A single mechanical seal uses one set of sealing faces and works best for non-hazardous fluids. A double mechanical seal uses two sets of sealing faces with a barrier or buffer fluid in between, making it the right choice for hazardous, toxic, or difficult-to-seal applications.
This guide will help you understand when to use each type and make the right selection for your application.
How Does a Single Mechanical Seal Work?
A single mechanical seal creates a barrier between rotating and stationary pump components using two precision-machined flat surfaces pressed together by spring force.
The concept is elegantly simple. You have a rotating element attached to the shaft and a stationary element fixed to the pump casing. These two faces are lapped so flat that the gap between them measures about 1 micron. That’s 75 times narrower than a human hair.
What Are the Key Components of a Single Seal?
A single mechanical seal has four main components:
- Rotating seal face – Attached to the shaft, this face spins with the impeller
- Stationary seal face – Fixed to the pump housing, this face doesn’t move
- Spring mechanism – Pushes the two faces together to maintain contact
- Secondary seals – O-rings or gaskets that prevent leakage around the primary components
The seal faces are typically made from different materials. You’ll often see a carbon graphite rotating face paired with a silicon carbide or ceramic stationary face. This combination provides good wear resistance and thermal conductivity.
How Does a Double Mechanical Seal Work?
A double mechanical seal arranges two complete seals in series, creating two barriers between the process fluid and the atmosphere.
Think of it as a backup system. The inner seal (called the primary or inboard seal) contains the process fluid within the pump. The outer seal (the secondary or outboard seal) prevents the lubricating fluid from escaping to atmosphere.
This gives you four sealing faces instead of two. Two faces rotate with the shaft while the other two remain stationary. The design concentrates wear on the stationary faces, which helps extend seal life.
What Are the Primary and Secondary Seals?
The primary seal is your first line of defense. It sits closest to the pumped fluid and handles the pressure differential between the process and the space between the seals.
The secondary seal provides the backup. If the primary seal fails or wears, the secondary seal contains any leakage while you plan maintenance. You get warning signs instead of sudden catastrophic failure.
Between these two seals sits a cavity filled with either barrier or buffer fluid. This fluid lubricates both seal faces and can be monitored for contamination, giving you early indication of primary seal problems.
What Is the Role of Barrier and Buffer Fluids?
The fluid between your double seal faces isn’t just sitting there. It’s actively working to keep your seals healthy.
Barrier fluid operates at higher pressure than your process fluid, typically 15-30 psi (1-2 bar) above seal chamber pressure. This pressure differential means if any leakage occurs across the primary seal, clean barrier fluid leaks into the process rather than process fluid leaking out. Chemical plants handling toxic materials often require this setup.
Buffer fluid operates at lower pressure than the process. It provides lubrication and cooling but doesn’t prevent process fluid from crossing the primary seal during upset conditions. This works for applications where small amounts of leakage can be contained and disposed of properly.
What Are the Three Double Seal Configurations?
Double seals come in three arrangements: back-to-back, tandem, and face-to-face. Each has specific advantages depending on your application.
| Configuration | Seal Orientation | 最適な用途 | Fluid Requirement |
|---|---|---|---|
| バック・トゥ・バック | Faces point away from each other | Hazardous chemicals | Pressurized barrier fluid |
| Tandem | Both seals face same direction | Backup protection | Buffer fluid (lower pressure) |
| フェイス・トゥ・フェイス | Faces point toward each other | 設置空間が制限された機器 | Either barrier or buffer |
Back-to-Back Configuration
Back-to-back is the most popular arrangement for hazardous services. The two rotating seal rings face opposite directions, with the barrier fluid chamber between them.
This configuration requires pressurized barrier fluid to function properly. The barrier fluid acts as a lubricant and creates positive pressure that pushes against both seal faces. If either seal develops a problem, barrier fluid leaks first, giving you time to respond.
Chemical processing plants handling dangerous materials favor back-to-back seals because they prevent any process fluid from reaching atmosphere under normal operation.
