Metal bellow mechanical seals solve one of the biggest headaches in rotating equipment: seal hangup. If you’ve ever dealt with a pump that keeps leaking because the dynamic O-ring stuck to the shaft, you’ll understand why engineers get excited about these seals. They eliminate that sliding elastomer completely.
These seals use a flexible metallic bellows instead of the springs and O-rings found in traditional pusher seals. The bellows acts as both the spring element and the secondary seal in one component. That’s the key difference that makes them work in conditions where conventional seals fail.
I’ve seen facilities switch to metal bellows seals after burning through pusher seals every few months in high-temperature services. The result? Run times measured in years, not weeks.
In this guide, you’ll learn exactly how these seals work, when to specify them, and how to choose the right type for your application.
How Do Metal Bellows Mechanical Seals Work?
Metal bellows seals maintain a thin fluid film between two precision-lapped faces while the bellows flexes to accommodate shaft movement. The design is elegant in its simplicity: no sliding parts that can stick, fret, or hang up.
What Are the Key Components?
A metal bellows seal has five main components that work together:
The metal bellows is the heart of the seal. It’s a flexible, corrugated metal tube made from thin diaphragms welded together. This bellows does double duty. It provides the spring force that keeps the seal faces together, and it acts as the secondary seal between the rotating and stationary parts. Most bellows use plates only 0.004 inches thick.
The stationary seal face sits fixed in the seal housing. It’s typically made from silicon carbide or tungsten carbide because these materials can handle the heat and wear at the sealing interface.
The rotating seal face attaches to the shaft and spins with it. Carbon graphite is the most common material here. It pairs well with the harder stationary face and provides some self-lubricating properties.
Static O-rings and gaskets seal the points that don’t move. These are the connections between the seal components and the pump housing or shaft.
The drive mechanism transfers torque from the shaft to the rotating seal components. This keeps everything spinning together without slipping.
How Does the Sealing Mechanism Function?
The sealing action happens between the two lapped faces. Here’s how it works, step by step:
Step 1: Creating the Seal
When you install the seal and pressurize the system, the fluid pressure acts on the effective area of the bellows. This hydraulic force, combined with the mechanical spring force of the bellows itself, pushes the rotating face against the stationary face.
Step 2: Forming the Fluid Film
A microscopic film of process fluid forms between the faces. This film is essential. It lubricates the interface and carries away heat. Without it, the faces would run dry and fail within minutes.
Step 3: Compensating for Movement
As the equipment runs, the shaft moves. It experiences thermal expansion, vibration, and slight misalignment. The bellows flexes to absorb all this movement while maintaining constant face loading. Traditional seals need a sliding O-ring to do this. The bellows handles it without any sliding contact.
Step 4: Self-Adjusting Operation
The bellows continuously adjusts throughout operation. If the shaft moves axially, the bellows compresses or extends. If there’s angular misalignment, it flexes to compensate. The seal faces stay in contact with consistent pressure regardless of these movements.
This continuous self-adjustment is why metal bellows seals excel in applications with shaft runout, thermal cycling, or vibration. The system adapts automatically.
What Are the Different Types of Metal Bellows Seals?
Metal bellows seals come in two primary construction types: edge-welded and formed. The choice between them depends on your operating conditions and budget.
Edge-Welded vs Formed Bellows: Which Should You Choose?
Edge-welded bellows outperform formed bellows in nearly every measurable way, but they cost more. Here’s how they compare:
| 特徴 | Edge-Welded Bellows | Formed Bellows |
|---|---|---|
| Manufacturing | Individual diaphragms welded at alternating edges | Tubing shaped by hydraulic pressure or rolling |
| 材料オプション | Stainless steel, Inconel, Hastelloy, titanium | Limited to high-elongation metals (brass, bronze) |
| 柔軟性 | Highest (thin diaphragms in mils) | Lower (thicker walls) |
| 温度範囲 | Cryogenic to over 1000°F | Much narrower range |
| Spring Rate | Precisely controllable | Higher and less consistent |
| 耐圧性能 | Superior | 中程度 |
| コスト | Higher per unit | Lower when mass-produced |
| 最適用途 | Oil & gas, aerospace, power generation | General industrial, moderate-duty |
My recommendation: If you’re working in petrochemical, power generation, or any demanding environment, specify edge-welded bellows. The performance difference justifies the cost premium. I’ve seen formed bellows fail repeatedly in refinery services where edge-welded designs ran for years.
Formed bellows make sense for water pumping, HVAC systems, and other moderate applications where you need a bellows seal but don’t face extreme conditions.
When Should You Use Single-Ply vs Double-Ply Bellows?
Single-ply bellows work for most standard applications. They’re simpler, more flexible, and cost less.
Double-ply bellows use two layers of thin metal instead of one. This gives you higher strength without the stiffness penalty you’d get from using thicker single-ply material. The spring rate of a two-ply bellows is significantly lower than a single-ply bellows of equivalent thickness.
Choose double-ply when you need:
- Higher pressure capability (up to 1000 psi)
- Services with thermo-sensitive fluids that might solidify
- Applications requiring more start-up torque
The double-ply construction handles pressures up to 1000 psi, compared to around 360 psi for standard single-ply designs.
動作限界と仕様は何か？
メタルベローズシールは、従来型シールでは破損するような条件を扱うことができます。しかし、遵守すべき限界は確かに存在します。.
