Your pumps are failing again. The maintenance team just pulled another seal, and the faces show the telltale signs of heat damage. Sound familiar?
Here’s what most plant managers don’t realize: getting the flush flow rate wrong is one of the biggest reasons mechanical seals fail prematurely. Too little flow and your seal overheats. Too much flow and you’re eroding components while burning through your operating budget.
Calculating the right flush flow rate isn’t complicated once you know the method.
Start with 1 GPM per inch of seal size for standard services. For flashing hydrocarbons, double it to 2 GPM per inch. But that’s just the starting point.
What Information Do You Need Before Calculating Flush Flow Rate?
You need six key pieces of data before running any flush flow calculation: seal size, pump speed, seal chamber pressure, fluid properties, operating temperature, and your flush plan type.
What Data Should You Gather First?
Grab these numbers from your pump datasheet or measure them directly:
- Seal size – The nominal seal diameter in inches. If you can’t find this, use the shaft diameter as a close approximation.
- Pump operating speed – Usually 1800 or 3600 RPM for most industrial pumps. Higher speeds generate more heat.
- Seal chamber pressure – This determines how much differential pressure your flush system works against. Typical estimate: 80% of discharge pressure plus suction pressure.
- Process fluid properties – You’ll need specific heat capacity, density, and vapor pressure for detailed calculations.
- Process fluid temperature – Critical for determining how close you are to the vapor pressure limit.
- Flush plan type – Different plans require different calculation approaches.
Which Flush Plan Are You Using?
Your flush plan determines which calculation method applies. Here’s a quick reference:
| Flush Plan | 설명 | 최적 용도 | Calculation Focus |
|---|---|---|---|
| 플랜 11 | Discharge bypass through orifice | Clean fluids, standard services | Orifice sizing, recirculation rate |
| 플랜 21 | Single-pass with cooler | High-temperature services | Heat removal capacity |
| 쿨러가 있는 플랜 23 | Closed loop with cooler | Hot services, limited cooling water | Heat exchanger sizing |
| 플랜 32 | External flush injection | Dirty, abrasive, or contaminated fluids | Throat bushing velocity |
Plan 11 handles over 50% of all seal installations. It’s the default choice for clean services where the process fluid can lubricate and cool the seal. Plan 32 is your go-to when the process fluid contains solids or contaminants that would damage the seal.
How Do You Calculate Flush Flow Rate Using the Rule of Thumb Method?
The rule of thumb method gives you a reliable flush flow rate in under a minute. It works for most standard applications running below 3600 RPM and 500 psig.
Step 1: Measure Your Seal Size
Find the seal size on your pump datasheet or seal documentation. It’s usually listed as the nominal shaft diameter at the seal location.
Can’t find it? Measure the shaft diameter where the seal mounts. A 2-inch shaft typically uses a 2-inch seal. For between-bearing pumps, measure at each seal location.
Pro tip: Most single-stage process pumps use seals between 1.5 and 4 inches. Larger pumps might run up to 6 inches or more.
Step 2: Apply the Basic Formula
For standard services (water, clean hydrocarbons, non-flashing liquids):
Flush Rate (GPM) = Seal Size (inches) × 1.0
For flashing services (light hydrocarbons near their boiling point):
Flush Rate (GPM) = Seal Size (inches) × 2.0
예시: You’ve got a 3-inch seal pumping cooling water at 150°F.
- Standard formula: 3 inches × 1.0 = 3 GPM
Same pump, but now you’re handling propane at elevated temperature:
- Flashing formula: 3 inches × 2.0 = 6 GPM
The simplest approach? Just use 2 GPM as a baseline for any standard application. This works for the vast majority of refinery and chemical plant pumps.
Step 3: Adjust for Operating Conditions
The rule of thumb assumes typical operating conditions. Adjust upward when:
- Speed exceeds 3600 RPM – Higher speeds generate more friction heat
- Seal chamber pressure exceeds 500 psig (35 bar) – Higher pressures mean more face loading and heat
- Fluid has poor heat capacity – Some fluids don’t absorb heat as efficiently
You might get away with less flow when:
- Speed is below 1800 RPM – Less friction, less heat
- Service is clean and cool – Clean water at ambient temperature, for instance
- Application is non-critical – Some low-flow applications run fine at 0.25-0.5 GPM
I’ve seen plants run small utility pumps at minimal flush rates for years without issues. But for anything critical? Stick with the rule of thumb minimum.
