コンプレッサーのエアシール技術を応用したダブルブースターポンプのエアシールは、シャフトシール業界で広く採用されています。これらのシールは、ポンプで送られる液体が大気中に漏れるのを防ぎ、ポンプシャフトの摩擦抵抗を低減し、よりシンプルな支持システムで動作します。これらの利点により、ソリューション全体のライフサイクルコストを削減できます。
これらのシールは、内側と外側のシール面の間に外部から加圧ガスを導入することで機能します。シール面の特殊な形状により、バリアガスにさらに圧力がかかり、シール面が分離してガス膜中に浮遊します。シール面同士が接触しなくなるため、摩擦損失は低くなります。バリアガスは低流量で膜を通過し、漏れとして消費されます。漏れたバリアガスの大部分は、外側のシール面から大気中に放出されます。残留物はシールチャンバー内に浸透し、最終的にはプロセス流によって運び去られます。
二重気密シールでは、メカニカルシールアセンブリの内面と外面の間に加圧流体（液体または気体）が必要です。この流体をシールに供給するためのサポートシステムが必要となります。一方、液体潤滑式圧力二重シールでは、バリア流体がリザーバーからメカニカルシールを通って循環し、シール面を潤滑し、熱を吸収した後、吸収した熱を放散するためにリザーバーに戻ります。このような流体圧力式二重シールのサポートシステムは複雑です。熱負荷はプロセス圧力と温度の上昇とともに増加し、適切に計算および設定しないと信頼性の問題を引き起こす可能性があります。
圧縮空気二重シール支持システムは、設置スペースが少なく、冷却水も不要で、メンテナンスもほとんど必要ありません。さらに、信頼性の高いシールドガス供給源が確保されていれば、その信頼性はプロセス圧力や温度に左右されません。
市場における二重圧力ポンプ用エアシールの採用拡大に伴い、米国石油協会（API）は、API 682の第2版の発行の一環として、プログラム74を追加しました。
74 プログラムサポートシステムは通常、パネルに取り付けられたゲージとバルブのセットで、バリアガスをパージし、下流の圧力を調整し、メカニカルシールへの圧力とガス流量を測定します。プラン74パネルを通るバリアガスの経路をたどると、最初の要素はチェックバルブです。これにより、フィルターエレメントの交換やポンプのメンテナンスのために、バリアガスの供給をシールから隔離できます。次に、バリアガスは2～3マイクロメートル（µm）の凝集フィルターを通過します。このフィルターは、シール表面の地形的特徴を損傷する可能性のある液体や微粒子を捕捉し、シール表面にガス膜を形成します。その後、圧力レギュレーターとマノメーターが続き、メカニカルシールへのバリアガスの供給圧力を設定します。
二重圧力ポンプのガスシールでは、バリアガスの供給圧力が、シールチャンバー内の最大圧力に対する最小差圧以上である必要があります。この最小圧力降下はシールメーカーや種類によって異なりますが、一般的には30psi程度です。圧力スイッチは、バリアガスの供給圧力に異常がないかを確認し、圧力が最小値を下回った場合に警報を発するために使用されます。
シールの動作は、流量計を用いてバリアガス流量を制御することで制御されます。メカニカルシールメーカーが報告するシールガス流量からのずれは、シール性能の低下を示します。バリアガス流量の減少は、ポンプの回転、または（汚染されたバリアガスやプロセス流体からの）シール面への流体移動が原因である可能性があります。
多くの場合、このような事象の後、シール面に損傷が生じ、バリアガス流量が増加します。ポンプ内の圧力サージやバリアガス圧力の部分的な低下も、シール面に損傷を与える可能性があります。高流量アラームは、高流量を是正するための介入が必要なタイミングを判断するために使用できます。高流量アラームの設定値は、通常、通常のバリアガス流量の10～100倍の範囲ですが、これは通常、メカニカルシールメーカーによって決定されるのではなく、ポンプが許容できるガス漏れの量によって異なります。
従来、可変ゲージ流量計が使用されており、低流量計と高流量計を直列に接続することも珍しくありません。高流量計には高流量スイッチを取り付けることで、高流量警報を発することができます。可変面積流量計は、特定の温度と圧力における特定のガスに対してのみ校正が可能です。夏と冬の間の温度変動など、その他の条件下で動作する場合、表示される流量は正確な値とは言えませんが、実際の値に近い値となります。
API 682 第4版の発行に伴い、流量および圧力測定はアナログからデジタルへと移行し、ローカルでの読み取りが可能になりました。デジタル流量計は、フロート位置をデジタル信号に変換する面積式流量計、または質量流量を体積流量に自動的に変換する質量流量計として使用できます。質量流量トランスミッターの特長は、圧力と温度を補正して標準大気圧下での真の流量を出力することです。ただし、これらの機器は面積式流量計よりも高価であるという欠点があります。
流量トランスミッターを使用する際の問題点は、通常運転時と高流量警報時の両方でバリアガス流量を測定できるトランスミッターを見つけることです。流量センサーには、正確に読み取れる最大値と最小値があります。流量がゼロから最小値までの範囲では、出力流量が正確でない場合があります。問題は、特定の流量トランスデューサーモデルの最大流量が増加すると、最小流量も増加することです。
一つの解決策は、2つの送信機（低周波と高周波）を使用することですが、これは高価な方法です。2つ目の方法は、通常の動作流量範囲に流量センサーを使用し、高流量スイッチと高範囲アナログ流量計を使用することです。バリアガスが通過する最後のコンポーネントは、バリアガスがパネルを出てメカニカルシールに接続される前のチェックバルブです。これは、異常なプロセス障害が発生した場合に、ポンプで送られた液体がパネルに逆流して機器が損傷するのを防ぐために必要です。
