化学工業用ポンプのシールの重要性

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化学工業用ポンプのシールの重要性 特殊な運転条件におけるメカニカルシールの保守策 化学工場の化学装置において、動力機器のメカニカルシールは、全動的シールの約80％～85％を占めている。また、化学工業用ポンプの故障のうち、機械シールの故障が全体の修理作業量の約半分を占めている。化学ポンプのメンテナンスにおいて、機械シールが占める位置がわかる。化学ポンプが送液する媒体は多種多様であり、工程条件もそれぞれ異なるため、これらの状況を把握することは、機械シールの選定およびメンテナンスにおいて非常に重要です。ここでは、いくつかの特殊な作業条件下におけるメカニカルシールの動作特性と注意点について説明します。 一.腐食環境下の機械シール：一部の機械シールは腐食環境下にある。この場合、シールを構成する各部品自体の耐腐食性に注意するだけでなく、それらが組み合わさった際に生じうる電気的カップリング現象も防ぐ必要がある。腐食環境下の機械シールでは、選定時に耐腐食性のある材料を使用することに注意が必要です。また、外装式の機械シールを使用することもできる。腐食性が非常に強く、安全事故を引き起こしやすい場合は、両端面シールを用いて隔離液を導入し、保護することができる。 二. 高圧下の機械シール：機械シールの動作圧力が4～5MPaを超える場合、それは高圧シールの範疇に属する。高圧条件下では、シール端面の面圧が過大になるため端面が発熱し、それによって液膜の形成が破壊され、異常な摩耗が生じる。高圧は、摩擦対に変形や破壊を引き起こす可能性もあります。高圧シールには一般的にバランス型構造が採用され、端面の比圧を適切な範囲に保ちます。しかし、シールの信頼性を考慮すると、バランス係数を無制限に大きくすることはできず、そのためバランスト構造を採用していても、端面の比圧が依然として高くなる場合がある。バランス型構造だけでは使用要件を満たすのが難しく、この場合は多端面機械シールや制御付きフィルム機械シールを用いることができる。 三. 高速下の機械シール：回転速度が3000r/minを超えるか、または摩擦対の線速度が25m/sを超える場合、一般的に高速シールと見なされる。高速条件下では、線速度が非常に大きいため摩擦端面で発生する熱も多くなり、このとき端面の液膜は形成されにくく、摩耗が激しくなる。高速では回転リングの振動を引き起こしやすく、大きな遠心力が作用するため、端面間の液膜の形成と維持に不利となる。したがって、高速状態では遠心力や振動の影響を軽減するため、回転部品をできるだけ減らし、スプリング式の固定構造を採用すべきである。摩擦対の端面の冷却と潤滑を強化することもできる。また、高価な摩擦ペア材料を使用して端面の接触幅を狭めるか、制御型のメカニカルシールを採用することもできる。近年、ディファレンシャルリング式の機械シールも高速機器で利用されている。元の動静環の間に差動環を挿入することで、摩擦対の線速度を半分に抑えることができ、良好な効果が得られました。 四. 粒子媒体中の機械シール：一部の機械シールは、固体粒子を含む媒体中で動作することがあります。固体粒子が摩擦面に入ると、激しい摩耗が生じやすく、その結果、シール面が急速に機能しなくなります。また、固体粒子が動環のシールリングが軸方向に移動するのを妨げ、その結果動環が浮動できなくなり、補償機能を失って機械シールが故障することがあります。これに対して効果的な方法は、外部洗浄装置を取り付けることです。シールチャンバー内の洗浄液圧力がシールチャンバー内の媒体圧力よりも高いため、粒子状の媒体がシールチャンバー内に入るのを効果的に防ぐことができる。また、両端面機械シールを使用し、シール室の中央にシール液を入れることもできる。外部式メカニカルシールを使用することもできます。 五. 高温下の機械シール：一般的に、媒体の温度が120℃を超える場合を高温シールとみなす。この時、機械シールに存在する主な問題は以下の通りです。1.