高圧ポンプシステムに最適なシール方法

高圧ポンプは、石油・ガス生産から化学処理まで、多くの産業用途に不可欠なコンポーネントです。これらの厳しい環境で最適なシール性能を維持することは、機器の信頼性、安全性、効率性を確保するために不可欠です。

この記事では、高圧ポンプ システムを効果的にシールするための重要な考慮事項と手法について説明します。高圧アプリケーションの特定のニーズを詳しく調べ、さまざまな種類のシールとその構成を検討し、材料の選択について説明し、シール サポート システムの重要性を強調します。

高圧シールのニーズ

高圧環境の課題

高圧ポンプ システムは、従来のシール方法の限界を超える過酷な条件下で動作します。圧力が増加すると、シールに作用する力は指数関数的に増大します。これにより、シールが莫大な圧力だけでなく、高温、腐食性媒体、潜在的な汚染物質にも耐えなければならない厳しい環境が生まれます。

バリア液の完全性の維持

高圧シールのもう 1 つの重要な側面は、バリア流体の完全性を維持することです。この流体は、プロセス メディアよりも高いレベルに加圧されることが多く、シールの性能と寿命における最前線の防御として機能します。シール面を潤滑し、熱を逃がし、汚染物質がシール インターフェースに侵入するのを防ぎます。

しかし、バリア流体とプロセス媒体間の圧力差が大きくなると、シール面間の安定した流体膜を維持することがますます難しくなります。バリア流体の圧力が一瞬でもプロセス圧力を下回ると、プロセス媒体がシール界面に浸透し、摩耗が加速してシールが破損する可能性があります。

シール寿命と信頼性の最適化

高圧ポンプ アプリケーションで発生する極度の圧力により、シールの故障がさらに深刻化するだけでなく、シール部品の摩耗も加速します。高圧シールの運用寿命と信頼性を最大限に高めるには、複数の設計上の考慮事項を慎重にバランスよく考慮する必要があります。

シール面は、優れた耐摩耗性と耐熱性を備えた耐久性のある材料で製造する必要があります。シール面の幾何学的設計は、最適な潤滑と熱放散を促進する必要があります。状況の変化に応じてシールが自動調整できるように、適応メカニズムが組み込まれることがよくあります。二重シール配置などの冗長性により、漏れや故障に対する追加の保証が得られます。

高圧用途向けシールの種類

デュアルメカニカルシール

デュアル メカニカル シールは、漏れに対する追加の保護層を提供します。この設計では、2 つの独立したシールが直列に配置され、その間をバッファー流体が循環します。バッファー流体はバリアとして機能し、プライマリ シールが故障した場合にプロセス流体が大気中に漏れるのを防ぎます。

デュアルシール配置により、シールの状態を監視することもできます。プライマリシールが漏れ始めると、バッファー流体の圧力が変化し、完全な故障が発生する前にオペレーターに問題を警告します。この早期警告システムにより、プロアクティブなメンテナンスが可能になり、コストのかかる予定外のシャットダウンを回避できます。

バランス型メカニカルシール

バランス型メカニカルシールは、シール面に作用する油圧力を均等化するように設計されています。アンバランスシールでは、高い流体圧力によってシール面に過度の力が生じ、摩耗が進み、早期故障につながる可能性があります。バランス型シールには、これらの力を打ち消すために、段付きシャフト、油圧再循環通路、圧力応答要素などの機能が組み込まれています。

これらのシールは、圧力のバランスをとることで、シール面の摩擦と熱の発生を減らします。これにより、シールの寿命が延び、より高い圧力と速度での動作が可能になります。バランスのとれたシールは、流体圧力が高い、シャフトの直径が大きい、または頻繁に始動と停止を繰り返す用途に特に適しています。

シール構成

面と向かって

対面構成では、2 つのメカニカル シールがシール面を互いに向けた状態で取り付けられます。この配置により、コンパクトな設計が可能になり、設置とメンテナンスが簡単になります。対面シールは、スペースが限られているアプリケーションや、シールに簡単にアクセスできることが求められるアプリケーションでよく使用されます。

ただし、対面シールは、一方のシールで発生した熱がもう一方のシールに伝わるため、熱が蓄積されやすくなる可能性があります。

続けて

背中合わせのシール構成では、シール面が互いに反対を向いています。この配置により、圧力変動と熱膨張に対する優れた耐性が得られます。シールの反対方向の向きにより、軸方向の力が均衡し、シール面の摩耗が軽減されます。

バックツーバックシールは、高圧、高温の用途でよく使用されます。また、圧力サイクルが頻繁に発生するシステムや、熱衝撃が懸念されるシステムにも適しています。

タンデム構成

タンデム シール構成は、同じ方向に取り付けられた 2 つのシールと、その間にバッファ フルイドが配置された構成です。この構成は、デュアル シールとバランス シールの利点を組み合わせたものです。プライマリ シールは高圧プロセス フルイドを処理し、セカンダリ シールはバッファ フルイドを保持してバックアップ保護を提供します。

タンデムシールは優れた漏れ防止機能を備え、シール性能の監視が可能です。石油化学処理や発電など、最大限の信頼性が求められる重要な用途でよく使用されます。

デュアルステージメカニカルシールシステム

超高圧用途では、デュアルステージ メカニカルシール システムを採用することができる。この設計では、スロットルブッシングまたは 迷路の印章 第一段階では圧力を管理可能なレベルまで下げ、第二段階で最終的な密閉を行います。

デュアルステージ システムでは、単一のシールでは非現実的または不可能な圧力をシールできます。また、複数のシール ポイントによって重大な故障のリスクが軽減されるため、安全性も向上します。ただし、これらのシステムはより複雑であり、適切に機能するには慎重な設計とメンテナンスが必要です。

以下は、提供された指示に従って記述された「材料の選択とシール サポート システム」セクションです。

材料の選択

シールサポートシステム

高圧メカニカルシールは、適切に機能し、最適な耐用年数を達成するために、追加のサポートシステムを必要とすることがよくあります。これらの補助システムは、シール面の周囲に清潔で冷たい環境を維持し、早期摩耗、面の歪み、流体の劣化を防ぐために不可欠です。シールサポートシステムには、主に2つのタイプがあります。 APIプラン54 およびプラン53A。

APIプラン54

API プラン 54 は「クローズド ループ」システムとも呼ばれ、デュアル シール キャビティ間でクリーンかつ冷たいバリア 流体を循環させます。バリア 流体はポンプで送られる流体よりも高い圧力に維持され、プロセス流体がシール キャビティに入るのを防ぎます。

閉ループには、リザーバー、循環ポンプ、熱交換器、バリア流体の圧力、温度、レベルを監視するための計器が含まれます。 Plan 54 システムは優れたシール性能と長寿命を提供しますが、信頼性の高い動作を確保するには慎重な設計とメンテナンスが必要です。

APIプラン53

API プラン 53A、または「バリア流体注入」は、外部ソースからシール キャビティにクリーンな流体を注入する、よりシンプルなサポート システムです。バリア流体は通常、シール チャンバー圧力より 15 ～ 25 psi 高い圧力で注入されます。

プラン 53A システムはプラン 54 ほど複雑ではありませんが、冷却機能がなく、清潔なバリア液を信頼性高く継続的に供給する必要があります。