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入口からインペラ羽根を上昇する際、流体の圧力と速度は低くなります。流体が渦巻きケーシングを通過すると、圧力と速度が増加します。その後、流体は吐出口から排出されますが、このとき圧力は高くなりますが、速度は低下します。ポンプに入った流体はポンプから排出されなければなりません。ポンプはヘッド（または圧力）を与えます。これは、ポンプ流体のエネルギーが増加することを意味します。
遠心ポンプのカップリング、油圧継手、静的継手、ベアリングなどの特定の部品の故障はシステム全体の故障につながりますが、ポンプの故障の約69%はシール装置の不具合が原因です。
メカニカルシールの必要性
メカニカルシールは、回転軸と液体または気体で満た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。その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は、漏れる必要があります。大気側から漏れる量は比較的少なく、たとえば炭化水素の漏れは、VOCメーターで百万分率（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が一般的に使用されていました。メカニカルパッキンは、通常グラファイトなどの潤滑剤を含浸させた繊維状の材料で、これを細かく切断して「スタッフィングボックス」と呼ばれる容器に詰め込んでいました。その後、パッキンの裏側にパッキングランドを取り付けて、パッキンをしっかりと押し込んでいました。パッキンはシャフトと直接接触するため潤滑が必要ですが、それでも動力損失の原因となっていました。
通常、「ランタンリング」によってパッキンに洗浄水が供給されます。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。
- 汚染を防ぐため、洗浄水は工程から離れた場所に流してください。
- 洗浄水が床に溜まる（オーバースプレー）のを防ぐ。これは労働安全衛生上の問題であると同時に、清掃上の問題でもある。
- ベアリングボックスを洗浄水から保護してください。洗浄水はオイルを汚染し、最終的にベアリングの故障につながる可能性があります。
どのポンプにも言えることですが、ポンプの年間運転コストを把握するためには、テストを行う必要があります。パッキン式ポンプは設置やメンテナンス費用が比較的安価かもしれませんが、1分間または1年間に消費する水の量を計算すると、そのコストに驚くかもしれません。メカニカルシール式ポンプであれば、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えると、ガスケットやOリングが存在する場所には必ず漏れの可能性のある箇所が存在する。
- メカニカルシールが動く際に、動的Oリング（またはガスケット）が侵食、摩耗、または摩耗する。
- メカニカルシール間の汚れや異物。
- メカニカルシール内部における設計外の動作。
シール装置の故障の5つのタイプ
遠心ポンプから制御不能な漏れが発生した場合は、修理が必要か、あるいは新規設置が必要かを判断するために、考えられるすべての原因を徹底的に調査する必要があります。
1. 運用上の不具合
最適効率点を無視する：ポンプを性能曲線上の最適効率点（BEP）で運転していますか？各ポンプは特定の効率点に基づいて設計されています。その範囲外でポンプを運転すると、流量に問題が生じ、システムが故障する原因となります。
有効吸込ヘッド（NPSH）不足：ポンプの吸込ヘッドが不足すると、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、シール不良につながる可能性があります。
デッドヘッド運転：ポンプの流量を調整するために制御弁を低く設定しすぎると、流量が制限されてしまいます。流量が制限されるとポンプ内部で再循環が発生し、熱が発生してシール不良の原因となります。
空運転とシール部の不適切な通気：縦型ポンプは、メカニカルシールが上部に位置しているため、最も影響を受けやすいです。通気不良があると、シールの周囲に空気が閉じ込められ、グランドパッキンから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：これらは引火性流体です。高温の炭化水素は、大気に触れると引火します。流体膜がメカニカルシールを通過する際に、大気側で引火して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ます。250～280°F（約121～138℃）の高温水は、シール面にかかる圧力降下によって引火するのです。
2. 機械的故障
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すべて、メカニカルシールの故障の原因となります。さらに、ポンプ設置後に、配管がずれた状態でボルトで固定されている場合、ポンプに大きな負荷がかかります。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？軟弱な基礎ではありませんか？ボルトは正しく締められていますか？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して薄くなると、シャフトが動いてポンプに振動が発生します。
3. シール部品の故障
摩擦特性（摩擦の研究）に優れたシールペアを使用していますか？適切な対向面の組み合わせを選択しましたか？シール面の材質品質はどうですか？特定の用途に適した材料を使用していますか？ガスケットやOリングなど、化学薬品や熱による劣化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ていたり、ベローズが腐食していたりしてはいけません。最後に、圧力や熱によるシール面の歪みに注意してください。高圧下ではメカニカルシールが実際に湾曲し、歪んだ形状が漏れの原因となることがあります。
4. システム設計上の欠陥
適切なシールフラッシュ機構と十分な冷却が必要です。デュアルシステムにはバリア液が使用されています。補助シールポットは、適切な計装と配管を備えた正しい位置に設置する必要があります。吸込口の直管の長さも考慮する必要があります。パッケージ化されたスキッドとして提供されることが多い古いポンプシステムの中には、インペラアイに入る直前の吸込口に90°エルボが付いているものがあります。この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。吸込/吐出およびバイパス配管もすべて正しく設計する必要があります。特に、配管の一部が長年にわたって修理されている場合はなおさらです。
5. その他すべて
その他の要因は、故障全体の約8%を占めるにすぎません。例えば、メカニカルシールの適切な動作環境を確保するために、補助システムが必要となる場合があります。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出す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るでしょう。
結論
メカニカルシールは、回転機器の信頼性において重要な要素です。シールは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を引き起こす可能性のある問題の兆候を示す役割も果たします。シールの信頼性は、シールの設計と運転環境によって大きく左右されます。
投稿日時：2023年6月26日