温度、圧力、回転速度の定格
| Parameter | 標準定格 | 拡張定格 | 備考 |
|---|---|---|---|
| 温度 | -100°F ～ 800°F | グラファイトパッキン使用時は 850°F まで | 長寿命のため最大 80% で運転 |
| ：高圧はシール面の変形を引き起こし、漏れや早期故障の原因となります。 | 真空 ～ 360 psi | 最大 1000 psi（二重構造） | シャフト段差なしで 500 psi を扱える設計もある |
| 速度 | 最大 5000 fpm | 設計により異なる | メーカー仕様を確認のこと |
温度に関する考慮事項：
通常、温度の制限要因となるのはベローズ自体ではありません。二次的密封要素が上限を決定します：
- VITON Oリング：200°C (392°F) 以下
- FFKM（パーフルオロエラストマー）：200-260°C (392-500°F)
- 柔軟性グラファイト：260°C (500°F) 超、425°C (800°F) まで
最高温度用途では、柔軟性グラファイトを全体に使用します。これによりエラストマーを完全に排除できます。.
適切なベローズ材質はどのように選定するか？
材質選定はメタルベローズシールの性能を決定づけます。ベローズ材質は、作動温度下で機械的特性を維持しつつ、プロセス流体からの腐食に耐えなければなりません。.
あなたの用途に最適な合金はどれか？
| 材料 | 耐温度性能 | 耐食性 | コスト | 最適用途 |
|---|---|---|---|---|
| SS 316/316L | 中程度 | 一般的 | $ | 標準用途、非腐食性流体 |
| AM350 | 良好 | 良好 | $$ | 製油所用途、コスト重視プロジェクト |
| インコネル 718 | 優れる | 優れる | $$$ | 航空宇宙、化学、石油、高温用途 |
| ハステロイ C | 優れる | Superior | $$$$ | 高温酸、アルカリ、塩素化溶剤 |
| チタン | 良好 | 優れる | $$$$ | 航空宇宙、海洋、軽量性が重要な用途 |
選定ガイドライン：
高温用途における 清浄で非腐食性の熱媒体の場合、, SS316 と炭化ケイ素（シリコンカーバイド）のシール面の組み合わせが優れたコストパフォーマンスを提供します。これはほとんどの水ベースシステムおよび温和なプロセス流体をカバーします。.
高温用途における 製油所用途では、, AM350 が適正なコストで良好な性能を提供します。ほとんどの炭化水素系用途をうまく扱います。.
高温用途における 高温の腐食性化学薬品の場合、, インコネル 718 またはハステロイ C が必要になります。インコネル 718 は AM350 よりも強い耐食性を持ち、実際に時間の経過とともに硬化し、使用するほど耐久性が増します。これが石油および化学産業で広く指定されている理由です。.
高温用途における 高温酸、アルカリ、塩素化溶剤などの 過酷な環境では、ハステロイ C が標準です。これらの流体を扱うポンプは、ハステロイ C ベローズの耐食性と炭化タングステンシール面の組み合わせから恩恵を受けます。.
どのシール面材質を指定すべきか？
シール面はシール内で最も過酷な条件にさらされます。摩擦、熱、化学的侵食に耐えながら、100万分の1インチ単位で測定される平坦度を維持しなければなりません。.
高級炭素グラファイトは、 ほとんどの用途を扱います。炭素中の微量水分が高温に遭遇しても劣化しない、耐ブリスター性グレードを探してください。API 682 はこれを標準面材質として規定しています。.
炭化ケイ素は、 優れた硬度と耐摩耗性を提供します。反応焼結と自己焼結のグレードは異なる特性を持ちます。自己焼結炭化ケイ素はより硬く耐薬品性に優れますが、より脆いです。.
炭化タングステンは、 最も硬い面材質の選択肢です。摩耗性のある用途、または両面を硬質材料にする必要がある場合に指定されます。.
材料の組み合わせが重要です： 標準的な組み合わせは、カーボン対シリコンカーバイドです。この組み合わせは良好な潤滑性と放熱性を提供します。極めて過酷な使用条件では、シリコンカーバイド同士の組み合わせも可能ですが、より優れた潤滑が必要で、発熱も多くなります。.
適切な金属ベローズシールの選定
金属ベローズ機械シールは、従来型シールを悩ませる実際の問題－ハングアップ、フレッティング、限られた温度範囲、化学的不適合－を解決します。これは、動的Oリングを完全に廃止し、ばねと二次シールの両方の役割を果たす柔軟な金属ベローズを使用することで実現されています。.
以下の状況では金属ベローズシールを指定してください：
- 150°C（300°F）を超える温度
- コーキング、結晶化、または堆積物を生じる流体
- エラストマーを侵す化学環境
- メンテナンスアクセスが困難または高コストな用途
- 信頼性が高い初期コストを正当化する重要な用途
主要な選定判断事項：
- 過酷な用途にはエッジ溶接ベローズ、中程度の負荷には成形ベローズ
- 標準用途にはシングルプライ、高圧用途にはダブルプライ
- プロセス化学に基づく合金選定（温和な環境にはSS316、侵食性環境にはインコネル718またはハステロイC）
- 石油、ガス、化学産業用途におけるAPI 682準拠
過酷な条件下で確実に性能を発揮するシールが必要な場合、金属ベローズ技術がそれを実現します。.