How Do You Calculate Flush Flow Rate Using the Temperature Rise Method?
The temperature rise method calculates exactly how much flow you need to remove the heat generated by your seal. It’s more precise than the rule of thumb but requires more data.
Step 1: Determine Your Allowable Temperature Rise
Different fluids tolerate different amounts of heating before problems start. Use these limits:
| 유체 유형 | 최대 온도 상승 | Why This Limit? |
|---|---|---|
| Light hydrocarbons (propane, butane) | 5°F (2.8°C) | Close to boiling point, flashing risk |
| 물 | 15°F (8.3°C) | Good heat capacity, stable |
| Oils and heavy hydrocarbons | 30°F (16.7°C) | High boiling point, viscosity concerns |
These aren’t arbitrary numbers. They represent the point where fluid properties start degrading or you risk flashing at the seal faces.
Step 2: Estimate Heat Generated by the Seal
The seal faces generate heat through friction and fluid shear. The basic formula:
Q = μ × P × V × A
여기서:
- Q = Heat generated
- μ = Friction coefficient (typically 0.05-0.1 for lubricated seals)
- P = Face pressure
- V = Surface velocity at the seal face
- A = Face contact area
That looks complicated. Here’s the shortcut: ask your seal manufacturer.
Seal vendors calculate heat generation for every application. It’s part of their selection process. For a typical balanced seal running at 3600 RPM, expect heat generation between 500 and 2000 BTU/hr depending on size and face loading.
If you need a rough estimate without manufacturer data, most seals generate about 300-500 BTU/hr per inch of seal size at 3600 RPM.
Step 3: Calculate the Required Flow Rate
Once you know heat generation and allowable temperature rise:
Flow Rate (GPM) = Heat Generated (BTU/hr) ÷ (500 × ΔT × Specific Gravity)
The “500” factor converts the units for water-like fluids. For other fluids, adjust based on specific heat capacity.
예시: Your seal generates 1,200 BTU/hr. You’re sealing water with an allowable ΔT of 15°F.
Flow Rate = 1,200 ÷ (500 × 15 × 1.0) = 1,200 ÷ 7,500 = 0.16 GPM
That seems low, right? That’s because water has excellent heat capacity.
Step 4: Compare with Rule of Thumb and Use the Higher Value
Here’s the critical step most people skip. Always take the larger of:
- Your calculated minimum flow rate
- The rule of thumb rate (1 GPM per inch of seal size)
Example continued: For a 2-inch seal:
- Calculated minimum: 0.16 GPM
- Rule of thumb: 2.0 GPM
- Use: 2.0 GPM
Why? The rule of thumb accounts for factors beyond pure heat removal—like flushing debris, providing margin for process upsets, and compensating for fouled coolers.
For that propane application with a 5°F limit? Your calculated flow will likely exceed the rule of thumb. In that case, use the calculated value plus some margin.
How Do You Calculate Flush Flow Rate for API Plan 32 (External Flush)?
Plan 32 injects clean flush fluid from an external source to keep contaminants away from the seal. The calculation focuses on throat bushing velocity rather than just heat removal.
Step 1: Determine Target Throat Bushing Velocity
The industry standard target is 15 feet per second (fps) velocity across the throat bushing.
Why 15 fps? At this velocity, the flush creates enough flow to sweep process fluid away from the seal faces. Lower velocities let contaminants migrate toward the seal. Higher velocities can cause erosion.
For particularly dirty or abrasive services, some engineers push to 20-25 fps. But 15 fps handles most applications.
Step 2: Calculate the Bushing Annular Area
The throat bushing creates an annular gap between the bushing bore and the shaft. You need this area for the flow calculation.
환상 면적 = π × (부싱 내경² – 샤프트 직경²) ÷ 4
예시: 해당 스로트 부싱의 내경은 2.010인치이며, 샤프트 직경은 2.000인치입니다.
