遠心ポンプの漏れを理解するには、まず遠心ポンプの基本的な動作を理解することが重要です。流体がポンプのインペラアイから流入し、インペラベーンを上昇する間、流体は低圧かつ低速です。流体が渦巻き部を通過すると、圧力が上昇し、速度が増加します。その後、流体は吐出口から排出されますが、この段階では圧力は高くなりますが、速度は低下します。ポンプに流入した流体は、ポンプから排出される必要があります。ポンプは揚程（または圧力）を与え、ポンプ流体のエネルギーを増加させます。
遠心ポンプのカップリング、油圧、静的ジョイント、ベアリングなどの特定のコンポーネントの故障はシステム全体の故障を引き起こしますが、ポンプの故障の約 69 パーセントはシーリング デバイスの故障が原因です。
メカニカルシールの必要性
メカニカルシール回転軸と液体またはガスが充填された容器との間の漏れを制御するために使用される装置です。主な役割は漏れを制御することです。すべてのシールは漏れを伴います。メカニカルシール面全体に流体膜を維持するために、漏れは避けられません。大気側への漏れは非常に少なく、例えば炭化水素の漏れは、VOCメーターでppm単位で測定されます。
メカニカルシールが開発される以前は、ポンプのシールにはメカニカルパッキングが一般的でした。メカニカルパッキングは繊維状の材料で、通常はグラファイトなどの潤滑剤を含浸させており、これを切断して「スタッフィングボックス」と呼ばれる容器に詰め込みます。そして、全体をしっかりと固定するために、背面にパッキンググランドを追加します。パッキングはシャフトに直接接触するため、潤滑油が必要ですが、それでも馬力を奪ってしまいます。
通常、「ランタンリング」はパッキンにフラッシュ水を流すためのものです。シャフトの潤滑と冷却に必要なこの水は、プロセス内または大気中に漏れ出します。用途によっては、以下の対策が必要になる場合があります。
- 汚染を避けるために、フラッシュ水をプロセスから遠ざけます。
- 洗浄水が床に溜まるのを防ぎます（オーバースプレー）。これは OSHA の懸念事項であり、ハウスキーピングの懸念事項でもあります。
- 洗浄水によってオイルが汚染され、最終的にはベアリングの故障につながる可能性があるため、ベアリング ボックスを洗浄水から保護します。
他のポンプと同様に、ポンプの年間運転コストを把握するために、テストを実施することをお勧めします。パッキンポンプは設置とメンテナンスの費用が手頃かもしれませんが、1分あたりまたは1年間に消費する水の量を計算してみると、そのコストに驚くかもしれません。メカニカルシールポンプは、年間コストを大幅に削減できる可能性があります。
メカニカル シールの一般的な形状を考慮すると、ガスケットまたは O リングがある場所には必ず漏れの可能性がある点があります。
- メカニカルシールが動くと、動的 O リング (またはガスケット) が侵食され、磨耗し、摩耗します。
- メカニカルシール間の汚れや汚染。
- メカニカルシール内の設計外操作。
シーリング装置の故障の5つの種類
遠心ポンプに制御不能な漏れがある場合は、すべての潜在的な原因を徹底的にチェックして、修理または新規設置が必要かどうかを判断する必要があります。
1. 運用上の失敗
最高効率点の無視：ポンプを性能曲線上の最高効率点（BEP）で運転していませんか？各ポンプは特定の効率点を考慮して設計されています。その領域外でポンプを運転すると、流量に問題が発生し、システムの故障につながります。
不十分な正味正吸引ヘッド (NPSH): ポンプの吸引ヘッドが不十分な場合、回転アセンブリが不安定になり、キャビテーションが発生し、シールが破損する可能性があります。
デッドヘッド運用：コントロールバルブの設定値が低すぎてポンプの流量を制限できない場合、流量が絞られてしまう可能性があります。流量が絞られるとポンプ内で循環が発生し、熱が発生してシールの破損につながります。
空運転とシールの不適切な通気：竪型ポンプはメカニカルシールが上部に配置されているため、最も影響を受けやすいです。通気が正しく行われていないと、シール周辺に空気が閉じ込められ、スタッフィングボックス内の空気を排出できなくなります。この状態でポンプを運転し続けると、メカニカルシールはすぐに故障します。
低い蒸気マージン:これらはフラッシング流体です。高温の炭化水素は大気にさらされるとすぐに爆発します。流体膜がメカニカルシールを通過する際に、大気側で爆発し、故障を引き起こす可能性があります。この故障はボイラー給水システムでよく発生し、110～135℃の温水がシール面の圧力降下によって爆発します。
2. 機械の故障
シャフトの芯ずれ、カップリングのアンバランス、インペラのアンバランスは、いずれもメカニカルシールの故障につながる可能性があります。さらに、ポンプ設置後、配管が芯ずれを起こしたままボルトで固定されていると、ポンプに大きな負担がかかります。また、基礎の不具合も避ける必要があります。基礎はしっかりと固定されていますか？グラウトは適切に充填されていますか？足場は柔らかいですか？ボルトは正しく固定されていますか？最後に、ベアリングを確認してください。ベアリングの公差が摩耗すると、シャフトが動き、ポンプに振動が発生します。
3. シール部品の故障
トライボロジー（摩擦の研究）の観点から、適切なシールペアを使用していますか？適切なフェーシングの組み合わせを選択しましたか？シール面の材質はいかがですか？ご使用の材料は特定の用途に適切ですか？ガスケットやOリングなど、化学的および熱的影響に耐えられる適切な二次シールを選択しましたか？スプリングが詰まったり、ベローズが腐食したりしていないことを確認してください。最後に、圧力や熱による面の歪みにも注意してください。高圧力下のメカニカルシールは実際に曲がり、歪んだ形状が漏れの原因となる可能性があります。
4. システム設計の失敗
適切なシールフラッシュ配置と十分な冷却が必要です。デュアルシステムにはバリア流体が使用されるため、補助シールポットは適切な位置に設置し、適切な計装と配管が必要です。吸入時の直管長を考慮する必要があります。スキッドとしてパッケージ化された古いポンプシステムの中には、流体がインペラアイに入る直前の吸入部に90度のエルボが付いているものがあります。エルボは乱流を引き起こし、回転アセンブリに不安定性をもたらします。特に、長年にわたり配管が修理されている場合は、すべての吸入/吐出配管とバイパス配管も適切に設計する必要があります。
5. その他
その他の要因は、全体の故障の約8%を占めるに過ぎません。例えば、メカニカルシールに適切な動作環境を提供するために、補助システムが必要となる場合があります。例えば、デュアルシステムの場合、汚染物質やプロセス流体が環境に漏れるのを防ぐバリアとして機能する補助流体が必要です。しかし、ほとんどのユーザーにとって、最初の4つのカテゴリのいずれかに対処すれば、必要な解決策が得られます。
結論
メカニカルシールは、回転機器の信頼性を左右する重要な要素です。システムの漏れや故障の原因となるだけでなく、将来的に深刻な損傷につながる問題を示唆することもあります。シールの信頼性は、シールの設計と動作環境に大きく左右されます。
投稿日時: 2023年6月26日