Tandem (Face-to-Back) Configuration
Tandem seals orient both seal sets in the same direction, creating a true series arrangement. The primary seal handles the process pressure while the secondary seal operates at near-atmospheric conditions.
This configuration works with buffer fluid at lower pressure than the process. If the primary seal fails, the secondary seal takes over completely. You get absolute backup protection.
I prefer tandem seals when the goal is extended run time rather than zero emissions. They’re slightly simpler than back-to-back arrangements and give you genuine redundancy.
Face-to-Face Configuration
Face-to-face seals put both seal faces pointing toward each other, sharing a common stationary component. This creates the most compact double seal arrangement.
The compact design saves axial space, making face-to-face seals useful when equipment design limits installation room. Food processing applications sometimes use this configuration.
The downside? If that shared stationary component breaks, both seals fail simultaneously. You lose the redundancy benefit that makes double seals valuable. I recommend other configurations when space permits.
When Should You Use a Single Mechanical Seal?
Single seals are your default choice for straightforward applications. They cost less, install easier, and require simpler support systems.
Use a single seal when your pumped fluid is non-hazardous and poses minimal environmental risk. Clean water, cooling tower circulation, and general process water services are perfect candidates.
What Fluid Properties Favor Single Seals?
シングルシールは、良好な潤滑特性を有し、微量の漏洩が生じてもシールを損傷しない流体に最適です。以下の特性を考慮してください：
- 無毒かつ無害であること – 微量が大気中に漏洩しても危害を生じない流体
- 良好な潤滑性 – シール面間に適切な油膜を形成する流体
- シール材料に対して非腐食性であること – 一般的なエラストマーや面材が流体に対応可能であること
- 清浄で固形物を含まないこと – 微粒子が精密ラップ面を損傷しないこと
- 中程度の温度 – シール面において液体状態を維持し、気化しない流体
水、軽質油、および多くのグリコール溶液はこれらの基準に完全に適合します。.
シングルシールに理想的な運転条件は何ですか？
流体特性に加えて、シングルシールの選定には運転条件が重要です：
- 低～中程度の圧力 – 標準的なシングルシールはほとんどのポンプ吐出圧力に対応可能
- 350°F (177°C) 未満の温度 – より高温では特殊材料や冷却が必要となる場合あり
- 安定した運転 – ポンプが最高効率点付近で動作し、頻繁な変動がないこと
- 環境への懸念が最小限であること – 少量の漏洩率が許容されること
- コスト重視の用途 – 予算制約によりシンプルなソリューションが望まれる場合
シングルシールは産業用ポンプ適用の大部分に対応します。プロセス用遠心ポンプの約88%がシングルシールを使用しており、ほとんどの用途で有効に機能することが示されています。.
ダブルメカニカルシールはいつ使用すべきか？
シングルシールでは十分な安全性、環境保護、または信頼性を提供できない場合、ダブルシールが必要となります。.
流体特性や規制要件がゼロエミッションを要求する場合、シール故障が重大な安全ハザードを生む場合、またはプロセス流体がシール面を損傷する場合には、追加コストと複雑さが正当化されます。.
どのような用途がダブルシールを必要とするか？
以下の状況では通常、ダブルシール構成が必要です：
- 有毒または有害な化学物質 – アンモニア、塩素、硫化水素など大気中に漏洩が許容されない材料
- 揮発性有機化合物（VOC） – 規制によりゼロエミッションシールが義務付けられる場合が多い
- 可燃性液体 – 防火安全上、潜在的な点火源を封じ込める必要があるため
- 高価な製品 – 医薬品成分や特殊化学品など、微量の損失も問題となる場合
- 研磨性スラリー – バッファ流体によりシール面を粒子損傷から保護
- 重合性流体 – 固化または堆積物を生成する材料にはバリア流体洗浄が必要
- 高温用途 – バリア循環による外部冷却でシール寿命を延長
有害物質を扱うプロセスユニット全体でダブルシールを標準化しているプラントを担当した経験があります。一貫性により訓練や保守手順が簡素化されます。.