- 부싱 내경: 2.010인치
- 샤프트 직경: 2.000인치
- 직경 클리어런스: 0.010인치
면적 = π × (2.010² – 2.000²) ÷ 4
면적 = 3.14159 × (4.040 – 4.000) ÷ 4
면적 = 3.14159 × 0.040 ÷ 4
면적 = 0.0314 제곱인치
정확한 치수를 확인할 수 없습니까? API 682는 일반적인 클리어런스를 규정합니다. API 610 준수 펌프의 경우, 직경 클리어런스는 0.010~0.015인치로 예상됩니다.
단계 3: 필요 유량 계산
목표 유속과 면적을 알고 있다면:
유량(GPM) = 유속(fps) × 면적(제곱인치) × 60 ÷ 231
60은 초를 분으로 변환합니다. 231은 세제곱인치를 갤런으로 변환합니다.
Example continued:
유량 = 15 × 0.0314 × 60 ÷ 231
유량 = 28.26 ÷ 231
유량 = 0.12 GPM
잠시만요, 이 수치는 낮아 보입니다. 경험 법칙으로 확인해 보겠습니다: 씰 크기 1인치당 1 GPM이므로, 2인치 씰의 경우 2 GPM이 됩니다.
여기서 중요한 점은 유속 계산은 유속 장벽을 유지하기 위한 최소 유량을 제공한다는 것입니다. 대부분의 플랜트는 Plan 32 시스템에서 충분한 여유를 확보하기 위해 씰당 3-5 GPM을 사용합니다.
단계 4: 플러시 압력 설정
플러시는 씰 챔버 압력을 극복하고 부싱을 가로지르는 유속을 제공해야 합니다:
목표 플러시 압력: 씰 챔버 압력보다 10-15 psi 높게
극히 중요한 적용 분야나 미량의 공정 유체 오염도 허용되지 않는 서비스의 경우, 씰 챔버 압력보다 20-25 psi 높게 설정합니다.
한 가지 더: 플러시는 공정 유체와 호환되어야 합니다. 이 플러시를 펌프 내부로 직접 주입합니다. 물이 가장 일반적이지만, 일부 적용 분야에서는 특정 용매나 청정 제품이 필요합니다.
플러시 시스템의 오리피스는 어떻게 선정합니까?
오리피스는 유량을 제어합니다. 오리피스 크기를 잘못 선정하면, 신중하게 계산된 플러시 유량은 의미가 없어집니다.
단계 1: 압력 차이 확인
오리피스 양단에 사용 가능한 압력 강하를 계산합니다:
ΔP = 공급원 압력 – 씰 챔버 압력
Plan 11 시스템의 경우:
ΔP = 펌프 토출 압력 – 씰 챔버 압력
일반적인 씰 챔버 압력은 토출 압력의 약 80%에 흡입 압력을 더한 값입니다. 따라서 펌프 토출 압력이 200 psig이고 흡입 압력이 20 psig라면:
씰 챔버 압력 ≈ (0.80 × 200) + 20 = 180 psig
사용 가능한 ΔP = 200 – 180 = 20 psi
이는 많지 않습니다. 이것이 Plan 11 오리피스가 작은 경향이 있는 이유입니다—구동력이 크지 않기 때문입니다.
단계 2: 최소 오리피스 크기 선정
공정이 특별히 청정하지 않은 한, 다음보다 작은 크기는 절대 사용하지 마십시오: 1/8인치 (3 mm) 오리피스 직경.
이유는 무엇입니까? 더 작은 오리피스는 막힙니다. 오리피스가 막히면 씰은 플러시를 받을 수 없습니다. 게임 오버입니다.
플랜별 표준 오리피스 크기:
| Flush Plan | 일반적인 오리피스 크기 | 참고 사항 |
|---|---|---|
| 플랜 11 | 1/8″ (3 mm) | 가장 일반적이며, 청정 서비스에만 사용 |
| Plan 13 | 1/4″ (6 mm) | 증기 배출을 허용하기 위해 더 큼 |
| 플랜 21 | 1/8″-1/4″ | 쿨러 압력 강하에 따라 다름 |
| 플랜 32 | 오리피스 없음 | 제어용 유량계 또는 밸브 |
단계 3: 목표 유량에 대한 오리피스 크기 계산
특정 크기가 필요한 경우, 오리피스 유량 방정식:
Q = Cd × A × √(2 × ΔP ÷ ρ)
여기서:
- Q = 유량
- Cd = 방출 계수 (일반적으로 0.6-0.65)
- A = 오리피스 면적
- ΔP = 압력 차이
- ρ = 유체 밀도
실제로, 1/8인치 오리피스는 100 psi 압력 차이에서 2-3 GPM을 공급합니다. 대부분의 적용 사례에 충분한 양입니다.
