この記事では、コスト削減と機械シール効率の向上を目的としたプラントメンテナンスにおける技術的進歩について説明しています。液体バリアの代わりに不活性ガスを使用して摩擦と摩耗を減少させる溝付きの非接触機械エンドフェイスシールなどの革新を強調しています。自己潤滑性を持つ炭化ケイ素やダイヤモンドコーティングされたシール面などの新素材が耐久性と性能を向上させます。EN 12756およびAPI 682による標準化は、互換性とコスト削減を保証します。これらの進歩は、特に石油・ガス、石油化学、製薬などの重要な用途において、シールの信頼性、エネルギー節約、寿命を大幅に向上させます。
プラントメンテナンスでコストを削減できます。これを達成するためには、2つの重要な要素があります。
技術開発
機械シールは、回転部品（動的リング）と固定部品（静的リング）で構成されています。動的リングは通常、機器の回転部分（シャフトなど）に接続されており、静的リングは機械の固定部分（回転ポンプのパッキングボックスなど）に接続されています。効果的なシール性能を確保するためには、シール面が絶対に平坦であり、表面粗さが非常に低くなければなりません。正確にマッチした動的および静的リングは、プロセス流体の漏れを効果的に防ぎます。
2つのシール面間の相互作用は、機械シールの水力平衡状態を決定します。通常の作業条件下では、形成された液膜がシール流体の圧力によって生成される開閉力の間で水力平衡を達成し、物理的な漏れを制限します。API 682標準は、正しいサイズパラメータを計算する方法について詳細なガイダンスと仕様を提供しています。
しかし、運転中にシールリングが機械的および熱的ストレスによって変形することがあり、機械シールの性能に影響を与える可能性があります。この変形は元の水力バランスを崩し、シール面間の液膜を不安定にし、過剰な漏れを引き起こします。
したがって、エンジニアは特に重要な用途条件下で摩擦を減少させるための新しい技術的方法を常に模索しており、新素材の開発と新しいシール技術の応用に特に注力しています。これらの革新は、現代の生産プロセスにおけるシール効率と信頼性を大幅に向上させました。
非接触技術 - 溝付きスライディングエンドフェイス
非接触機械エンドフェイスシールシステムは、動的リングと静的リングで構成されています。動的リングのエンドフェイスは特定の幾何学的形状（スパイラルや段付きなど）に特別に加工されており、2つのエンドフェイス間に流体動的効果を生成し、それによって安定した小さなギャップを形成します（図1を参照）。この設計は流体動的リフトの原理を利用しており、シール面が直接接触せずに効果的なシール状態を維持できるようにします。
従来の接触シールとは異なり、この非接触設計は液体バリアやそれに関連するサポートシステムに依存しません。代わりに、不活性ガスをシールインターフェースに供給することでシール効果を達成します。不活性ガスの選択は通常、その化学的安定性と作業環境への適応性に基づいて行われ、シールされる媒体との反応を避けます。さらに、不活性ガスの圧力と流量は、シンプルなコントロールパネルを通じて正確に制御でき、シール性能の安定性と信頼性を確保します。
摩擦係数とシールの摩耗をほぼゼロに効果的に減少させるため、このソリューションは特にエネルギー節約が重要な用途に非常に適しています。特に石油・ガス、石油化学、製薬業界でゼロエミッションが求められる用途に適しています。
新世代の材料
自己潤滑性を持つ炭化ケイ素材料は、機械シールで広く使用されています。可動部品のマッチングを選択する際には、摩擦を最小限に抑えるために通常、異なる硬度の材料が使用されます。シールリングの組み合わせの選択は特に重要であり、最も一般的に使用される組み合わせはカーボンリングと炭化ケイ素リングです（図2、一般的な表面組み合わせの圧力xサイクル速度PxV係数を参照）。この組み合わせは、優れた熱伝導性と化学的耐性を持つだけでなく、流体中の研磨粒子による摩耗にも効果的に抵抗します。
グラファイトリングと炭化ケイ素リングが様々な理由で変形すると、優れた相互適応性を示し、良好なシール性能を維持します。しかし、作業圧力が非常に高い場合や流体に大量の汚れが含まれている場合には、シール効果を確保するために2つの高硬度リングを使用する必要があります。これらの材料は摩擦係数が高いため、回転中により多くの熱が発生し、液膜の蒸発を引き起こし、ドライランニング、リングの変形や破損、補助ガスケットの性能に影響を与える可能性があります。
