渦巻ポンプのメカニカルシールの種類・選定・取り付け方法

ポンプ シャフトの近くに数滴の液体が形成されると、最初は無害に見えるかもしれませんが、多くの場合、メカニカル シールの故障の最初の兆候です。遠心ポンプでは、メカニカル シールは、回転シャフトがポンプ ケーシングに入る部分で加圧されたプロセス流体が逃げるのを防ぐ部品です。障害が発生すると、製品の損失、計画外のダウンタイム、安全上の危険、高額な修理が発生します。メカニカル シールがどのように機能するか、どのような種類が利用できるか、ポンプの他の部分がシールの性能にどのような影響を与えるかを理解することは、遠心ポンプを仕様、操作、保守する人にとって不可欠です。

この記事では、渦巻きポンプのメカニカルシールの基礎を説明し、主なシールの種類を比較し、実際の選択と取り付けについて説明します。また、ポンプの鋳造品の品質とシールの寿命との見落とされがちな関係も強調しています。これはシール自体と同じくらい重要なトピックです。

メカニカルシールの仕組み

メカニカル シールには 2 つの超平坦なシール面があり、1 つはシャフトとともに回転し、もう 1 つはポンプ ハウジング内で静止したままになります。バネと油圧によって強制的に結合されたこれらの面は、流体の漏れを非常に薄い膜に制限するバリアを形成します。このフィルム (通常、厚さはわずか数ミクロン) が面を潤滑し、プロセス圧力を維持しながら空運転を防ぎます。

潤滑を維持するために漏れの制御に依存するグランドパッキンとは異なり、適切に選択されたメカニカルシールでは目に見える漏れはほとんど発生しません。このため、特に流体が危険、高価、または環境に有害な場合、ほとんどの最新の遠心ポンプにとって好ましい選択肢となっています。

シールアセンブリには、O リングやガスケットなどの二次シール要素や、一部の設計では金属またはゴム製ベローズも含まれています。これらの二次シールは、グランド プレート、ポンプ ケーシング、シャフト スリーブ間の静的シールを処理します。メカニカルシールの全体的な性能は、それ自体のコンポーネントの品質だけでなく、ポンプケーシング、シャフト、インペラの状態にも依存します。これらのポンプ コンポーネントがシーリング環境にどのように貢献するかを知りたい場合は、 遠心ポンプにおける遠心ポンプ鋳物の役割 有用なコンテキストを提供します。

渦巻ポンプ用メカニカルシールの主な種類

遠心ポンプは幅広い圧力、温度、プロセス条件下で動作するため、すべてのサービスに単一のシール設計が適用できるわけではありません。設計者とメンテナンス エンジニアは通常、6 つの一般的なカテゴリから選択します。

バランスシールとアンバランスシール

アンバランスシールは、ポンプからの全油圧が面を押し合う固定面配置を備えています。この設計はシンプルで安価ですが、高圧では過度の面荷重が発生し、熱と摩耗が増加します。バランスシールには段付きシャフトまたはメイティングリングに段差があり、油圧にさらされる領域が減少します。これにより、より少ない面荷重でより高い圧力に対処できるようになります。およそ 15 ～ 20 bar を超えるほとんどの遠心ポンプ用途では、バランスの取れたシールが推奨されます。

プッシャーシールとノンプッシャーシール

プッシャーシールは、シール面が磨耗しても面接触を維持するためにシャフトに沿ってスライドする動的 O リングを使用します。これは実証済みの設計ですが、O リングは柔軟性を維持する必要があります。汲み上げられた流体によって O リングが膨張したり固着したりすると、シールが機能しなくなる可能性があります。非プッシャーシールは、多くの場合、金属ベローズを備えており、エラストマーを滑らせるのではなく、ベローズの素材を曲げることによって摩耗を補償します。これらは高温やエラストマーを劣化させる流体に適していますが、コストが高くなる傾向があります。

従来のシールとカートリッジシール

従来のメカニカル シールはいくつかの部品で構成されており、設置者は組み立て中にスプリング、回転面、グランド プレート、固定シートの位置を決めます。これにより柔軟性が得られますが、取り付けエラーが発生する可能性が高くなります。カートリッジ シールは、一体としてシャフト上にスライドする、事前に組み立てられたユニットです。正しい設定と圧縮を維持し、取り付けミスを減らし、メンテナンス時間が重要なポンプに特に人気があります。

これらのタイプから選択する場合は、圧送流体、圧力変動、温度、シャフト速度、研磨粒子の有無も考慮する必要があります。これらの要因によって、シングル シール、デュアル シール、またはフラッシュ プランを備えたシールが正しい選択であるかどうかが決まります。

ポンプコンポーネントの品質がシール寿命に影響を与える理由

メカニカル シールは、ポンプ自体の動的挙動の影響を受けやすくなります。振動、シャフトのたわみ、位置ずれにより、シール面が開いたり、弾んだり、不均一に摩耗したりする可能性があります。このような状態は、多くの場合、シールではなく、ポンプの鋳造設計や製造上の欠陥によって引き起こされます。

の 遠心ポンプの鋳物 ケーシング、ボリュート、その他の圧力がかかる部品を形成する部品は、適切な肉厚、冶金学的完全性、および寸法精度を備えていなければなりません。ケーシングが歪んでいると、フランジに不均一な荷重がかかり、グランド プレートの位置がずれてシールが急速に摩耗する可能性があります。優れた鋳造品は、圧力下での気孔や漏れのリスクも軽減し、シール環境を保護します。

