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エアシールは、シャフトシール業界でより一般的に使用されています。これらのシールは、ポンプされた液体の大気放出をゼロにし、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、加圧ガスを外部から内外のシール面の間に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、バリアガスにさらなる圧力が加わり、シール面が分離してガス膜中に浮いた状態になります。シール面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、リークという形で消費されます。そのほとんどは外シール面から大気中に漏れ出します。残留物はシールチャンバーに浸透し、最終的にはプロセスストリームによって排出されます。
すべての二重密閉シールは、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（液体またはガス）を必要とします。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です。一方、液体潤滑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循環し、シール面を潤滑して熱を吸収した後、リザーバーに戻り、そこで吸収した熱を放散します。このような流体圧力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に伴って増大し、適切に計算・設定されていない場合は信頼性の問題を引き起こす可能性があります。
圧縮空気によるダブルシールサポートシステムは、設置スペースが小さく、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源が利用できる場合、その信頼性はプロセス圧力や温度に依存しません。
市場でデュアル圧力ポンプエアシール採用が増加しているため、アメリカ石油協会 (API) は API 682 の第 2 版の発行の一部としてプログラム 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構成され、バリアガスをパージし、下流圧力を調整し、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パネルを通過するバリアガスの経路に沿って、最初の要素はチェックバルブです。これにより、フィルタ要素の交換やポンプのメンテナンスのために、バリアガス供給をシールから分離することができます。次に、バリアガスは2～3マイクロメートル（µm）の凝集フィルタを通過します。このフィルタは、シール表面の地形的特徴を損なう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、圧力レギュレータとマノメータが続き、メカニカルシールへのバリアガス供給圧力を設定します。
デュアルプレッシャーポンプガスシールでは、バリアガス供給圧力がシールチャンバー内の最大圧力を超え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のメーカーやタイプによって異なりますが、通常は約30ポンド/平方インチ（psi）です。圧力スイッチは、バリアガス供給圧力に問題が発生した場合にそれを検出し、圧力が最小値を下回った場合にアラームを鳴らす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によって制御されます。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逸脱は、シール性能の低下を示唆しています。バリアガス流量の低下は、ポンプの回転、またはシール面への流体の移動（汚染されたバリアガスまたはプロセス流体による）が原因である可能性があります。
このような事象の後、シール面が損傷することが多く、その後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を損傷する可能性があります。高流量アラームは、高ガス流量を修正するための介入が必要かどうか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、通常はメカニカルシールの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量によって異なります。
従来は可変ゲージ流量計が使用されており、低流量域と高流量域の流量計を直列に接続することも珍しくありません。高流量域の流量計に高流量スイッチを取り付けることで、高流量アラームを発することができます。面積式流量計は、特定のガス、特定の温度および圧力に対してのみ校正可能です。夏と冬の温度変動など、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版の発行により、流量と圧力の測定はアナログからデジタルへと移行し、ローカルで読み取ることができるようになりました。デジタル流量計は、フロートの位置をデジタル信号に変換する面積流量計、または質量流量を体積流量に自動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の特徴は、圧力と温度を補正した出力を提供することで、標準大気圧条件下での真の流量を再現できることです。欠点は、面積流量計よりも高価であることです。
流量トランスミッタを使用する際の問題は、通常動作時および高流量警報点におけるバリアガス流量を測定できるトランスミッタを見つけることです。流量センサには、正確に読み取ることができる最大値と最小値があります。ゼロ流量と最小値の間では、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。
解決策の一つは、2つのトランスミッター（低周波と高周波）を使用することですが、これはコストがかかります。もう一つの方法は、通常の動作流量範囲にはフローセンサーを使用し、高流量範囲のアナログ流量計と高流量スイッチを組み合わせることです。バリアガスがパネルから出てメカニカルシールに接続する前に、バリアガスが最後に通過するチェックバルブがあります。これは、異常なプロセス障害が発生した場合に、ポンプで汲み上げられた液体がパネルに逆流して計器が損傷するのを防ぐために必要です。
チェックバルブの開弁圧力は低くなければなりません。選択が間違っている場合、またはデュアルプレッシャーポンプのエアシールのバリアガス流量が低い場合、チェックバルブ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あります。
一般的に、工場窒素は入手しやすく不活性で、ポンプされる液体に有害な化学反応を引き起こさないため、バリアガスとして使用されます。アルゴンなど、入手できない不活性ガスも使用できます。必要なシールドガス圧力が工場窒素圧力よりも高い場合は、圧力ブースターで圧力を上昇させ、高圧ガスをプラン74パネルの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。ボトル入り窒素ボトルは、空の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。シール品質が低下すると、ボトルがすぐに空になり、メカニカルシールのさらなる損傷や故障を防ぐためにポンプが停止する可能性があります。
液体バリアシステムとは異なり、プラン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がありません。唯一の注意点は、小径チューブの細長い部分です。高流量時には、プラン74パネルとシール間の圧力降下（シール劣化）が発生し、シールに供給されるバリア圧力が低下します。この問題は、パイプのサイズを大きくすることで解決できます。通常、プラン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設置されます。ブラケットは、ポンプのベースプレート上またはポンプの横に設置でき、ポンプの点検やメンテナンスの妨げになりません。プラン74パネルとメカニカルシールを接続するパイプでは、つまずく危険性がないようにしてください。
ポンプの両端にそれぞれ1つずつ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つのパネルを使用し、各メカニカルシールに別々のバリアガス出口を設けることは推奨されません。推奨される解決策は、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、それぞれに流量計とフロースイッチのセットを設けることです。冬季が寒い地域では、Plan 74パネルを冬季に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、発熱体を追加します。
興味深い現象として、バリアガス供給温度が低下するとバリアガス流量が増加するというものがあります。これは通常、目立ちませんが、冬季が寒い地域や夏冬の温度差が大きい地域では顕著になります。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。Plan 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。ブリードバルブがない場合は、チューブをメカニカルシールから取り外し、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、すべての接続部から漏れがないか確認した後、圧力レギュレータをアプリケーションの設定圧力に調整できます。ポンプにプロセス流体を充填する前に、パネルから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。プラン74シールとパネルは、ポンプの試運転とベント手順が完了したら、すぐに使用を開始できます。
フィルターエレメントは、運転開始から1ヶ月後、または汚染が認められない場合は6ヶ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、定期点検時に点検・記録する必要があります。チェックバルブの開閉によって生じるバリアエアー流量の脈動が、高流量警報を作動させるほど大きい場合は、誤報を回避するために警報値を上げる必要がある場合があります。
廃止措置における重要なステップの一つは、シールドガスの遮断と減圧を最後に行うことです。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抜きます。メンテナンス作業を開始する前に、システム内のすべての流体を排出してください。
デュアル圧力ポンプエアシールと Plan 74 サポート システムを組み合わせることで、ゼロ排出シャフトシール ソリューション、低い資本投資 (液体バリア システムを備えたシールとの比較)、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、および最小限のサービス要件がオペレータに提供されます。
この封じ込めソリューションは、ベストプラクティスに従って設置および運用することで長期的な信頼性を提供し、回転機器の可用性を向上させることができます。
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マーク・サベージはジョン・クレーン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