高温用メカニカルシールの選び方

高温用メカニカルシールとは

高温用メカニカル シールは、極度の高温条件で作動する回転機器にとって重要なコンポーネントです。これらの特殊なシールは、シール効果を維持し、漏れを防ぎ、信頼性の高い動作を確保しながら高温に耐えられるように設計されています。高温用メカニカル シールは、石油・ガス、化学処理、発電、航空宇宙など、さまざまな業界で使用されています。

高温メカニカルシールは、高温環境特有の課題に対処するために設計されています。熱膨張、材料の劣化、流体の蒸発、シール部品の潜在的なコーキングや汚れに対処する必要があります。これらの問題に対処するために、高温シールには、極度の熱に耐えて寸法安定性を維持できるバランスの取れたシール面、フローティング部品、高度な材料の組み合わせなどの機能が組み込まれています。

高温環境におけるメカニカルシールの課題

材料の劣化

温度が上昇すると、シール材が劣化し、機械的特性が失われ、早期に故障する可能性があります。ポリマー、エラストマー、さらには金属も、高温で軟化、脆化、または化学変化を起こし、シール性能が損なわれる可能性があります。

熱膨張と機械的変形

温度の変動や勾配により、シール部品と隣接する機器の間で熱膨張差が生じる可能性があります。その結果、機械的な変形、シール接触の喪失、漏れ経路が発生する可能性があります。

液体の蒸発と空運転

高温の流体は、特にシール界面で蒸発しやすくなります。蒸発により、ドライランニング状態、摩耗の増加、シールの故障につながる可能性があります。安定した流体膜を維持することは、シールの潤滑と熱放散にとって重要です。

シール部品のコーキングと汚れ

炭化水素などの特定の高温流体は、コーキングを起こしたり、シール面やコンポーネントに堆積物を残すことがあります。コーキングや汚れはシール界面を破壊し、摩耗を引き起こし、シール性能を低下させます。

高温用途向けメカニカルシールを選択する際の重要な要素

プロセス流体の特性

プロセス流体の特性は、高温サービスに適したメカニカルシールを決定する上で重要な役割を果たします。重要な考慮事項には、流体の化学組成、粘度、高温での相変化の可能性などがあります。

たとえば、蒸気圧の高い流体の場合、蒸発を防ぎ、シール界面に液体を保持するために特殊なシール設計が必要になることがあります。また、腐食性または攻撃性のある流体の場合は、早期の故障を防ぐために、化学的に耐性のあるシール面材料とエラストマーの使用が必要になることがあります。

シール材の温度限界

高温環境ではシール材が限界に達する可能性があるため、予想される動作条件に耐えられるコンポーネントを選択することが不可欠です。シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、カーボングラファイトなどのシール面材料の最大温度定格は、必要な動作温度でその完全性と摩擦特性を維持できるように慎重に評価する必要があります。

同様に、FKM、FFKM、PTFE などの二次シールに使用されるエラストマーは、温度安定性と高温条件下でのシール特性の維持能力に基づいて選択する必要があります。

シール設計の圧力能力

メカニカルシールの圧力定格は、高温用途におけるもう 1 つの重要な要素です。シールの設計は、シールインターフェースの完全性を損なうことなく、また過度の漏れを許容することなく、予想される動作圧力に耐えることができなければなりません。

高圧、高温のサービスでは、追加のシール冗長性を提供し、圧力能力を高めるために、背中合わせのシール配置やタンデム シール配置がよく使用されます。圧縮強度の高いシール面材料を選択し、堅牢なシール ハウジング設計を使用すると、厳しい高温環境におけるメカニカル シールの圧力性能をさらに向上させることができます。

シャフト速度と機器のダイナミクス

装置の回転速度とそれに伴うシャフトのダイナミクスは、高温アプリケーションにおけるメカニカルシールの性能に大きく影響する可能性があります。シャフト速度が速いと、摩擦によりシール界面で熱が増加し、摩耗が加速し、シール部品の熱変形が発生する可能性があります。

これらの問題を軽減するには、螺旋状の溝やレーザー刻印された表面パターンなどの潤滑機能を強化したシール設計を採用して、熱放散を改善し、シール面間の流体膜を安定させます。さらに、柔軟なグラファイトまたは Grafoil 二次シールを使用すると、シャフトのずれに対応し、高温サービスでのシール性能に対する機器のダイナミクスの影響を最小限に抑えることができます。

高温用途向けメカニカルシールの種類と配置

バック・トゥ・バック・アレンジメント

背中合わせのシール配置では、2 つのメカニカル シールが、バック プレートが互いに向き合うように取り付けられます。この構成により、冷却液またはバリア液がシール間を循環し、熱放散を効果的に管理できます。