摩擦対の端面温度が上昇することで、シール端面間の液膜が気化し、摩擦係数が増大して摩耗が激しくなり、温度上昇も進みます。その結果、シールリングが熱変形したり熱亀裂を起こしたりして機能しなくなります。 2. 機械シールにおける補助シールリングの材料は、一般的にゴムまたはポリテトラフルオロエチレンであるが、長時間高温環境下に置かれると劣化や分解を起こしやすく、シール機能が失われる。 3. 高温下では、機械シールの弾性要素が疲労やクリープを起こしやすく、シールが機能しなくなる。 4. 高温は金属材料の腐食を促進し、機械シールの使用寿命を短くします。 高温環境下で機械シールが正常に動作するようにするために、以下の対策を講じることができます：1．機械シールに冷却洗浄装置を追加する。 2．高耐熱性の材料を選び、異なる作業温度に応じて適切な材料を選択する。ニトリルゴムの温度上限は80℃、シリコーンゴムとフッ素ゴムは200℃、ポリテトラフルオロエチレンは250℃です。また、機械シールにおける非金属摩擦対は、ほとんどがグラファイト含浸材で作られているため、異なる動作温度に応じて適切な種類の含浸グラファイトを選択する必要がある。一般的なバス合金に浸したグラファイトの適用温度範囲は150℃未満であり、樹脂に浸したグラファイトの適用温度範囲は170～200℃です。銅、アルミニウム、鉛に浸したグラファイトは、400℃未満の作業条件で使用できます。動環コンポーネントは、高温下で動環と動環ベースの接続が緩むのを防ぐため、できるだけ膨張係数が近い材料を使用すべきである。 3．金属波形チューブ式メカニカルシールを選択する。金属波形チューブシールは、近年、高温シールに多く使用され、優れた効果を上げています。この種の機械シールでは、通常の機械シールに使われているスプリングの代わりに金属製の波形チューブが使用され、動環用の補助シールリングが不要となります。また、動環が回転軸と接触する際の摩擦や摩耗を克服する必要もないため、高温環境下での使用においても、一般的に良好な効果が得られます。 六．低温下の機械シール：化学工場の化学プラントにおいて、低温で輸送される媒体は一般的に粘度が低く、潤滑性が悪く、気化しやすいという特徴を持つ。また、媒体が気化する際に大量の熱を吸収するため、周囲の温度が急激に下がり、空気中の水分が凝結して端面やその周辺が凍結する。これにより端面の密着が悪くなり、漏れが発生する。同時に、潤滑性が悪いため端面の摩擦で多くの熱が発生し、これを適時に逃がせない場合、必然的に端面での気化が進行し、悪循環を引き起こしてシール面の早期劣化を加速させます。また、低温封止用の補助シールリングが低温下で硬化して弾力を失うと、漏れを引き起こしやすくなります。 低温封止においては、適切な補助シールリングの材質を選定するだけでなく、以下の点にも注意する必要があります：1．シール構造の改善および摩擦対材質の正しい選定。実践により、静止環の表面に円弧状の溝を設けることで流体力学的なシールが形成され、流体膜の支持能力が向上し、端面の潤滑状態が改善されるため、機械シールの使用寿命が効果的に延ばされることが証明されている。端面のペアリングにおいては、炭化タングステンとM106Kグラファイトの組み合わせ（つまり動環・静環の材料）は、潤滑性が良く、摩擦係数が低く、熱伝導性も比較的優れているため、他の材料よりも一般的に優れています。 2．適切な端面比圧を選択する。低温封止では端面の潤滑性が悪いため、気化や結氷が起こりやすく、封止の信頼性を確保する前提のもとで、端面の比圧を適宜低減することができる。一般的な機械シールの圧力値の推奨値は0.29～0.59MPaであり、低温用シールの場合はその下限値を採用することができる。金属製の波形チューブ式メカニカルシールでは、動環に軸方向の摩擦がないため、端面の圧力は下限よりも低くなることさえある。 3．工程上、適切な対策を講じる。媒体の含水率をできるだけ減らすように；シールチャンバーの圧力を比較的安定させ、可能な限り洗浄冷却装置を備え、装置の起動前にシール部を適切に予熱するなどする。