逆止弁は低い開弁圧力を持つ必要があります。選定が間違っている場合、または二重圧力ポンプのエアシールのバリアガス流量が低い場合、逆止弁の開閉によってバリアガス流量の脈動が発生することがわかります。
一般的に、バリアガスとしては、入手が容易で不活性であり、ポンプで送液される液体に有害な化学反応を引き起こさないプラント窒素が使用されます。入手困難な不活性ガス（アルゴンなど）も使用できます。必要なシールドガスの圧力がプラント窒素の圧力よりも高い場合は、加圧ポンプで圧力を上げて、高圧ガスをPlan 74パネル入口に接続されたレシーバーに貯蔵することができます。ボトル入りの窒素ボンベは、空になったボンベを常に満タンのボンベと交換する必要があるため、一般的には推奨されません。シールの品質が低下した場合は、ボンベを素早く空にすることでポンプを停止させ、メカニカルシールのさらなる損傷や故障を防ぐことができます。
液体バリアシステムとは異なり、Plan 74 サポートシステムはメカニカルシールに近接する必要はありません。ただし、小径チューブの細長い部分については注意が必要です。流量が多い期間（シールの劣化）には、Plan 74 パネルとシールの間の圧力降下がパイプ内で発生し、シールに供給できるバリア圧力が低下します。パイプのサイズを大きくすることで、この問題を解決できます。通常、Plan 74 パネルは、バルブの制御や計器の読み取りに便利な高さのスタンドに取り付けられます。ブラケットは、ポンプの点検やメンテナンスを妨げることなく、ポンプのベースプレートまたはポンプの隣に取り付けることができます。Plan 74 パネルとメカニカルシールを接続するパイプ/パイプでつまずく危険を避けてください。
ポンプの両端にそれぞれメカニカルシールを備えたインターベアリングポンプの場合、1つのパネルと各メカニカルシールへの個別のバリアガス出口を使用することは推奨されません。推奨される解決策は、各シールごとに個別のPlan 74パネルを使用するか、2つの出力を持つPlan 74パネルを使用し、各出力に独自の流量計と流量スイッチのセットを取り付けることです。冬の寒さが厳しい地域では、Plan 74パネルを冬期保管する必要がある場合があります。これは主にパネルの電気機器を保護するために行われ、通常はパネルをキャビネットに収納し、ヒーターを追加することで行われます。
興味深い現象として、バリアガスの供給温度が低下するとバリアガスの流量が増加するというものがあります。これは通常気づかれませんが、冬の寒さが厳しい場所や、夏と冬の気温差が大きい場所では顕著になることがあります。場合によっては、誤報を防ぐために高流量警報の設定値を調整する必要があるかもしれません。プラン74パネルを稼働させる前に、パネルのエアダクトと接続パイプ/パイプをパージする必要があります。これは、メカニカルシール接続部またはその近くにベントバルブを追加することで最も簡単に実現できます。ブリードバルブが利用できない場合は、メカニカルシールからチューブ/チューブを外し、パージ後に再接続することでシステムをパージできます。
プラン74パネルをシールに接続し、すべての接続部に漏れがないか確認した後、圧力調整器をアプリケーションの設定圧力に調整します。ポンプにプロセス流体を充填する前に、パネルはメカニカルシールに加圧バリアガスを供給する必要があります。ポンプの試運転とベント手順が完了すると、プラン74シールとパネルは起動準備完了となります。
フィルターエレメントは、運転開始後1か月、または汚染が見られない場合は6か月ごとに点検する必要があります。フィルターの交換間隔は供給されるガスの純度によって異なりますが、3年を超えてはなりません。
バリアガス流量は、定期点検時に確認し記録する必要があります。逆止弁の開閉によって生じるバリア空気流量の脈動が、高流量警報を発するほど大きい場合は、誤警報を避けるために警報値を上げる必要があるかもしれません。
廃止措置において重要なステップは、シールドガスの遮断と減圧を最後のステップとすることです。まず、ポンプケーシングを遮断し、減圧します。ポンプが安全な状態になったら、シールドガスの供給圧力を遮断し、プラン74パネルとメカニカルシールを接続する配管からガス圧を取り除きます。メンテナンス作業を開始する前に、システムからすべての流体を排出してください。
二重圧力ポンプエアシールとプラン74サポートシステムを組み合わせることで、オペレーターは排出ガスゼロのシャフトシールソリューション、低い設備投資額（液体バリアシステムを備えたシールと比較して）、ライフサイクルコストの削減、サポートシステムの設置面積の縮小、および最小限のメンテナンス要件を実現できます。
最良の実施方法に従って設置および運用された場合、この封じ込めソリューションは長期的な信頼性を提供し、回転機器の稼働率を向上させることができます。
We welcome your suggestions on article topics and sealing issues so that we can better respond to the needs of the industry. Please send your suggestions and questions to sealsensequestions@fluidsealing.com.
マーク・サベージは、ジョン・クレーン社の製品グループマネージャーです。サベージは、オーストラリアのシドニー大学で工学の理学士号を取得しています。詳細については、johncrane.comをご覧ください。
投稿日時：2022年9月8日