シール選択の考慮事項 - 高圧デュアルメカニカルシールの取り付け

配置3のメカニカルシールは二重シールシール間のバリア流体キャビティは、シール室の圧力よりも高い圧力に維持されます。長年にわたり、業界ではこれらのシールに必要な高圧環境を作り出すためのいくつかの戦略が開発されてきました。これらの戦略は、メカニカルシールの配管図面に反映されています。これらの図面の多くは同様の機能を果たしますが、それぞれの動作特性は大きく異なり、シーリングシステムのあらゆる側面に影響を与えます。

API 682で定義されている配管プラン53Bは、窒素を充填したブラダー型アキュムレータを用いてバリア流体を加圧する配管プランです。加圧されたブラダーはバリア流体に直接作用し、シーリングシステム全体を加圧します。ブラダーは加圧ガスとバリア流体の直接接触を防ぎ、流体へのガスの吸収を防ぎます。これにより、配管プラン53Bは配管プラン53Aよりも高圧の用途で使用できます。また、アキュムレータが自己完結型であるため、常時窒素を供給する必要がなく、遠隔地への設置にも最適なシステムです。

しかしながら、ブラダーアキュムレータの利点は、システムの動作特性によって相殺されてしまいます。配管図53Bの圧力は、ブラダー内のガスの圧力によって直接決定されます。この圧力は、いくつかの変数によって劇的に変化する可能性があります。

バリア液をシステムに投入する前に、アキュムレータ内のブラダーにプレチャージする必要があります。これは、システムの動作に関する今後のすべての計算と解釈の基礎となります。実際のプレチャージ圧力は、システムの運転圧力とアキュムレータ内のバリア液の安全容量によって決まります。また、プレチャージ圧力はブラダー内のガスの温度にも依存します。注：プレチャージ圧力はシステムの初期試運転時にのみ設定され、実際の運転中には調整されません。

ブラダー内のガス圧力は、ガスの温度によって変化します。ほとんどの場合、ガス温度は設置場所の周囲温度に追従します。日内および季節による気温の変化が大きい地域では、システム圧力に大きな変動が生じる可能性があります。

バリア液の消費量運転中、メカニカルシールは通常のシール漏れによってバリア液を消費します。このバリア液はアキュムレータ内の流体によって補充され、その結果、ブラダー内のガスが膨張し、システム圧力が低下します。これらの変化は、アキュムレータのサイズ、シール漏れ率、およびシステムの望ましいメンテナンス間隔（例：28日）に依存します。

システム圧力の変化は、エンドユーザーがシール性能を追跡する主な方法です。圧力は、メンテナンスアラームの生成やシールの不具合の検出にも使用されます。しかし、システムの稼働中は圧力が絶えず変化します。プラン53Bシステムでは、ユーザーはどのように圧力を設定すればよいのでしょうか？バリア液の追加はいつ必要になるのでしょうか？また、追加するべきバリア液の量は？

プラン53Bシステムの工学計算が初めて広く公開されたのは、API 682第4版です。付録Fには、この配管計画における圧力と容積の決定方法が段階的に示されています。API 682の最も有用な要件の一つは、ブラダーアキュムレータ用の標準銘板（API 682第4版、表10）の作成です。この銘板には、適用現場の周囲温度範囲におけるシステムのプレチャージ圧力、リフィル圧力、およびアラーム圧力を示す表が掲載されています。注：この規格の表はあくまで一例であり、実際の値は特定の現場アプリケーションに適用された場合、大幅に異なります。

図2の基本的な前提の一つは、配管プラン53Bが初期の予圧を変化させることなく連続的に運転されることが想定されていることです。また、システムは短期間で周囲温度範囲全体にさらされる可能性があるという前提もあります。これらはシステム設計に重大な影響を及ぼし、他の二重シール配管プランよりも高い圧力でシステムを運転する必要があります。

図2を参考に、サンプルアプリケーションは周囲温度が-17℃（1°F）～70℃（158°F）の範囲にある場所に設置されています。この範囲の上限は非現実的に高いように見えますが、直射日光にさらされる蓄電池の太陽熱の影響も考慮されています。表の行は、最高値と最低値の間の温度間隔を表しています。