バックツーバックシールは、プロセス流体が特に高温の場合や、コンポーネントの熱膨張が懸念される高温アプリケーションに最適です。バリア流体は、シール面の安定した環境を維持し、材料の劣化を防ぎ、最適なパフォーマンスを確保するのに役立ちます。

対面での手配

対面シール配置は、シール面が互いに向き合うように取り付けられた 2 つのメカニカル シールを特徴としています。この設定は、プロセス流体がクリーンで、シール コンポーネントが詰まったり汚れたりするリスクがない高温アプリケーションに適しています。

面対面シールでは、冷却液が両方の面に直接接触するため、シール面を通じた効率的な熱放散が可能になります。この配置は、シール面の適切な冷却と潤滑を確保するために、適切な配管計画と組み合わせて使用されることがよくあります。

タンデム配置

タンデム シール配置は、2 つのメカニカル シールを直列に取り付け、その間にバッファー フルイドを配置したものです。この構成は、漏れに対する保護レベルをさらに高め、プロセス フルイドが危険であったり、環境に敏感であったりする高温アプリケーションでよく使用されます。

バッファ流体は、シール面を潤滑および冷却するとともに、プロセス流体と大気の間のバリアとして機能します。バッファ流体は高温でも液体状態を維持するため、タンデムシールは流体の蒸発や空運転の防止に特に効果的です。

高温メカニカルシールの材料選定ガイド

表面素材:

• シリコンカーバイド: 高い熱伝導性、耐摩耗性、化学適合性、耐熱衝撃性。最高 1800°F (982°C) までの温度に適しています。
• タングステンカーバイド: 耐摩耗性に優れ、研磨環境に最適です。
• カーボングラファイト: 自己潤滑性があり、熱的に安定しており、乾燥運転条件および 1000°F (538°C) までの温度に適しています。

エラストマー:

• フルオロエラストマー (FKM): 最高 400°F (204°C) までの温度に適しており、優れた耐薬品性を備えています。
• パーフルオロエラストマー (FFKM): 最高 600°F (316°C) までの温度に耐えることができ、優れた耐薬品性を備えています。
• ポリテトラフルオロエチレン (PTFE): 優れた熱安定性、低摩擦、化学的不活性。最高 500°F (260°C) までの温度に適しています。

冶金：

• ステンレス鋼 (例: 316L、17-4PH): 強度、耐久性、高温での酸化に対する耐性。
• ハステロイおよびインコネル合金: 優れた耐腐食性と高温性能。過酷な化学環境や 1000°F (538°C) を超える温度に最適です。

二次シール:

• フレキシブルグラファイト: 優れた密閉性、熱伝導性、耐薬品性。最高 1200°F (649°C) までの温度に適しています。
• Grafoil: 柔軟なグラファイトと同様の特性を持ち、最高 850°F (454°C) の温度に耐えることができます。

高温用メカニカルシールサポートシステム

バリアおよびバッファ流体システム

バリア流体システムは、シール面の間に適合性のある液体を導入し、プロセス流体と大気の間に物理的なバリアを作成します。このバリア流体はプロセス流体よりも高い圧力に維持され、プロセス流体がシール面に到達するのを防ぎます。

対照的に、バッファ流体システムでは、プロセス流体とシール材料の両方に適合する流体を使用しますが、プロセス流体よりも低い圧力です。バッファ流体はシール面の冷却と潤滑に役立ち、熱の発生を抑えてシールの寿命を延ばします。

配管計画

配管計画は、高温サービスを含むさまざまな用途でメカニカル シールをサポートする補助機器と配管の標準化された配置です。これらの計画は、アメリカ石油協会 (API) 規格 682 に従って番号で指定されます。高温メカニカル シールの一般的な配管計画には、次のものがあります。

• プラン 23: このプランでは、熱交換器を使用して、ポンプ リングまたは外部ポンプによって循環されるバリア流体を冷却します。冷却されたバリア流体は、シール面の温度を安定させるのに役立ちます。
• プラン 52: この配置では、外部リザーバーがスロットル ブッシングを介してシール チャンバーにバッファ液を供給します。バッファ液はシール面の冷却と潤滑に役立ち、スロットル ブッシングは流量を制御して必要な圧力差を維持します。
• プラン 53A: このプランはプラン 52 と 23 の機能を組み合わせたもので、加圧された外部リザーバーを使用してシール チャンバーにバリア流体を供給し、熱交換器を使用して循環流体を冷却します。
• プラン 54: プラン 53A と同様に、このプランでは外部加圧リザーバーと熱交換器を使用しますが、バリア流体の流れを制御し、圧力差を維持するためのクリアランスが狭いスロットル ブッシングも含まれています。