メカニカルシールとは

メカニカルシールは、回転機器において流体の漏れを防ぎ、圧力を保持する重要なコンポーネントです。これらのシールは、石油、ガス、化学処理、水処理などのさまざまな業界で広く採用されており、ポンプ、コンプレッサー、その他の機械の信頼性と効率の高い動作を保証します。

メカニカルシールの設計と機能は、材料科学と工学の進歩により性能と寿命が向上し、長年にわたって大きく進化してきました。このブログ記事では、メカニカルシールの複雑さを詳しく調べ、その基本原理、主要コンポーネント、機能を探ります。

メカニカルシールとは

メカニカルシールは、特に回転軸に沿った流体の漏れを防ぐために使用されるシール装置の一種です。遠心ポンプおよびその他の回転機器。ポンプハウジングに取り付けられた固定シールリングと、シャフトに取り付けられた回転シールリングの 2 つの主要コンポーネントで構成されています。これら 2 つのリングはシールインターフェイスを形成し、プロセス流体と大気の間にバリアを作成します。

メカニカルシールは、従来のグランドパッキングに代わる優れたシールで、シール性能が向上し、メンテナンス要件が軽減されます。メカニカルシールは、ポンプ内に流体を封じ込めながらシャフトを自由に回転させて、摩擦と摩耗を最小限に抑えるように設計されています。ポンプシャフトを効果的にシールすることで、メカニカルシールは、製品の損失、環境汚染、安全上の危険につながる流体の漏れを防ぐのに役立ちます。

メカニカルシールのシール作用は、シール面の正確な平坦性と滑らかさに依存します。回転シール面と固定シール面は、油圧とバネの力の組み合わせによって押し付けられ、その間に薄い流体膜が形成されます。この流体膜はバリアとして機能し、漏れを防ぎながらシール面を潤滑して摩耗と摩擦を最小限に抑えます。

メカニカルシールの仕組み

メカニカルシールは、機器の固定部分と回転部分の間にシールを作成し、ポンプハウジングまたは容器内に流体を封じ込めるように設計されています。固定シールリングと回転シールリングで構成される主要なシール面は、シャフトに対して垂直で、シールインターフェイスを形成します。これらのシール面は、シールされた流体からの油圧とシールのスプリング機構からのスプリング圧力の組み合わせによって押し付けられます。

プライマリシール面は、通常、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、カーボングラファイトなどの硬くて耐摩耗性のある材料で作られています。これらの材料は精密に機械加工され、平らで滑らかなシール面を形成します。シャフトが回転すると、シール面の間に薄い液体の膜が引き寄せられ、潤滑されて直接接触が防止されます。この液体の膜は、油圧力とスプリング力とともに、シールの完全性を維持し、漏れを防止します。

O リング、ウェッジシール、エラストマーベローズなどの二次シールは、メカニカルシールアセンブリの固定部品と回転部品の間を密閉するために使用されます。これらの二次シールは、シール面とポンプハウジングまたはシャフトスリーブの間の漏れを防止します。また、シャフトのわずかな動きや位置ずれにも対応し、一次シール面が適切に接触した状態を維持します。

ダブルシールやタンデムシールなどの一部のメカニカルシール設計では、漏れ防止を強化したり、バリア流体をシールしたりするために、追加のシールが使用されます。バリア流体は、通常、プロセス流体と互換性のあるクリーンな流体であり、汚染を防ぎ、シール面を潤滑するために、プロセス流体よりも高い圧力に維持されます。

メカニカルシールのコンポーネント

メカニカルシールは、効果的なシールを提供し、漏れを防ぐために連携して機能するいくつかの主要コンポーネントで構成されています。これらのコンポーネントには次のものがあります。

プライマリシール面: プライマリシール面は、メカニカルシールの心臓部です。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材料で作られたこれらの精密にラップされた表面は、回転シャフトに沿って流体が漏れるのを防ぐ動的シールインターフェイスを形成します。固定面は通常、グランドまたはシールハウジングに取り付けられ、回転面はシャフトまたはシャフトスリーブに取り付けられます。
二次シール：二次シールとも呼ばれる静的シールは、固定部品間のシールと大気への漏れ防止の役割を果たします。これらのシールは、O リング、V リング、PTFE ウェッジなどのエラストマー材料から作ることができます。一部の設計では、シャフトの動きに対応し、追加のシールを提供するために、金属ベローズまたはエラストマーベローズが二次シールとして使用されます。
スプリング機構：スプリング機構は、一次シール面に一定の力を加え、適切な接触と密閉を確保します。この力は、シール面ギャップを調整し、シャフトのずれや軸方向のシャフト調整に対応します。一般的なスプリングの種類には、コイルスプリング、ウェーブスプリング、金属ベローズなどがあります。
サポートハードウェア: メカニカルシールは、効果的に機能するためにさまざまなサポートコンポーネントに依存しています。これには、シールグランド、保持リング、ドライブカラー、回転防止ピンが含まれます。シールグランドは、固定シール面の取り付け面を提供し、シールコンポーネントの位置合わせに役立ちます。保持リングとドライブカラーは回転コンポーネントをシャフトに固定し、回転防止ピンはシール面の不要な回転を防止します。

