メカニカルシール材料選定ガイド

メカニカル シールに適した材料を選択するのは、困難な作業です。 利用できるオプションや考慮すべき重要な要素が非常に多いため、誤った選択をすると、シールの早期故障、コストのかかるダウンタイム、安全上の問題につながる可能性があります。

このブログ記事では、メカニカル シールに最適な材料を選択するプロセスをわかりやすく説明します。一般的に使用される表面シールと二次シールの材料について説明し、流体の適合性、温度と圧力の定格、機械的特性など、評価する重要な要素について説明します。

メカニカルシールによく使用される材料

シール面材質

シール面はメカニカルシールの心臓部であり、厳しい動作条件下であっても密閉されたシール面を維持する役割を果たします。以下の材料は、その独自の特性により、シール面によく使用されます。

1. 炭素: カーボングラファイトは、自己潤滑性、優れた熱伝導性、および合わせ面の小さな欠陥に適合する能力があるため、シール面の材料としてよく使用されます。水や低圧の用途でよく使用されますが、高温や酸化性の高い環境では酸化する可能性があります。
2. シリコンカーバイド: シリコンカーバイドは、非常に硬く、耐摩耗性に優れたセラミック材料で、優れた耐薬品性と寸法安定性を備えています。高温、高圧、腐食性媒体を伴う厳しい用途でよく使用されます。シリコンカーバイドは焼結または反応結合することができ、後者は耐熱衝撃性が向上します。
3. タングステンカーバイド: タングステンは、高密度で耐摩耗性に優れ、熱伝導率の高い材料です。高圧、高温の用途でよく使用され、研磨媒体にも耐えることができます。ただし、タングステンは急激な温度変化によって熱割れを起こしやすい場合があります。
4. セラミック: アルミナやジルコニアなどの先進セラミックは、優れた耐摩耗性、化学的不活性、高温安定性を備えています。これらのセラミックは、攻撃的な流体を扱う高圧ポンプやコンプレッサーなど、厳しい使用条件で使用されることが増えています。ただし、セラミックは脆く、熱衝撃の影響を受けやすい場合があります。
5. ガラス充填PTFE: ガラス繊維入り PTFE (ポリテトラフルオロエチレン) は、PTFE の低摩擦性と耐薬品性と、ガラス繊維による優れた耐摩耗性と寸法安定性を兼ね備えた複合材料です。低摩擦が必須となる低圧で化学的に侵食性の高い環境でよく使用されます。

二次シール材（エラストマー）

二次シール（通常はOリングまたはガスケット）は、シール面とハウジングの間の静的シールの役割を担っています。 漏れを防ぐ シーリング システムの完全性を維持します。二次シールに使用される一般的なエラストマー材料には、次のものがあります。

1. ブナ（ニトリル）ブナ、またはニトリルゴムは、オイル、燃料、油圧油に対する耐性に優れた汎用エラストマーです。動作温度範囲が広く、耐摩耗性に優れています。ただし、極性溶剤、ケトン、芳香族炭化水素との使用は推奨されません。
2. EPDM: エチレンプロピレンジエンモノマー (EPDM) は、耐熱性、耐オゾン性、耐候性に優れた、多用途でコスト効率の高いエラストマーです。水、蒸気、中性化学物質を扱う用途でよく使用されます。ただし、EPDM は油や石油系流体とは互換性がありません。
3. バイトン: バイトン (フルオロエラストマー) は、優れた耐薬品性と高温安定性を備えた高性能合成ゴムです。攻撃的な化学環境でよく使用され、最高 200°C (400°F) の温度に耐えることができます。ただし、バイトンは比較的高価で、摩擦の大きい動的用途には適さない場合があります。

メカニカルシールに使用されるさまざまな材料の特性

メカニカルシールの材料を選択する際に考慮すべき要素

流体適合性

流体の化学組成、pH レベル、および潜在的な汚染物質は、シール材の耐久性と機能性に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、水に対して良好な性能を発揮するシール材は、炭化水素ベースの流体にさらされると急速に劣化する可能性があります。したがって、過度の腐食、膨張、または劣化を起こさずに流体の特定の化学的特性に耐えられる材料を選択することが重要です。

