고온용 기계적 씰을 선택하는 방법

고온용 기계적 씰이란 무엇인가

고온용 기계적 씰은 극한의 열 조건에서 작동하는 회전 장비에서 중요한 구성 요소입니다. 이러한 특수 씰은 밀봉 효과를 유지하고 누출을 방지하며 안정적인 작동을 보장하면서 높은 온도를 견디도록 설계되었습니다. 고온 기계적 씰은 석유 및 가스, 화학 처리, 발전 및 항공우주를 포함한 다양한 산업에서 응용됩니다.

고온 기계적 씰은 고온 환경에서 발생하는 고유한 과제를 해결하도록 설계되었습니다. 열 팽창, 재료 열화, 유체 증발 및 씰 구성 요소의 잠재적인 코킹 또는 파울링과 싸워야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고온 씰은 균형 잡힌 씰 면, 플로팅 구성 요소 및 극한의 열을 견디고 치수 안정성을 유지할 수 있는 고급 재료 조합과 같은 기능을 통합합니다.

기계적 씰의 고온 환경의 과제

재료 저하

높은 온도는 씰 재료가 분해되고, 기계적 특성을 잃고, 조기에 고장날 수 있습니다. 폴리머, 엘라스토머, 심지어 금속조차도 고온에서 부드러워지거나, 취성이 생기거나, 화학적 변화를 겪어 씰링 성능이 저하될 수 있습니다.

열팽창 및 기계적 변형

온도 변동 및 기울기는 씰 구성 요소와 인접 장비 간의 차등 열 팽창으로 이어질 수 있습니다. 이는 기계적 변형, 씰링 접촉 손실 및 누출 경로로 이어질 수 있습니다.

유체 증발 및 건식 주행

고온 유체는 특히 밀봉 인터페이스에서 증발되기 쉽습니다. 증발은 건조한 작동 조건, 마모 증가 및 씰 고장으로 이어질 수 있습니다. 안정적인 유체 필름을 유지하는 것은 씰 윤활 및 열 발산에 중요합니다.

씰 구성 요소의 코킹 및 파울링

탄화수소와 같은 특정 고온 유체는 코킹을 겪거나 씰 표면과 구성 요소에 침전물을 남길 수 있습니다. 코킹과 파울링은 씰링 인터페이스를 방해하고, 연마 마모를 일으키고, 씰 성능을 손상시킵니다.

고온 서비스를 위한 기계적 씰 선택의 핵심 요소

공정 유체 특성

공정 유체의 특성은 고온 서비스에 적합한 기계적 씰을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 주요 고려 사항에는 유체의 화학적 구성, 점도 및 고온에서의 상 변화 가능성이 포함됩니다.

예를 들어, 증기압이 높은 유체는 증발을 방지하고 밀봉 인터페이스에서 액체를 유지하기 위해 특수한 씰 설계가 필요할 수 있습니다. 또한 부식성 또는 공격적인 유체는 조기 고장을 방지하기 위해 내화학성 씰 표면 재료 및 엘라스토머를 사용해야 할 수 있습니다.

씰 재료의 온도 한계

고온 환경은 씰 재료를 한계까지 밀어붙일 수 있으므로 예상되는 작동 조건을 견딜 수 있는 구성 요소를 선택하는 것이 필수적입니다. 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드 및 탄소 흑연과 같은 씰 표면 재료의 최대 온도 정격은 원하는 작동 온도에서 무결성과 트라이볼로지 특성을 유지할 수 있는지 확인하기 위해 신중하게 평가해야 합니다.

마찬가지로, FKM, FFKM, PTFE와 같은 2차 씰에 사용되는 엘라스토머는 온도 안정성과 고온 조건에서 밀봉 특성을 유지하는 능력을 기준으로 선택해야 합니다.

씰 설계의 압력 용량

기계적 씰의 압력 정격은 고온 응용 분야에서 또 다른 중요한 요소입니다. 씰 설계는 씰링 인터페이스의 무결성을 손상시키거나 과도한 누출을 허용하지 않고 예상 작동 압력을 견딜 수 있어야 합니다.

백투백 및 탠덤 씰 배열은 종종 고압, 고온 서비스에서 추가적인 씰링 중복성을 제공하고 압력 성능을 향상시키기 위해 사용됩니다. 높은 압축 강도를 가진 씰 페이스 재료를 선택하고 견고한 씰 하우징 설계를 사용하면 까다로운 고온 환경에서 기계적 씰의 압력 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

샤프트 속도 및 장비 역학

장비의 회전 속도와 관련 샤프트 역학은 고온 응용 분야에서 기계적 씰의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 높은 샤프트 속도는 마찰로 인해 씰링 인터페이스에서 열을 증가시켜 씰 구성 요소의 마모와 잠재적인 열 변형을 가속화할 수 있습니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 나선형 홈이나 레이저로 새긴 면 패턴과 같은 향상된 윤활 기능이 있는 씰 설계를 사용하여 열 발산을 개선하고 씰 면 사이에 안정적인 유체 필름을 유지할 수 있습니다. 또한 유연한 그래파이트 또는 Grafoil 보조 씰을 사용하면 샤프트 정렬 오류를 수용하고 고온 서비스에서 장비 역학이 씰 성능에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.

고온 응용 분야를 위한 기계적 씰 유형 및 배열

백투백 어레인지먼트

백투백 씰 배열에서 두 개의 기계적 씰은 백 플레이트가 서로 마주보도록 장착됩니다. 이 구성은 냉각 또는 차단 유체가 씰 사이를 순환하여 열 발산을 효과적으로 관리할 수 있도록 합니다.