どのような安全・規制要因がダブルシールを要求しますか？
規制がダブルシール要件を推進する傾向が強まっています。API 682規格第4版では、シール構成を推奨する際に国連GHS（化学品の分類および表示に関する世界調和システム）分類を用いた流体毒性の考慮が追加されました。.
以下の場合にダブルシールを検討してください：
- 排出規制が適用される場合 – EPA、OSHA、または地域の大気質規制により封じ込めが義務付けられる可能性
- 作業員の安全が最優先される場合 – プロセス化学品への曝露限界により二次封じ込めが必要
- プロセス汚染リスクが存在する場合 – 医薬品・食品産業では大気汚染物質の製品混入は許容されない
- 保険要件で指定されている場合 – 特定の化学物質用途についてダブルシールを要求する保険業者あり
- 企業基準により義務付けられています – 多くの企業では規制よりも厳格な内部ポリシーを設けています
ダブルシールは監視可能な漏洩経路を提供します。一次シールが故障し始めると、プロセス流体が大気に達する前にバリア流体またはバッファ流体に汚染が検出されます。この早期警告は貴重です。.
主要性能分野におけるシングルシールとダブルシールの比較
シングルシールとダブルシールの選択は、コスト、信頼性、複雑さのトレードオフを伴います。これらの違いを理解することで、適切な判断が可能になります。.
コスト比較：初期費用と長期的費用
シングルシールは初期コストが低いですが、過酷な用途では長期的にコストが高くなる可能性があります。.
| コスト要因 | シングルシール | ダブルシール |
|---|---|---|
| 初期購入費 | 低い（$200-2,000が典型的） | 高い（$1,000-10,000以上） |
| サポートシステム | 簡素なフラッシュ配管 | リザーバー、配管、計装機器 |
| 設置工数 | 1-2時間が典型的 | 2-4時間が典型的 |
| スペアパーツ在庫 | 最小限 | より多くの在庫が必要 |
| バリア/バッファ流体 | 不要 | 継続的な消耗品コスト |
故障による影響を考慮すると、全体コストは変化します。有害流体用シングルシールの故障は、清掃費用、罰金、生産損失で数万単位のコストを生む可能性があります。ダブルシールはこれらの状況を防止します。.
過酷な用途では、ダブルシールで3年以上の平均修理間隔を達成しているプラントでは、シングルシールを毎年交換する場合よりも所有総コストが低くなる傾向があります。.
信頼性と保守要件
ダブルシールは過酷な環境でより高い信頼性を提供しますが、より多くの注意を必要とします。.
シングルシールは保守がより簡素です。故障時には交換が容易です。欠点は、故障が即時の漏洩を意味することが多く、警告も予備機能もないことです。.
ダブルシールは定期的な監視が必要です。バリア流体またはバッファ流体のレベル確認、シール摩耗を示す圧力変化の監視、補助機器の維持管理が必要です。この継続的な注意により、問題を早期に発見できます。.
設置の複雑さ
シングルシールは基本手順に従えば迅速に設置できます。清潔な表面、適切な位置合わせ、正確な設定高さが主な注意点です。.
ダブルシールはより慎重な作業を必要とします。2倍の精密部品を設置し、補助システムを接続し、適切なベンティングを確保する必要があります。バリア流体システムは起動前に試運転が必要です。.
結論
シングルシールとダブルメカニカルシールの選択は、流体の危険性レベル、運転条件、および総所有コストの3要素に帰着します。.
標準的な運転条件での非有害流体にはシングルシールを使用します。より簡素で安価であり、産業用ポンプ用途の大部分を問題なく対応できます。.
有害物質を扱う場合、規制でゼロエミッションが要求される場合、またはプロセス流体がシール面を適切に潤滑できない場合は、ダブルシールに切り替えてください。追加コストは安全性、規制遵守、シール問題の早期警告をもたらします。.
