高圧メカニカルシールとは

高圧メカニカルシールとは

高圧メカニカルシールは、通常 50 bar (725 psi) を超える極度の圧力条件下で動作する機械にとって重要なコンポーネントです。これらのシールは、高圧環境によって発生する巨大な力に耐えながら、機器からの液体やガスの漏れを防ぐように設計されています。

高圧メカニカルシールの主な機能は、最も過酷な条件下でも、プロセス流体と大気の間に安全なバリアを維持することです。これらのシールは、固定部品 (ステーター) と回転部品 (ローター) の 2 つの主要コンポーネントで構成され、油圧とスプリングの力の組み合わせによって押し付けられます。シール面は通常、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、セラミックなどの硬くて耐摩耗性のある材料で作られており、これらの用途で発生する高圧と高温に耐えることができます。

高圧メカニカルシールの仕組み

高圧メカニカルシールの動作原理は、固定シール面と回転シール面の間に薄い流体膜を形成することです。シャフトが回転すると、スプリング力とプロセス流体の油圧の組み合わせによってシールリングが押し付けられます。この圧力により、プロセス流体がシール面から少量漏れ、薄く安定した流体膜が形成され、面を潤滑および冷却しながら、さらなる漏れを防ぎます。

シール面間の流体膜は、油圧、バネ力、およびシール面の正確な形状の間の微妙なバランスによって維持されます。シール面は、均一な接触を確保し、漏れを最小限に抑えるために、通常 2 ～ 3 ヘリウム光バンド (0.22 ～ 0.33 µm) 以内の非常に高い平坦度に研磨されています。回転シール リングは通常、柔軟なベローズまたはその他の二次シール要素を使用してシャフトに取り付けられ、シールを維持しながらシャフトのわずかな位置ずれや軸方向の動きに対応します。

高圧用途に使用されるメカニカルシールの種類

面と向かって

対面配置では、2 つのメカニカル シールがシール面を互いに向けて取り付けられます。この配置は、シール面に作用する油圧力をバランスさせ、正味の閉鎖力と熱発生を減らすため、高圧アプリケーションでよく使用されます。対面シールは、プライマリ シールが故障した場合に 2 番目のシールがバックアップとして機能できるため、ある程度の冗長性も提供します。

連続

背中合わせのシールは、シール面が互いに離れるように配置されており、シール間の空間には通常、プロセス流体よりも高圧のバッファ流体が充填されています。この配置は、プロセス流体が危険、有毒、または環境に敏感な場合に使用され、プライマリシールからの漏れはバッファ流体とセカンダリシールによって抑制されます。背中合わせのシールには、別のバッファ流体システムと追加の配管および計装が必要です。

タンデム（または対面）

タンデム シール、またはフェイスツーバック シールは、フェイスツーフェイスとバックツーバックの配置の要素を組み合わせたものです。この構成では、2 つのシールが反対方向を向くように取り付けられ、プライマリ シールがプロセス流体に面し、セカンダリ シールが反対方向を向きます。シール間のスペースは通常、安全な場所に排気されるか、プロセス流体よりも低い圧力のバッファー流体システムに接続されます。タンデム シールは、フェイスツーフェイス シールの圧力バランスの利点と、バックツーバック シールの安全性と封じ込め機能の両方を提供します。

高圧メカニカルシールの性能に影響を与える要因

シール面にかかるプロセス流体の圧力

流体圧力が上昇すると、シール面の閉鎖力も増加し、面負荷が大きくなり、発熱が増加し、摩耗が早まる可能性があります。これらの影響を抑えるために、高圧シールでは、シール面にバランス穴、溝、オリフィスなどの機能が組み込まれ、有効な閉鎖力を低減し、安定した流体膜を維持します。