メカニカルシールの機能

主なシール機能

メカニカルシールの主な機能は、プロセス流体をポンプまたは装置内に閉じ込め、回転シャフトに沿った漏れを防ぐことです。主なシール面は、固定面と回転面の間に薄い流体膜を維持する動的シールインターフェイスを作成します。ポンピング動作とシール面の形状によって生成されるこの流体膜は、面間の直接接触を防ぎ、摩耗を最小限に抑えながら効率的なシールを可能にします。

シャフトシールとアライメント

メカニカルシールは、回転シャフトの周囲を効果的に密閉し、シャフト速度に対応し、シャフトの動きを制限します。二次シールやスプリングメカニズムなどのシールコンポーネントは、適切な密閉環境を維持しながら、ある程度のシャフトのずれや軸方向のシャフト調整を可能にします。

流体の適合性と封じ込め

メカニカルシールは、水、炭化水素、化学薬品、研磨性液体など、さまざまな流体を処理できるように設計されています。シール面の材質と二次シールは、プロセス流体との適合性に基づいて選択され、最適なシール性能と長寿命を保証します。

圧力と温度の管理

メカニカルシールは、幅広い圧力と温度で動作できます。プライマリシール面、セカンダリシール、サポートハードウェアなどのシールコンポーネントは、アプリケーションの特定の圧力と温度の要件に耐えられるように設計されています。高圧アプリケーションでは、バランスの取れたシール設計がよく使用され、シール面の閉鎖力が最小限に抑えられ、摩耗が軽減され、シールの寿命が延びます。

メカニカルシールを使用する利点

漏洩率の低減

メカニカルシールを使用する主な利点の 1 つは、従来のパッキング方法に比べて漏れ率を大幅に削減できることです。プライマリシール面によって作成される動的シールインターフェイスにより、流体の漏れが最小限に抑えられ、プロセス流体の効率的な封じ込めが保証されます。この漏れの削減により、ポンプシステムの全体的な効率が向上するだけでなく、環境への影響が最小限に抑えられ、職場の安全性が向上します。

メンテナンスコストの削減

メカニカルシールは、グランドパッキングなどの他のシール方法に比べてメンテナンスコストが低く抑えられます。メカニカルシールに使用されている精密に設計された部品と高度なシール面材料により、耐用年数が長くなり、摩耗が軽減されるため、シールを頻繁に交換する必要性が最小限に抑えられます。さらに、メカニカルシールに伴う漏れ率の低減により、ベアリングやその他のポンプ部品の損傷が防止され、メンテナンス要件とコストがさらに軽減されます。

業務効率の向上

メカニカルシールの使用は、ポンプシステムの運用効率の向上に貢献します。適切なシール環境を維持し、漏れを最小限に抑えることで、メカニカルシールは電力消費を削減し、ポンプの全体的なパフォーマンスを向上させます。メカニカルシールによって提供される効率的なシールは、プロセス流体の汚染を防ぎ、製品の品質を維持し、プロセス中断のリスクを軽減するのにも役立ちます。

長寿命と耐久性

メカニカルシールは長寿命と耐久性を考慮して設計されており、要求の厳しい用途でも長い耐用年数を実現します。シール構造に使用されるシリコンカーバイド、タングステンカーバイド、エンジニアリングプラスチックなどの高品質素材は、優れた耐摩耗性と化学適合性を備えています。メカニカルシールの堅牢な設計と適切な設置およびメンテナンスを組み合わせることで、長期間にわたって信頼性の高いシール性能が保証され、ダウンタイムと交換コストが削減されます。

メカニカルシールの種類

シングルシール

シングルメカニカルシール (コンポーネントシールとも呼ばれる) は、回転シャフトと固定ハウジングの間に動的なシールインターフェイスを提供する 1 セットのシール面で構成されています。これらのシールは通常、クリーンで非研磨性の流体と中程度の温度および圧力条件のアプリケーションで使用されます。

