シール選定に関する考慮事項 – 高圧デュアルメカニカルシールの取り付け

３つのメカニカルシールの配置は二重シールシール間のバリア流体キャビティ内の圧力がシールチャンバー内の圧力よりも高くなるように維持される。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様々な戦略が開発されてきた。これらの戦略はメカニカルシールの配管図に反映されている。これらの配管図の多くは同様の機能を果たすが、それぞれの動作特性は大きく異なり、シールシステムのあらゆる側面に影響を与える可能性がある。

API 682で定義されている配管プラン53Bは、窒素充填ブラダーアキュムレータを用いてバリア液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液に直接作用し、シール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液の直接接触を防ぎ、液中へのガスの吸収を抑制します。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、窒素の常時供給が不要となり、遠隔地への設置に最適です。

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の一部によって相殺されます。配管プラン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大きく変化する可能性があります。

バリア液をシステムに注入する前に、アキュムレータ内のブラダーに圧力を充填する必要があります。これは、今後のシステム動作に関するすべての計算と解釈の基礎となります。実際の充填圧力は、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、充填圧力はブラダー内のガスの温度にも依存します。注：充填圧力はシステムの初期試運転時にのみ設定され、実際の運転中に調整されることはありません。

ブラダー内のガスの圧力は、ガスの温度によって変化します。ほとんどの場合、ガスの温度は設置場所の周囲温度に追随します。気温の日変化や季節変化が大きい地域では、システム圧力が大きく変動す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液によって補充され、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、およびシステムの希望するメンテナンス間隔（例：28日）によって決まります。

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作成やシールの故障検出にも使用されます。ただし、システム稼働中は圧力が常に変化します。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でしょうか？バリア液を追加する必要があるのはどのような場合でしょうか？追加すべき液量はどれくらいでしょうか？

プラン53Bシステムに関する最初の広く公開されたエンジニアリング計算は、API 682第4版に掲載されました。付録Fでは、この配管プランの圧力と容量を決定する方法について、段階的な手順が示されています。API 682の最も有用な要件の1つは、ブラダーアキュムレータの標準銘板の作成です（API 682第4版、表10）。この銘板には、適用現場の周囲温度条件の範囲におけるシステムのプリチャージ圧力、再充填圧力、およびアラーム圧力をまとめた表が含まれています。注：規格の表は単なる例であり、実際の値は特定の現場アプリケーションに適用すると大きく変わります。

図2の基本的な前提の一つは、配管プラン53Bが連続運転され、初期充填圧力が変化しないことが想定されている点です。また、システムが短時間のうちに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。これらの前提はシステム設計に大きな影響を与え、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ることを示しています。

図2を参考にすると、この例のアプリケーションは、周囲温度が-17℃（1°F）から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による影響も含まれています。表の各行は、最高値と最低値の間の温度間隔を表しています。

エンドユーザーがシステムを操作しているときは、現在の周囲温度で補充圧力に達するまでバリア液の圧力を加えます。警報圧力は、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) では、オペレーターはアキュムレータを 30.3 bar (440 PSIG) まで予圧し、警報を 30.7 bar (445 PSIG) に設定し、圧力が 37.9 bar (550 PSIG) に達するまでバリア液を追加します。周囲温度が 0°C (32°F) まで低下すると、警報圧力は 28.1 bar (408 PSIG) に低下し、補充圧力は 34.7 bar (504 PSIG) になります。

このシナリオでは、警報圧力と補充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、フローティング・フローティング戦略と呼ばれることがよくあります。警報圧力と補充圧力の両方が「フローティング」します。これにより、シールシステムの最低動作圧力が実現します。ただし、これにはエンドユーザーに2つの特定の要件があります。それは、適切な警報圧力と補充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、この関係をエンドユーザーのDCSシステムにプログラムする必要があります。補充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条件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、警報圧力と補充圧力の両方が一定（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、エンドユーザーはシステムを補充するための圧力と警報を発するための圧力をそれぞれ1つずつしか選択できません。しかし、この条件では、周囲温度が最大値から最小値まで低下することを計算で補正するため、温度が最大値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することになります。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最大許容使用圧力（MAWP）定格の変更が必要になる場合があります。

その他のエンドユーザーは、固定警報圧力と変動補充圧力を組み合わせたハイブリッド方式を採用するでしょう。これにより、動作圧力を低減しつつ、警報設定を簡素化できます。適切な警報方式の決定は、使用条件、周囲温度範囲、およびエンドユーザーの要件を考慮した上で行うべきです。

配管計画53Bの設計には、これらの課題の一部を軽減するのに役立つ変更点がいくつかあります。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、蓄熱器用の日除けを設置することで、太陽熱による加熱をなくし、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、ブラダーの実効温度変動を緩和し、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、蓄熱器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、蓄熱器は周囲温度の日々の変化や季節変動に関わらず、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を使用できるようになりました。

配管プラン53Bの使用を検討しているエンドユーザーは、この配管プランが単にアキュムレータを追加した配管プラン53Aではないことを認識しておく必要があります。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、この配管プランに固有のものです。エンドユーザーが経験する不満のほとんどは、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、特定の用途向けに詳細な分析を作成し、エンドユーザーがこのシステムを適切に仕様決定し、運用するために必要な背景情報を提供することができます。