ヒートチェックは次のような場合に発生します メカニカルシール 極端な温度変化と熱応力により、シール面は放射状にひび割れます。これらのひび割れは、中心から外側へと広がる車輪のスポークのように見え、最終的にはシールの早期故障を引き起こします。
メカニカルシールは、回転軸がポンプケーシングを通過する際に流体の漏れを防ぎます。非常に滑らかな2つの面を互いに押し付けることで機能します。片面は軸と共に回転し、もう片面は固定されています。この2つの面の間には、微細な流体膜が形成され、潤滑と冷却の役割を果たします。
この保護液膜が消えたり、温度が急上昇したりすると、 シール面 膨張と収縮の速度が異なります。炭化タングステンやセラミックなどの硬い材料は、こうした急激な温度変化に耐えられず、応力によって割れてしまいます。
シール面における熱応力の発生メカニズム
シール面が不均一に加熱され、その後急速に冷却されると、熱応力が蓄積されます。面材全体の温度差によって内部力が生じ、最終的には材料の許容範囲を超えてしまいます。
- 摩擦熱適切な潤滑がない状態でシール面が擦れ合うと、接触部で摩擦により高熱が発生します。バネ力と油圧により、接触部は更に熱くなります。シール面間に十分な油膜がない場合、数秒で数百度まで温度が急上昇する可能性があります。
- 粘性せん断と流体力学高速回転と高粘度流体の組み合わせにより、薄膜に非常に大きなせん断力が生じます。このせん断作用により、まるで手をこすり合わせた時のような熱が発生します。圧力と速度が過度に高くなると、流体膜が実際に加熱され、シール面が円錐状に変形します。
- 膨張差：異なる 印章の一部 加熱されると、面の膨張率が異なります。シャフト付近の内径は外縁よりもはるかに高温になります。タングステンカーバイドなどの材料は剛性は高いものの耐熱衝撃性が低いため、この差に対応して曲がることができず、ひび割れが発生します。
- 熱衝撃最も損傷が深刻なシナリオは、高温のシール面が突然冷たい液体に触れた時に発生します。熱いガラス皿を冷水に落とした時のことを想像してみてください。割れてしまいます。シール面が高温で乾燥している状態から、突然冷たい液体に浸かると、同じことが起こります。急激な収縮によって引張応力が生じ、特徴的な放射状の亀裂パターンが形成されます。
ヒートチェックの原因と動作条件
いくつかの動作条件がヒートチェックを引き起こす可能性がありますが、それらにはすべて共通点があります。それは、 シール材 扱えない。
空運転と潤滑油の損失
空運転は、面間の冷却および潤滑流体の膜がなくなるため、ヒートチェックの最大の原因となります。
- 流動膜の欠如ポンプを液体のない状態で始動させたり、フラッシュフローが途切れたりすると、シール面が金属同士で擦れ合います。熱を逃がす液体がないと、数秒のうちに温度が急上昇します。ようやく液体が戻ると、熱衝撃によって高温のシール面に瞬時に亀裂が生じます。
- 不十分な潤滑高粘度の流体や不適切なバリア流体は、面間をスムーズに流れません。低温下では流体が粘度を増し、保護膜を維持できなくなる場合があります。面が完全に乾燥していない場合でも、過熱を防ぐのに十分な潤滑が行われていません。
- 蒸発またはフラッシュによる空運転液体の沸点に近すぎる温度で運転すると、シール面において液体が瞬間的に蒸気に変化します。シール面は突然液膜を失い、乾燥状態になります。これは、温水用途やポンプのキャビテーション発生時に頻繁に発生し、局所的に低圧領域が生じて液体が蒸気に変化します。
冷却不良と高温
潤滑が適切であっても、冷却が不十分だと熱が蓄積され、シール面が割れてしまいます。
- 冷却/フラッシュフローが不十分: フラッシュラインの詰まり、熱交換器のスケール付着、またはポンプの故障 シールサポートシステム 適切な冷却を妨げます。表面で発生した熱は逃げ場がなく、温度は上昇し続け、熱応力が材料の強度を超え、ひび割れが発生します。
- 製品温度が高い高温の油、蒸気凝縮液、その他の高温流体をポンプで送る場合、シールは常に熱にさらされます。シール面は最高定格温度に近い温度で動作します。摩擦やプロセス異常による熱がさらに加わると、シールは限界温度を超えて熱割れを起こします。
- サーマルサイクリング: 熱と冷の繰り返しはシール材を疲労させます。最初に高温の製品を使用し、次に冷水で洗い流すと、大きな温度変化が生じます。この繰り返しにより、シール材は弱まり、最終的には亀裂が生じます。まるでペーパークリップを何度も曲げて切れるような状態です。
高圧および速度（PV）限界
すべてのシール材には、最大PV定格（処理可能な圧力と表面速度の積）があります。この限界を超えると、摩擦によって過剰な熱が発生します。
200,000psi-ft/minを超える運転では、面温度と摩耗率が劇的に上昇します。高速と高圧の組み合わせにより、流体膜が消散できる以上の摩擦が発生します。面は徐々に加熱され、最終的には熱割れが発生します。
キャビテーション
キャビテーションは激しい気泡の崩壊を引き起こし、シール面に局所的な高温部を生成します。流体圧力が蒸気圧以下に低下すると、気泡が発生し、シール面に衝突して破裂します。
これらの爆縮により、極度の熱と圧力にさらされた微細な領域が形成されます。毎秒数千回の気泡崩壊による熱応力の繰り返しにより、最終的にヒートチェックの特徴である放射状の亀裂パターンが形成されます。
キャビテーションは振動も引き起こし、面間の流体膜を破壊します。これにより断続的な空運転状態が発生し、熱応力の問題がさらに悪化します。
空気の巻き込みと圧力の急上昇
エアポケットと圧力の急上昇は、シールが適切に作動するために必要な安定した状態を阻害します。スタッフィングボックス内に閉じ込められた空気は、潤滑されていない状態で面が接触する部分に乾燥した部分を作り出します。
起動時やプロセスの乱れによる圧力上昇は、シール面への負荷を急激に増加させます。この余分な圧力によって流体膜が押し出され、瞬間的な金属同士の接触と急速な加熱を引き起こします。
エアポケットと圧力変動の組み合わせにより、予期せぬ高温箇所が発生し、シール面に負荷がかかります。時間の経過とともに、こうした熱衝撃が繰り返され、ヒートチェックの特徴的な放射状の亀裂が発生します。
よくあるご質問
熱検査済みのシールは修理できますか?
いいえ、加熱検査済みのシール面は修理できず、交換する必要があります。亀裂はシールの適切な流体膜維持能力を損ない、嵌合面に進行性の損傷を引き起こします。
ヒートチェックはどのくらい早く起こりますか?
ヒートチェックは、過酷なドライ運転では数秒で発生する場合もあれば、限界条件下では数時間で発生する場合もあります。発生速度は、極端な温度変化とシール面の加熱・冷却速度によって異なります。
熱割れに対して最も耐性のあるシール材料は何ですか?
炭化ケイ素は優れた熱伝導性により、一般的に耐ヒートチェック性が最も優れています。また、カーボングラファイト材料は、硬質セラミックよりも熱衝撃に強いため、優れた性能を発揮します。
ポンプシールのヒートチェックを防ぐにはどうすればよいですか?
適切なフラッシュフローを確保し、ポンプを空運転にしないこと、適切な流体温度を維持すること、そしてシールのPV制限内で運転することを徹底してください。温度モニターと自動シャットダウンシステムを設置することで、ヒートチェックを引き起こす可能性のある状況に対する保護をさらに強化できます。
