воздуха, что приводит к нескольким последствиям:

• увеличение объёма уходящих газов и потерь тепла;
• рост нагрузки на дымосос;
• снижение КПД котла;
• ускоренная коррозия «холодного» конца набивки РВП из-за конденсации агрессивных компонентов;
• искажение показаний газоанализаторов, затрудняющее настройку режима горения.

По данным эксплуатационной практики, увеличение присосов воздуха в РВП на 10 % может привести к росту потерь тепла с уходящими газами на 0,5–1 %, что для крупных энергоблоков выражается в значительном перерасходе топлива.

Хранение и транспортировка графитовых колодок

Графит — хрупкий материал, чувствительный к ударным нагрузкам. При обращении с графитовыми колодками следует соблюдать следующие правила:

• хранить в сухом крытом помещении, исключая контакт с влагой и агрессивными средами;
• избегать складирования вместе с многозольными материалами во избежание загрязнения рабочих поверхностей;
• при транспортировке использовать упаковку, исключающую ударные нагрузки и взаимное трение изделий;
• не допускать падения и соударения колодок — это приводит к образованию сколов и трещин, снижающих ресурс и герметичность уплотнения.

Формы поставки графитовых колодок

Графитовые колодки поставляются как готовые изделия с обработанными рабочими поверхностями, выполненные по чертежам заказчика, или в виде графитовых заготовок (блоков, брусков), из которых колодки изготавливаются на месте. Возможные формы поставки:

• графитовые колодки готовые — под конкретный тип РВП (РВП-41, РВП-54, РВП-68 и др.);
• графитовые заготовки прямоугольного сечения — для самостоятельной механической обработки;
• комплекты колодок — полный комплект на один РВП с учётом количества секторов и уплотнительных узлов.

Выбор марки графита (ЭГ, ЭГП, ЭГСП) осуществляется с учётом условий эксплуатации, требований ремонтной документации и экономической целесообразности. Для уточнения размеров и марки графита, а также для заказа графитовых уплотнений и колодок необходимо предоставить чертёж или указать тип воздухоподогревателя.