過酷な使用条件下でのメカニカルシールのメンテナンス方法

メカニカルシールの故障は、ポンプの故障における総メンテナンス作業量の約半分を占めます。これは、ポンプのメンテナンスにおけるメカニカル シールの重要な役割を浮き彫りにします。ポンプは幅広い媒体を処理し、さまざまなプロセス条件下で動作するため、メカニカル シールの選択とメンテナンスにはこれらの要素を理解することが不可欠です。この記事では、メカニカル シールの選択とメンテナンスにおける長年の経験に基づいて、いくつかの特殊な動作条件下でのメカニカル シールの動作特性と重要な考慮事項について概説します。

1. 高温環境下におけるメカニカルシール

通常、媒体温度が 120°C を超える場合、シールは高温シールとみなされます。高温下でのメカニカル シールの主な課題は次のとおりです。

摩擦対端面の温度が上昇すると、摩擦係数が増加し、摩耗が増大し、温度が上昇します。シールリングの熱変形や熱割れを引き起こし、シール不良を引き起こす可能性があります。

メカニカルシールの補助シールリングは通常ゴムやPTFEで作られています。高温に長時間さらされると、劣化や分解が起こりやすくなり、シールの破損につながります。

メカニカル シールの弾性コンポーネントは高温下で疲労やクリープを起こしやすく、その結果シールが破損することがあります。

高温になると金属材料の腐食が促進され、メカニカルシールの寿命が短くなります。

高温条件下でもメカニカルシールが正常に動作するようにするには、次のような対策を講じることができます。

メカニカルシールの冷却・フラッシング装置を設置してください。

高温耐性のある材料を選択し、特定の動作温度に基づいてさまざまな材料を選択してください。

金属ベローズメカニカルシールを使用。近年、高温シール用途には金属ベローズシールが多用され、優れた実績をあげています。

2. 低温環境下におけるメカニカルシール

低温条件下で輸送されるメディアは一般に粘度が低く、潤滑性が低く、揮発性が高くなります。媒体が気化すると多量の熱を吸収し、周囲の温度が急激に低下します。これにより、空気中の水蒸気が凝結し、端面上およびその周囲に氷結が生じ、端面の密着性が損なわれ、漏れが発生します。一方、潤滑性が低いと端面の摩擦による過剰な発熱が生じ、端面での蒸発がさらに促進され、シール面の早期破損が促進されます。また、低温シールの補助シールリングは低温下では硬くなり弾力性がなくなり、漏れも発生しやすくなります。

低温シールの場合、補助シールリングの材質を選定するほか、以下の点に注意してください。

シール構造を改善し、適切な摩擦ペア材料を選択します。

適切な端面比圧力を選択してください。低温シールでは潤滑性が低く、揮発性が高く、端面が氷結する危険性があるため、信頼性の高いシールを確保しながら端面比圧力を適切に下げることができます。一般メカニカルシールの推奨比圧力は0.29～0.59MPaで、低温シールには下限値を採用可能です。メタルベローズメカニカルシールの場合、回転リングに軸方向の摩擦がないため、端面比圧が下限値を下回る場合もあります。

媒体中の水分含有量を最小限に抑える、シールチャンバー内の比較的安定した圧力を維持する、可能な限りフラッシングおよび冷却装置を装備する、装置を起動する前にメカニカルシール領域を適切に予熱するなど、対応するプロセス対策を実施してください。

3. 高速条件下でのメカニカルシール

回転速度が 3000r/min を超えるか、摩擦ペアの線速度が 25m/s を超える場合、シールは一般に高速シールとみなされます。高速条件下では、遠心力や振動の影響を軽減するため、回転部品を最小限にし、バネ固定構造を採用する必要があります。さらに、摩擦対端面の冷却と潤滑を高めることができる。さらに、[PV]値の高い摩擦ペア材の選択や端面接触幅の縮小、制御フィルムメカニカルシールの使用も可能です。

4. 高圧条件下でのメカニカルシール

4～5MPaを超える圧力で動作するメカニカルシールは高圧シールに分類されます。高圧条件下では、シール端面に過剰な比圧力がかかると端面加熱が発生し、液膜の形成が破壊され異常摩耗が発生します。高圧により摩擦ペアの変形や亀裂が発生する可能性もあります。高圧シールは一般に端面比圧力を適切な範囲に保つためにバランスのとれた構造を採用しています。しかし、シールの信頼性を考慮すると、バランス係数を無制限に大きくすることはできません。したがって、場合によっては、バランスの取れた構造であっても、端面比圧力が依然として比較的高い場合があります。バランス構造だけでは用途を満たせない場合もありますので、その場合は多端面メカニカルシールやフィルム制御メカニカルシールを使用します。

5. 腐食環境下でのメカニカルシール

一部のメカニカル シールは腐食環境で動作します。この場合、メカニカルシール自体の各部品の耐食性だけでなく、これらの部品を組み合わせる際に生じるガルバニックカップリング効果の防止にも注意する必要があります。腐食環境におけるメカニカルシールの場合は、選定時に耐食性のある材質を選択する必要があります。また、外付けメカニカルシールの使用も可能です。安全上の事故を引き起こす可能性のある腐食性の高い環境では、保護のために絶縁流体を導入した両面シールを使用できます。

6. 粒子状媒体条件下でのメカニカルシール

一部のシールは固体粒子を含む媒体中で動作します。固体粒子が摩擦端面に入ると、容易に激しい摩耗を引き起こし、シール端面の急速な破損につながります。さらに、固体粒子は回転リングシールの軸方向の移動を妨げ、回転リングが浮上できなくなり、その補償能力を失い、結果としてメカニカルシールが故障する可能性があります。この問題に対する効果的な解決策は、外部フラッシング装置を取り付けることです。シールチャンバに導入されるフラッシング流体の圧力はシールチャンバ内の媒体の圧力よりも高いため、粒子状媒体がシールチャンバに入るのを効果的に防止することができる。さらに、シールチャンバー間にシール流体を注入して、両端面メカニカルシールを使用することもできます。外付けメカニカルシールの採用も可能です。

現在、石油精製プラントや化学プラントの回転機器ではメカニカルシールが最も一般的なシール形式となっています。設計および製造基準の継続的な改善と新材料の継続的な開発により、その応用範囲はさらに拡大するでしょう。

必要に応じて、特定のセクションの専門用語 (「摩擦ペア」「バランス構造」など) を業界のさまざまなシナリオに合わせて最適化したり、このドキュメントを表形式のより読みやすい英語版に変換したりするお手伝いをいたします。