エンドユーザーはシステムを操作する際、現在の周囲温度で再充填圧力に達するまでバリア液の圧力を加えます。アラーム圧力は、エンドユーザーがバリア液を追加する必要があることを示す圧力です。25°C (77°F) の状態で、オペレーターはアキュムレーターを 30.3 bar (440 PSIG) までプレチャージし、アラームを 30.7 bar (445 PSIG) に設定し、オペレーターは圧力が 37.9 bar (550 PSIG) に達するまでバリア液を補充します。周囲温度が 0°C (32°F) まで低下すると、アラーム圧力は 28.1 bar (408 PSIG) まで低下し、再充填圧力は 34.7 bar (504 PSIG) まで低下します。

このシナリオでは、警報圧力と充填圧力の両方が周囲温度に応じて変化（フローティング）します。このアプローチは、しばしばフローティング-フローティング戦略と呼ばれます。警報圧力と充填圧力の両方が「フローティング」します。これにより、シーリングシステムの動作圧力は最低になります。ただし、エンドユーザーには2つの特定の要件が課せられます。それは、適切な警報圧力と充填圧力を決定することです。システムの警報圧力は温度の関数であり、この関係はエンドユーザーのDCSシステムにプログラムする必要があります。充填圧力も周囲温度に依存するため、オペレーターは銘板を参照して、現在の状況に適した圧力を確認する必要があります。

エンドユーザーの中には、よりシンプルなアプローチを求め、警報圧力と再充填圧力の両方が一定（または固定）で、周囲温度に依存しない戦略を希望する人もいます。固定-固定戦略では、エンドユーザーにはシステムを再充填するための圧力と、システムに警報を発するための圧力が1つだけ提供されます。残念ながら、この条件では周囲温度が最高温度から最低温度に低下することを計算で補正するため、温度が最高温度にあることを前提とする必要があります。その結果、システムはより高い圧力で動作します。アプリケーションによっては、固定-固定戦略を使用すると、シール設計の変更や、他のシステムコンポーネントのMAWP（平均出力圧力）定格の変更が必要になる場合があります。これは、圧力上昇に対処するためです。

他のエンドユーザーは、固定警報圧力とフローティング充填圧力を組み合わせたハイブリッド方式を採用しています。これにより、作動圧力を低減しながら警報設定を簡素化できます。適切な警報方式は、アプリケーション条件、周囲温度範囲、そしてエンドユーザーの要件を考慮した上で決定する必要があります。

配管プラン53Bの設計には、これらの課題の一部を軽減するためにいくつかの変更が加えられています。太陽放射による加熱は、設計計算における蓄熱器の最高温度を大幅に上昇させる可能性があります。蓄熱器を日陰に設置するか、蓄熱器に日よけを設置することで、太陽放射による加熱を排除し、計算における最高温度を下げることができます。

上記の説明では、「周囲温度」という用語はブラダー内のガスの温度を表すために使用されています。周囲温度が定常状態または緩やかに変化する条件下では、これは妥当な仮定です。昼夜で周囲温度が大きく変動する場合は、アキュムレータを断熱することでブラダーの実質的な温度変動を緩和し、より安定した動作温度を実現できます。

このアプローチは、蓄熱装置へのヒートトレースと断熱材の適用にも応用できます。適切に適用すれば、蓄熱装置は日ごとまたは季節ごとの周囲温度の変化に関係なく、一定の温度で動作します。これは、温度変化の大きい地域で検討すべき最も重要な設計オプションと言えるでしょう。このアプローチは現場で広く導入されており、ヒートトレースでは不可能だった場所でもプラン53Bを使用可能にしています。

配管プラン53Bのご利用を検討されているエンドユーザーは、この配管プランが単なるアキュムレータ付きの配管プラン53Aではないことにご注意ください。プラン53Bのシステム設計、試運転、運用、保守のほぼすべての側面は、この配管プランに特有のものです。エンドユーザーが経験するフラストレーションの多くは、システムに対する理解不足に起因しています。シールOEMは、特定のアプリケーション向けに詳細な分析を準備し、エンドユーザーがこのシステムを適切に設計・運用するために必要な背景情報を提供できます。