표준 오리피스가 적합하지 않은 경우:
높은 압력 차이는 문제를 일으킵니다. 500 psi 차이에서 단일 1/8인치 오리피스는 6+ GPM을 공급할 수 있어 원하는 양보다 훨씬 많습니다.
해결책:
- 직렬 다중 오리피스 – 최소 6인치 간격으로 설치
- 초크 튜브 – 분산된 압력 강하를 생성하는 소구경 튜브 일부
- 유량 제어 밸브 – 더 비싸지만 조절 가능
고압 적용에는 초크 튜브 방식을 선호합니다. 간단하고 신뢰할 수 있으며 작은 오리피스처럼 막히지 않습니다.
빠른 참조: 플러시 유량 계산 요약
현장에서 빠르게 참조할 수 있도록 모든 내용을 한곳에 정리했습니다.
계산 방법 한눈에 보기
| 방법 | 사용 시기 | 공식 | 일반적인 결과 |
|---|---|---|---|
| 경험적 규칙 | 표준 서비스, <3600 RPM, <500 psig | GPM = 씰 크기 (인치) × 1.0 | 1-4 GPM |
| 플래싱 서비스 | 비점 근처의 경질 탄화수소 | GPM = 씰 크기 (인치) × 2.0 | 2-8 GPM |
| 온도 상승 | 중요한 적용 사례, 특이 유체 | Q ÷ (500 × ΔT × SG) | 다양함 |
| 스로트 부싱 속도 | 플랜 32 외부 플러시 | V × A × 60 ÷ 231 | 3-5 GPM |
빠른 결정 가이드
귀하의 적용 사례가 표준인가 특수한가?
표준 적용 사례 (경험적 규칙 사용):
- 청정 유체
- 속도 ≤3600 RPM
- 압력 ≤500 psig
- 플랜 11 또는 플랜 23
- 비중요 서비스
특수 적용 사례 (상세 계산 실행):
- 더럽거나, 마모성 또는 오염된 유체
- 속도 >3600 RPM
- 압력 >500 psig
- 휘발성/플래싱 탄화수소
- 플랜 32 외부 플러시
- 고장 시 중대한 영향을 미치는 중요 서비스
기억해야 할 핵심 숫자
- 최소 오리피스 크기: 1/8인치 (3 mm)
- 목부스링 목표 속도: 15 fps
- 씰 챔버 상단 플러시 압력: 10-15 psi (중요 조건 시 25 psi)
- 온도 상승 한계: 5°F (경질 HC), 15°F (물), 30°F (오일)
- 모범 사례: 계산값과 경험칙 값 중 더 큰 값을 사용하십시오.
결론
플러시 유량 계산은 간단한 절차로 요약됩니다: 경험칙(씰 크기 1인치당 1 GPM)으로 시작한 후, 중요하거나 특수한 경우에는 상세 계산으로 검증하십시오.
적절한 유량은 상충되는 두 가지 목표를 균형 있게 충족합니다. 너무 낮으면 씰이 과열되고, 너무 높으면 비용 낭비와 부품 침식 가능성이 있습니다.
지금 당장 실행할 세 가지 사항:
- 현재 플러시 유량 확인 – 문서화되어 있습니까? 계산값과 일치합니까?
- 모니터링 장치 설치 – 최소한 씰 챔버 온도를 추적하십시오. 이는 냉각 불충분의 가장 빠른 경고 지표입니다.
- 고장 발생 후 검토 – 모든 씰 고장은 플러시 유량을 검증하거나 조정할 기회입니다.
계산 자체는 복잡하지 않습니다. 계산, 검증, 모니터링을 체계적으로 수행하는 것이 씰 수명을 몇 달에서 몇 년으로 차이 나게 만듭니다.