シールチャンバー内の温度制御

高温はシール部品の熱膨張を引き起こし、面負荷と摩耗の増加につながります。また、過度の熱は流体膜の潤滑特性を低下させ、摩擦とシールの故障のリスクを増加させることもあります。これらの問題を軽減するために、高圧シールには冷却ジャケット、熱交換器、またはサーモサイフォン システムが組み込まれ、シール チャンバーから熱を除去して安定した動作温度を維持することがよくあります。

シール面の適切な潤滑と冷却

シール面間の流体膜は潤滑剤と冷却剤の両方として機能し、摩擦熱を運び去り、面間の直接接触を防ぎます。適切な潤滑と冷却を確保するために、高圧シールには、流体の循環と熱放散を促進する螺旋溝、放射状スロット、またはシール面の微細構造などの機能が組み込まれている場合があります。シリコンカーバイドやグラファイト充填材料など、優れた熱伝導性と自己潤滑性を備えたシール面材料を選択すると、潤滑と冷却の性能も向上します。

メカニカルシール高圧アプリケーション用サポートシステム

高圧メカニカルシールには、最適なパフォーマンスと寿命を確保するために、特殊なサポート システムが必要です。これらのシステムは、安定した動作条件を維持し、シールの故障を防ぎ、シールの寿命を延ばすのに役立ちます。重要なコンポーネントの 1 つは API プラン 52 です。これは、バッファー フルイド リザーバーを使用して、シールに清潔で冷たい加圧環境を提供します。

API プラン 52 システムは、グリコールやオイルなどの適合バッファ流体を、プロセス流体よりも高い圧力でシール チャンバーを通して循環させます。この正圧差により、プロセス流体がシール チャンバーに入るのを防ぎ、汚染を最小限に抑えてシールの寿命を延ばします。このシステムは、シールによって発生する熱を放散させ、安定した動作温度を維持するのにも役立ちます。

高圧メカニカルシールのその他の重要なサポート システムには、次のものがあります。

1. 適切なシール面の潤滑: シール面の摩擦と摩耗を減らすには、適切な潤滑が不可欠です。これは、オイルやグリースなどのバリア流体を使用するか、シール設計に潤滑機能を組み込むことによって実現できます。
2. 温度制御: シールチャンバー内の温度を一定に保つことは、熱による歪みを防ぎ、シール面の適切な位置合わせを保証するために重要です。これは、冷却ジャケット、熱交換器、または温度制御ユニットを使用することで実現できます。
3. 圧力監視: シールチャンバー内の圧力を継続的に監視することで、異常や漏れを検出し、タイムリーなメンテナンスを可能にし、重大な故障を防ぐことができます。

高圧メカニカルシールの用途

• 遠心ポンプ高圧メカニカルシールは、ボイラー給水ポンプ、パイプラインポンプ、油井やガス井の注入ポンプなど、高圧流体を扱う遠心ポンプに使用されます。
• コンプレッサーメカニカルシールは、水素、天然ガス、二酸化炭素などのガス用の高圧コンプレッサーや、高圧冷媒を使用する冷凍コンプレッサーに使用されます。
• タービン高圧シールは、蒸気タービンやガスタービンで、タービンケーシングからの高圧蒸気や燃焼ガスの漏れを防ぐために使用されます。
• 原子炉と圧力容器メカニカルシールは、化学処理および石油化学産業における高圧反応器や圧力容器内の撹拌機、ミキサー、その他の回転機器に使用されます。
• 海中設備高圧シールは、海底ポンプ、コンプレッサー、バルブなど、海底石油・ガス生産設備の重要なコンポーネントであり、極度の圧力や厳しい環境条件に耐える必要があります。
• 高圧水システムメカニカルシールは、逆浸透淡水化、高圧洗浄、ウォータージェット切断などの用途における高圧水ポンプやバルブに使用されます。

よくある質問

メカニカルシールの圧力限界はどれくらいですか?

一般に、標準的なメカニカルシールは最大約 20 bar (290 psi) の圧力に対応できますが、高圧シールは 20 ～ 200 bar (290 ～ 2,900 psi) 以上の圧力に対応するように設計されています。