シングルシールは、シール面全体の圧力分布に応じて、バランス型またはアンバランス型になります。バランス型シールは、シール面の両側に均等な圧力がかかるため、摩耗が減り、シールの寿命が延びます。アンバランス型シールは、片側に高い圧力がかかるため、摩耗が増加し、シールの寿命が短くなる可能性があります。

ダブルシール

ダブルメカニカルシール 2 組のシール面を備え、漏れに対する保護層が追加されています。2 組のシール面の間の空間には、液体またはガスのバリア流体が充填されています。バリア流体は、シール面の潤滑と冷却の役割を果たすほか、プロセス流体が大気中に侵入するのを防ぎます。

ダブルシールは、漏れを最小限に抑える必要がある危険、有毒、または高価な流体を扱う用途でよく使用されます。また、シングルシールでは十分なシール性能が得られない高圧または高温の用途でも使用できます。

プッシャーシールと非プッシャーシール

プッシャーシールは、従来のシールとも呼ばれ、シール面間の接触を維持するためにスプリング機構を使用します。スプリングは回転シール面を固定シール面に押し付け、しっかりとしたシールを実現します。プッシャーシールは、そのシンプルさとコスト効率の良さから、広く使用されています。

ベローズシールや金属ベローズシールなどの非プッシャーシールは、シール面間の接触を維持するためにフレキシブルエレメントを使用します。フレキシブルエレメントは通常、エラストマーまたは金属材料で作られ、スプリングと二次シールの両方の役割を果たします。非プッシャーシールは、フレキシブルエレメントがこれらの不規則性に対応できるため、シャフトの振れや位置ずれが大きい用途で優れた性能を発揮します。

カートリッジシール

カートリッジシールは、メカニカルシールのすべてのコンポーネントを 1 つの簡単に取り付けられるパッケージにまとめた、組み立て済みのユニットです。シール面、セカンダリシール、スプリングメカニズム、サポートハードウェアで構成され、すべてが 1 つのアセンブリ内に収められています。

カートリッジシールは、コンポーネントシールに比べて、取り付けが簡単、信頼性が向上、メンテナンスコストが削減されるなど、いくつかの利点があります。カートリッジシールは、特殊なツールや専門知識を必要とせずに迅速かつ簡単に取り付けることができるため、シールの頻繁な交換が必要な用途で特に役立ちます。

スプリットシール

スプリットシール機器を完全に分解することなくシャフトの周りに設置できるように設計されています。シャフトの周りに組み立てることができる 2 つ以上の部品で構成されているため、シール交換を迅速かつ最小限のダウンタイムで実行する必要があるアプリケーションに最適です。

スプリットシールは、ポンプ、コンプレッサー、撹拌機など、完全に分解するには時間と費用がかかる大型で高価な機器でよく使用されます。また、地下や海上の設備など、機器を簡単に移動したりアクセスしたりできない用途にも役立ちます。

メカニカルシールの用途

オイルとガス

石油・ガス業界では、炭化水素、掘削流体、その他のプロセス媒体を扱うポンプやコンプレッサーにメカニカルシールが使用されています。これらのシールは、この分野で一般的に見られる高圧、高温、摩耗条件に耐えられるように設計されています。API 682 シールなどの特殊なメカニカルシールは、石油業界の厳しい要件を満たすように設計されています。

化学処理

化学処理工場では、さまざまな化学物質、溶剤、試薬の漏れを封じ込め、防止するためにメカニカルシールを使用しています。これらのシールは、プロセス流体と互換性があり、腐食、浸食、化学攻撃に耐える必要があります。バリア流体を備えたデュアルメカニカルシールは、漏れに対する保護層を追加し、環境規制への準拠を保証するためによく使用されます。

水処理

水処理用途では、メカニカルシールは、水、廃水、さまざまな処理薬品を扱うポンプやその他の機器の密閉に重要な役割を果たします。これらのシールは、給水源の汚染を防ぎながら、塩素、酸、その他の腐食性物質への暴露に耐えることができなければなりません。カートリッジシールは、取り付けとメンテナンスが容易なため、この業界でよく使用されています。

食品および飲料

食品飲料業界では、厳格な衛生基準を満たすメカニカルシールが求められています。これらのシールは、細菌の増殖を防ぎ、頻繁な洗浄と殺菌サイクルに耐え、製品の純度を維持するように設計されている必要があります。ステンレス鋼や特殊なエラストマーなど、FDA 承認の材料で作られたシングルおよびダブルのメカニカルシールは、製品の安全性と規制への準拠を確保するために、この分野で広く使用されています。