백투백 씰은 공정 유체가 특히 뜨겁거나 구성 요소의 열 팽창이 우려되는 고온 응용 분야에 이상적입니다. 배리어 유체는 씰 면에 안정적인 환경을 유지하여 재료 열화를 방지하고 최적의 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다.

대면 상담

대면 씰 배열은 씰 면이 서로를 향하도록 장착된 두 개의 기계적 씰을 특징으로 합니다. 이 설정은 공정 유체가 깨끗하고 씰 구성 요소가 막히거나 오염될 위험이 없는 고온 응용 분야에서 유용합니다.

대면 씰은 냉각 유체가 두 세트의 면에 직접 접촉할 수 있으므로 씰 면을 통한 효율적인 열 발산을 허용합니다. 이 배열은 종종 씰 면의 적절한 냉각 및 윤활을 보장하기 위해 적절한 배관 계획과 함께 사용됩니다.

탠덤 배열

탠덤 씰 배열은 두 개의 기계적 씰이 직렬로 장착되고 그 사이에 버퍼 유체가 있는 구조입니다. 이 구성은 누출에 대한 추가 보호 수준을 제공하며 공정 유체가 위험하거나 환경적으로 민감한 고온 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

버퍼 유체는 씰 표면을 윤활하고 냉각하는 역할을 하는 동시에 공정 유체와 대기 사이의 장벽 역할을 합니다. 탠덤 씰은 버퍼 유체가 높은 온도에서도 액체 상태를 유지하므로 유체 증발과 건식 주행을 방지하는 데 특히 효과적입니다.

고온 기계적 씰을 위한 재료 선택 가이드

표면 소재:

• 실리콘 카바이드: 높은 열 전도성, 내마모성, 화학적 호환성, 열 충격 저항성. 최대 1800°F(982°C)의 온도에 적합합니다.
• 텅스텐 카바이드: 뛰어난 내마모성으로 연마 환경에 이상적입니다.
• 탄소 흑연: 자체 윤활성, 열 안정성, 건식 주행 조건 및 최대 1000°F(538°C) 온도에 적합합니다.

엘라스토머:

• 플루오로엘라스토머(FKM): 최대 400°F(204°C)의 온도에 적합하고 내화학성이 우수합니다.
• 퍼플루오로엘라스토머(FFKM): 최대 600°F(316°C)의 온도를 처리할 수 있으며 뛰어난 내화학성을 제공합니다.
• 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 우수한 열 안정성, 낮은 마찰, 화학적 불활성. 최대 500°F(260°C)의 온도에 적합합니다.

야금:

• 스테인리스강(예: 316L, 17-4PH): 강도, 내구성, 고온에서의 산화 저항성이 우수합니다.
• 하스텔로이 및 인코넬 합금: 우수한 내식성 및 고온 성능. 공격적인 화학 환경 및 1000°F(538°C)를 초과하는 온도에 이상적입니다.

2차 씰:

• 유연한 흑연: 우수한 밀봉성, 열 전도성, 내화학성. 최대 1200°F(649°C)의 온도에 적합합니다.
• 그래포일: 유연한 흑연과 유사한 특성을 가지고 있으며 최대 850°F(454°C)의 온도를 견딜 수 있습니다.

고온 서비스를 위한 기계적 씰 지원 시스템

배리어 및 버퍼 유체 시스템

배리어 유체 시스템은 씰 면 사이에 호환되는 액체를 도입하여 공정 유체와 대기 사이에 물리적 장벽을 만듭니다. 이 배리어 유체는 공정 유체보다 더 높은 압력으로 유지되어 공정 유체가 씰 면에 도달하는 것을 방지합니다.

이와 대조적으로 버퍼 유체 시스템은 공정 유체와 씰 재료 모두와 호환되지만 공정 유체보다 낮은 압력에서 유체를 사용합니다. 버퍼 유체는 씰 표면을 냉각하고 윤활하여 열 발생을 줄이고 씰 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

배관 계획

배관 계획은 고온 서비스를 포함한 다양한 응용 분야에서 기계적 씰을 지원하는 보조 장비 및 배관의 표준화된 배열입니다. 이러한 계획은 American Petroleum Institute(API) 표준 682에 따라 번호로 지정됩니다. 고온 기계적 씰에 대한 몇 가지 일반적인 배관 계획은 다음과 같습니다.

• 플랜 23: 이 플랜은 열교환기를 사용하여 펌핑 링이나 외부 펌프로 순환되는 배리어 유체를 냉각합니다. 냉각된 배리어 유체는 씰 면에서 안정적인 온도를 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 플랜 52: 이 배열에서 외부 저장소는 스로틀 부싱을 통해 씰 챔버에 버퍼 유체를 공급합니다. 버퍼 유체는 씰 면을 냉각하고 윤활하는 데 도움이 되는 반면, 스로틀 부싱은 유량을 제어하고 원하는 압력 차이를 유지합니다.
• 계획 53A: 이 계획은 계획 52와 23의 특징을 결합하여, 밀봉 챔버에 차단 유체를 공급하기 위한 가압 외부 저장소와 순환 유체를 냉각하기 위한 열교환기를 사용합니다.
• 계획 54: 이 계획은 계획 53A와 유사하게 외부 가압 저장조와 열교환기를 사용하지만, 장벽 유체 흐름을 제어하고 압력 차이를 유지하기 위해 근접 여유 조절 부싱도 포함합니다.