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の impeller is just as important. An imbalanced impeller creates vibration that travels down the shaft and into the seal chamber. Precision-machined ブレードインペラ鋳物 回転をスムーズかつ同心円状に保つのに役立ちます。固体を扱うアプリケーションの場合、 スパイラル遠心羽根車鋳物 繊維状または粒子を含む流体を詰まらせることなく通過させ、シール周囲の圧力変動を軽減するため、よく使用されます。

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表面仕上げも重要です。シールの固定シートはケーシンググランドに接しており、その表面が粗いと、漏れ経路ができたり、シール面が歪んだりする可能性があります。表面品質の悪い鋳物には追加の機械加工が必要であり、シールに影響を与える微小な欠陥が残る可能性があります。表面仕上げの改善に関する詳細情報は、次の記事を参照してください。 ステンレス製ウォーターポンプ鋳物の表面仕上げの確保 。同様に、インペラの水力学的形状は、シール室の圧力分布に影響します。これは、のレビューで説明されています。 ステンレス鋼のインペラ設計が効率と性能に与える影響 .

メカニカル シールの選択: 重要な考慮事項

適切なメカニカルシールの選択は、軸径の一致だけではありません。すべてのアプリケーションで次のパラメータを確認する必要があります。

• 流体特性: 腐食性流体には、セラミック、炭化ケイ素、ハステロイなどの接液材料が必要です。固形物を含む液体では、表面を清潔に保つためにフラッシュ計画が必要になることがよくあります。
• 圧力: 高圧では通常、バランスの取れたシールが必要です。また、スタッフィング ボックス内の圧力がポンプの吐出圧力より高いか低いかを確認する必要があります。これはシールの設計に影響します。
• 温度: 高温ではエラストマー O リングの限界を超える可能性があるため、金属ベローズ シールが推奨されます。低温では氷結や重合が起こる可能性があります。
• シャフト速度: 表面速度が高くなると発熱が増加するため、シール面には適切な冷却と潤滑が必要です。
• 規格: 多くの業界では、遠心ポンプのシールは、シールのカテゴリ、配置、およびフラッシュ計画を定義する API 682 に従って指定されています。
• 設置スペース： カートリッジシールはより多くのスペースを必要としますが、取り付けは簡単になります。グランドプレートにシールの取り付けのためのスペースがあることを確認してください。

もう一つ重要な点はシャフトスリーブの品質です。シールのエラストマーまたはベローズはスリーブ上をスライドするため、ハードクロムメッキまたは滑らかな仕上げの耐食性材料で作られている必要があります。粗いまたは腐食したスリーブは、すぐに二次シール要素を破壊します。

設置とメンテナンスの必需品

どんなに優れたメカニカルシールであっても、取り付けが間違っているとすぐに故障してしまいます。最も一般的なエラーは、グランド プレートの位置ずれ、面の汚れまたは損傷、不適切な圧縮、および始動時の空運転です。信頼性の高いインストールのための重要な手順は次のとおりです。

1. スタッフィングボックスとシャフトスリーブを清掃します。すべてのバリ、スケール、古いガスケット材料を取り除きます。
2. シャフトの振れがポンプメーカーの制限内であることを確認します。通常はシール領域で 0.05 mm 以下です。
3. 明るい光の下で新しいシール面を検査します。切り傷、傷、汚れがある場合は、シールを使用しないでください。
4. メーカーが別途指示しない限り、適合する潤滑剤の薄い膜をシール面とエラストマーに塗布してください。
5. 固定シートとグランドプレートを取り付け、止めネジを締めすぎないように回転ユニットをシャフトにスライドさせます。
6. 図面に従って正しい圧縮長を設定してください。カートリッジシールの場合は、プリセットユニットを取り付け、グランドを締めた後にクリップを取り外すだけです。
7. グランドが歪まないように、グランドボルトを十字のパターンで均等に締めてください。
8. ポンプを始動する前に、シールが空になるのを避けるために、ケーシングを通気し、シールチャンバーをフラッシュしてください。

動作中はシールチャンバーの温度を監視し、きしむ音やチャタリング音を聞き、目に見える漏れがないか確認してください。多くのポンプは、シールチャンバーを通してきれいな液体を循環させる小さなフラッシュラインを使用しています。ラインを開いたままにし、必要に応じて流量を調整します。ポンプの振動監視と合わせてシール領域を計画的に検査すると、シールが完全に故障する前に問題を早期に発見できます。

結論

遠心ポンプのメカニカルシールは単独では機能しません。これは、安定したシャフト状態、正しいポンプアセンブリ、およびよく作られたポンプ内部構造に依存する精密部品です。流体、圧力、温度、設置要件に適合するシールのタイプを選択することが最初のステップです。 2 番目は、ポンプ ケーシングとインペラが正しい公差に従って機械加工されていることを確認することです。これらの組み合わせにより、シール面が冷却され、潤滑され、数千時間の動作時間にわたって安定した状態が保たれます。

ポンプ メーカーやメンテナンス チームにとって、これらの公差を理解している鋳造サプライヤーと協力することで、シールの信頼性に目に見える違いをもたらすことができます。固体の遠心ポンプ鋳物、精密な形状のブレード インペラの鋳物、または特殊なスパイラル遠心インペラの鋳物が必要な場合でも、これらのコンポーネントの品質はメカニカル シールの寿命に直接影響します。メカニカル シールを検査チェックリストに記載しますが、それをサポートする鋳物も忘れないでください。