最近開発された製造プロセスでは、浸漬法（シリコンカーバイド浸漬法）を通じて焼結シリコンカーバイドマトリックスに自己潤滑材料粒子を追加します。この方法で作られた固定および回転リングは、非常に高い性能限界を達成できます。特に、この材料を使用した機械シールは吸収トルク値を制限し、摩擦と発熱を大幅に削減します。これにより、シールコンポーネントの耐久性と信頼性が向上し、特に極端な作業条件下でのアプリケーションに適しています。
ダイヤモンドコーティングされたシール面
シリコンカーバイドリングは、化学蒸着（CVD）プロセスを通じて薄いダイヤモンドコーティング層でコーティングされ、トライボロジー特性と化学的適合性を向上させます。発電所や石油・石油化学施設の温水アプリケーションでは、液体ガスが蒸発しやすく、潤滑性能が失われることがありますが、ダイヤモンドコーティングはシールの耐摩耗性と耐腐食性を大幅に向上させます。
製薬業界では、汚染を避ける必要があるため、従来のシールは厳しい要件を満たすことができないことが多いですが、ダイヤモンドコーティングされたシールは優れた化学的慣性と純度を示し、これらの高い標準要件を完全に満たします。
さらに、ダイヤモンドコーティングされたリングを使用した機械シールは、デュアルシールおよび非接触シールの乾燥運転条件下での短時間の運転に耐えることができ、適用範囲をさらに拡大します。
Engineering machinery seals
設計段階では、シールリングの断面積の一貫性を維持することが大きな課題です（図3参照）。この一貫性は、シールリングの駆動安定性を確保し、逆転を防ぐために重要です。このタイプのシールは現在、ボイラーフィードポンプ、パイプライン、注水システム、多相ポンプ、および100バールを超える作業圧力を持つ他の高圧アプリケーションで広く使用されています。シールリングのサイズと形状を正確に制御することは、シール性能を維持するだけでなく、摩耗を効果的に減少させ、寿命を延ばすのに役立ちます。
Standardization and interchangeability
機械シールコンポーネントは、他の産業用アクセサリーと同様に、取り付け寸法を指定する参照標準を持っており、他のメーカーが製造したシールを交換用に使用することができます。これにより、エンドユーザーへのサービス品質が向上し、工場の運営コストが削減されます。
EN 12756 standard
EN 12756規格は、回転および固定コンポーネントを覆うフランジおよびスリーブを除き、コンポーネントとして使用される単一機械シールおよび二重機械シールの主な取り付け寸法を指定しています。戦後初期には、最初の機械シールがアメリカからヨーロッパに導入され、測定単位はインチでした。
DIN 24960規格は後にEN 12756規格に進化し、特にISO規格に従ってポンプを製造するメーカーにとって大きな利益をもたらしました。エンドユーザーはもはや非標準化製品を提供するシールサプライヤーに限定されることはありません。その結果、シールの価格と関連するメンテナンスコストは大幅に削減されました。
API standards
石油およびガス設備のポンプは通常API 610規格に従って製造され、機械シールは通常API 682規格に従って製造されます。この規格によれば、シールは円筒形コンポーネントの形で提供され、取り付けを簡素化し、納品前にテストを行うためにフランジとブッシングが装備されている必要があります。API規格は、市場に出回っている異なるAPIポンプのパッキングボックス仕様に基づいて機械シールのサイズを決定するための推奨事項を提供します。
この標準化は技術的に実現可能であるだけでなく、スタッフィングボックス内のコンポーネントの全体的な寸法を標準化することもでき、中規模の大量生産を実現し、製造および倉庫管理コストを削減します。
重要なことに、この標準化によりエンドユーザーは異なる「認定された機械シールメーカー」を選択できるようになり、互換性の問題を解消します。この方法により、ユーザーは適切なシールを柔軟に選択し、スムーズな交換を確保し、不適合なシールによるダウンタイムとメンテナンスコストを削減できます。