温度範囲

材料によって温度許容範囲は異なるため、想定される温度範囲全体で特性と性能を維持できる材料を選択することが重要です。高温用途では、耐熱性と熱安定性に優れたタングステン カーバイド、シリコン カーバイド、特定のエンジニアリング セラミックなどの材料が好まれることが多いです。逆に、低温環境では、カーボンや特定のエラストマーなどの材料の方が適している場合があります。

圧力条件

高圧環境では、シール面に作用する増大した力に耐えるために、優れた機械的強度と寸法安定性を備えた材料が必要です。このような場合、厳しい圧力条件下で安定した耐摩耗性シールインターフェースを維持できるシリコンカーバイド、タングステンカーバイド、セラミックなどのより硬く、より弾力性のある材料が選択されることがよくあります。

機械的強度

シール材の機械的強度は、特に高回転速度、頻繁な始動停止サイクル、または振動や衝撃にさらされる用途では重要な考慮事項です。硬度、破壊靭性、曲げ強度が高い材料は、ひび割れ、欠け、早期摩耗を起こさずにこれらの機械的ストレスに対処するのに適しています。特にシール面は、シールの動作寿命全体にわたって安定した正確なシールインターフェースを維持するために十分な機械的強度を備えている必要があります。

耐摩耗性

流体に研磨粒子や汚染物質が含まれる用途では、シール材料の耐摩耗性が最も重要です。摩耗によりシール面が急速に侵食され、漏れが増加し、シール寿命が短くなります。タングステン カーバイド、シリコン カーバイド、特定のセラミックなど、硬度と耐摩耗性に優れた材料は、研磨粒子の削り取り作用に耐えられるため、好まれます。硬い表面材料を、より柔らかく、より弾力性のある二次シールと組み合わせて使用すると、摩耗がシールの全体的な性能に与える影響を最小限に抑えることができます。

動作速度

装置の回転速度も材料の選択に影響します。高速運転ではかなりの熱が発生し、機械にかかるストレスが増大する可能性があるためです。 シール部品高速用途では、シリコンカーバイドやタングステンカーバイドなど、優れた放熱特性と熱変形耐性を備えた材料が選ばれることが多いです。さらに、シール面に溝や羽根などの流体力学的特徴を使用すると、面間に薄い流体膜を生成し、高速時の摩擦と熱発生を減らすことができます。

環境規制

アスベストや鉛などの特定の材料は、健康や環境に対する潜在的なリスクがあるため、現在多くの用途で制限または禁止されています。シール材料は、特定の業界や地域での使用に適していることを保証するために、REACH、RoHS、BSEA などの関連規制に準拠する必要があります。

シャフトサイズ

シャフトが大きい場合、表面積の増加や位置ずれやたわみの可能性に対処するために、より堅牢なシール材が必要になることがあります。また、シャフトの表面仕上げと状態によって、適合するシール材の選択が左右されることがあります。シャフトの表面が粗かったり損傷していたりする場合は、摩耗の増加を補い、効果的なシールを維持するために、より硬く耐摩耗性の高い表面材を使用する必要がある場合があります。

機器タイプ

ポンプ、ミキサー、コンプレッサーなどのさまざまな機器の種類には、動作条件、設計機能、業界標準に基づいて、シール材料に特定の要件がある場合があります。たとえば、食品加工機器で使用されるシールは、FDA 規制に準拠し、食品との接触に適している必要があります。一方、化学処理プラントのシールは、腐食性の高い媒体や攻撃的な媒体に耐える必要がある場合があります。

総所有コスト

一部の材料は初期コストが高いかもしれませんが、シール寿命の延長、メンテナンス要件の削減、ダウンタイムの最小化により、長期的には大幅な節約を実現できます。生産の損失、環境浄化、評判の低下など、シールの故障に関連するコストは、初期材料コストをはるかに上回る場合があります。したがって、さまざまな材料オプションのライフサイクル全体のコストと利点を評価することが重要です。