ドライランニング メカニカルシール 従来の材料では数分で破壊されてしまうような過酷な条件に晒されます。これらのシールは、潤滑剤をほとんど、あるいは全く使用せずに動作する必要があるため、激しい摩擦と400℃を超える熱が発生します。適切な材料の選択が、シールの寿命を何年も延ばすか、あるいは壊滅的な故障を引き起こすかを左右します。
2つの重要な部品には特別な材料が必要です。 シール面 (一次シールを作成する) と二次シール (アセンブリの周囲の漏れを防ぐ O リングとガスケット)。
シール面材質
カーボングラファイト
カーボングラファイトは、自ら潤滑作用を発揮するため、ドライランニングシールの主力材料です。グラファイト構造は分子層に沿って自然にせん断され、作動中に反対側の面に微細な潤滑膜を形成します。この自己潤滑作用により、シールは金属同士の接触ではなく、実質的にグラファイト同士の界面で作動します。
- 純粋な炭素グラファイト シール材として効果的に機能させるには、強化が必要です。メーカーは、多孔質カーボンに樹脂、金属、または特殊な添加剤を含浸させることで、強度と耐熱性を高めています。樹脂含浸カーボンは最高250℃までの温度に耐え、ほとんどの化学薬品にも耐性があるため、一般的な用途では標準的な選択肢となっています。
- 金属含浸カーボン通常はアンチモンが充填されており、過酷な条件下でも優れた性能を発揮します。アンチモン充填により熱伝導性が向上し、シールの損傷につながる熱を放散します。これらのグレードは、潤滑特性を維持しながら370℃で連続運転が可能です。
炭化ケイ素（SiC）
炭化ケイ素は、ドライランニング用途のハードシール面のゴールドスタンダードとなっています。その極めて高い硬度（ダイヤモンドに次ぐ）と優れた熱伝導性により、他のセラミックスが割れる可能性のある条件にも耐えることができます。炭化ケイ素は、摩擦部からの熱伝導率がアルミナの5倍も優れているため、摩耗の原因となるホットスポットの発生を防ぎます。 シール不良.
シール アプリケーションでは、主に 2 つのタイプがさまざまなニーズに対応します。
- 反応結合SiC 8～12%の遊離シリコンが含まれており、耐薬品性は pH 4～11 に制限されますが、優れた耐摩耗性を備えています。
- 直接焼結SiC ほぼ 100% の純度を備え、優れた強度を維持しながらほぼすべての化学物質に耐えます。
この素材の主な弱点は脆さで、急激な温度変化により壊滅的な亀裂が生じる可能性があります。
エンジニアは理想的な組み合わせを実現するために、SiCとカーボングラファイト面を組み合わせることがよくあります。カーボンは潤滑性を提供し、SiCは硬く熱伝導性に優れた表面で摩耗に強く、熱を効果的に放散します。
炭化タングステン (WC)
炭化タングステン（WC）は、炭化ケイ素（SiC）では割れやすいシール面に機械的強度をもたらします。WCは、コバルトまたはニッケルバインダーで固められた炭化タングステン粒子で構成されており、あらゆるセラミックよりも振動や機械的衝撃に優れた耐性を備えています。この強度により、キャビテーションや断続運転が発生するポンプにおいて優れた性能を発揮します。
この素材は自己潤滑性がないため、ハードオンハードのドライ走行には適していません。タングステンカーバイドの面は、破壊的な摩擦やかじりを防ぐため、常にカーボングラファイトと接触する必要があります。適切な組み合わせであっても、WCはカーボンとの摩擦係数が高いため、SiCよりも多くの熱を発生します。
WCは、油潤滑用途やその強靭性が価値を発揮する中程度の条件下では依然として人気があります。一方、完全に乾燥した用途や高温の用途では、WCはシリコンカーバイドに大きく置き換えられています。
エラストマーOリング材料
エチレンプロピレンジエンモノマー（EPDM）
EPDMは温水および蒸気用途に優れ、150℃まで柔軟性を維持し、短時間では180℃まで上昇します。飽和ポリマー骨格はオゾンやニトリルを劣化させる風化作用にも耐性があり、屋外設置に適しています。特に、蒸気焼入れシールや苛性ソーダ処理においては、EPDMの耐薬品性が大きなメリットとなります。
この素材の重大な弱点は、石油製品との非相溶性です。EPDMは油や炭化水素溶剤中で著しく膨潤するため、油潤滑の機器には適していません。組立用潤滑剤も、石油系ではなくシリコーン系を使用する必要があります。
フッ素カーボン（FKM、例：Viton®）
FKMエラストマーは、200℃の連続使用温度と幅広い耐薬品性を兼ね備え、要求の厳しいシール用途における業界標準となっています。Viton Oリングは、油、燃料、酸、そしてほとんどの溶剤に耐え、他のゴムが破壊されるような温度でもシールの完全性を維持します。低いガス透過性により、FKMは真空シールやガスシール用途に最適です。
しかし、この材料は熱水、蒸気、強塩基にさらされると急速に劣化し、劣化が進行します。アミンや特定の極性溶媒も、標準的なFKMグレードを侵します。
ほとんどのドライランニングシールでは、FKM Oリングがデフォルトで指定されています。耐熱性と耐薬品性を兼ね備えているため、ほとんどの産業用途に対応し、基本的なエラストマーよりも適度なコストアップを正当化します。
AFLAS（TFE/Pコポリマー）
AFLASは、FKMが機能しない、特に蒸気やアミンへの耐性において、そのギャップを埋めます。このテトラフルオロエチレン-プロピレン共重合体は、200℃でも安定性を維持しながら、Vitonを破壊する塩基や蒸気にも耐性があります。石油・ガス用途では、特に酸性ガスやアンモニアへの耐性においてAFLASが評価されています。
この材料はFKMに比べて耐炭化水素性が若干劣ります。芳香族溶剤や塩素化合物はAFLASの膨潤を増大させるため、一部の化学プロセスでは使用が制限されます。
高圧蒸気やアミン腐食防止剤にさらされる製油所のシールには、AFLASがしばしば使用されます。この材料は標準的なFKMよりも高価ですが、パーフルオロエラストマーよりも安価であるため、特定の化学的課題に対して費用対効果の高いソリューションを提供します。
パーフルオロエラストマー (FFKM、例: Kalrez®)
パーフルオロエラストマーは、エラストマー技術の最高峰であり、最高280℃（特殊グレードは330℃）までの連続使用に耐え、ほぼあらゆる化学物質に耐性があります。FFKMは、PTFEの化学的不活性さと真のゴム弾性を兼ね備え、他のエラストマーが炭化する温度でもシール力を維持します。
この素材の並外れた特性には並外れたコストが伴い、FKMの10～50倍も高価になる場合も少なくありません。機械特性は標準的なエラストマーに比べて若干劣るため、設置時には慎重な取り扱いが必要です。
FFKMは、他に類を見ない耐薬品性を備えた素材として不可欠です。高温塩素コンプレッサー、過酷な真空プロセス、半導体製造など、あらゆる場面でFFKM独自の耐熱性と耐薬品性の組み合わせが求められます。
非エラストマー二次シール
PTFE Oリング / カプセル化Oリング
PTFEは汎用的な耐薬品性を備え、232℃で連続運転できますが、 ダイナミックシーリング純PTFE製Oリングは、機械的に圧縮される静的用途でのみ使用できます。この材料は負荷がかかるとコールドフローを起こす傾向があるため、シール性能が徐々に低下します。
カプセル型Oリングは、ゴムコアをPTFEシースで包むことで、弾性の問題を解決します。この設計により、接液面の耐薬品性を確保しながら、弾性回復力を維持します。PTFEジャケットは、露出したエラストマーを破壊する可能性のある強力な化学物質からコアを保護します。
これらのハイブリッドシールは、極めて腐食性の高い用途において重要な役割を果たします。発煙酸、強力な酸化剤、高温酸素処理など、エラストマーの選択肢が尽きた場合でも、PTFEの不活性特性は大きなメリットをもたらします。
フレキシブルグラファイト（グラファイトフォイル）
柔軟なグラファイトは、あらゆる有機材料を破壊するような極端な温度（空気中では最大455℃、不活性雰囲気下では1000℃以上）にも耐えます。純粋な炭素組成のため、高温下でも強力な酸化剤を除き、ほぼ全ての化学物質に対して耐性があります。この材料の層状構造はある程度の自己潤滑性を備えており、ドライランニング条件において有利です。
グラファイトは弾性が全くないため、機械的な圧縮が必要となる。 シールを維持する 脆いシートは取り扱い中に割れやすく、適切なサポートがないと高圧下では押し出される可能性があります。設置には経験豊富な技術者と特殊な溝設計が必要です。
250℃を超える高温メカニカルシールでは、二次シールに必ず柔軟性のあるグラファイトが使用されます。API 682カテゴリーIIIシールでは、エラストマーが炭化してしまう場合にグラファイトの使用が規定されています。発電所や製油所では、ボイラー給水ポンプや高温油供給においてグラファイトの耐熱性に頼っています。
メタルベローズ
金属 ベローズ ダイナミックOリングを完全に排除し、溶接された金属の渦巻き構造を採用することで、バネ力とシール性の両方を実現しています。このオールメタル構造は、ソフトシールを破壊するような極端な温度や強力な化学物質にも耐えます。ベローズは軸方向に柔軟に変形しながら気密性を維持し、乾燥環境下におけるダイナミックOリングのスティックスリップ問題を回避します。
よくあるご質問
完全にドライな状態での運転に最適なシール面の組み合わせは何ですか?
カーボングラファイトと炭化ケイ素（SiC）の摩擦は、乾燥条件に最適な組み合わせです。カーボンが潤滑膜を形成し、SiCが効果的に熱を放散するため、液体潤滑なしで連続運転が可能です。
ドライランニングシールはどのくらいの温度で動作できますか?
標準的な炭素/SiCの組み合わせは370°Cまで動作しますが、グラファイトを充填したSiCやダイヤモンドコーティングなどの特殊な材料は400°Cを超えることもあります。 シール材 通常、最高温度は制限され、FFKM エラストマーは 330°C に達し、柔軟なグラファイトは 450°C を超えても耐えます。
空運転シールで O リングが故障するのはなぜですか?
Oリングは、摩擦熱が定格温度を超えると熱劣化により機能しなくなります。標準的なニトリルは120℃を超えると硬化しますが、高性能FKMエラストマーであっても、適切な熱管理を行わないと230℃を超えると炭化します。
2 つの硬い面を一緒に乾いた状態に保つことはできますか?
SiC-on-SiCのような従来の硬質面の組み合わせは、潤滑剤なしでは極度の摩擦によりすぐに劣化します。グラファイト添加炭化ケイ素は、セラミックマトリックス内に潤滑性グラファイト粒子を組み込むことで、硬質面同士の組み合わせを可能にします。
時々空運転する場合に最も経済的な材料の組み合わせは何ですか?
樹脂含浸カーボンと反応結合シリコンカーバイド、そしてFKM Oリングを組み合わせることで、適度なコストで優れたドライランニング耐性を実現します。この組み合わせにより、高価な材料を使用することなく、ほとんどの産業用途における断続的なドライランニング条件にも対応できます。
