シールチャンバー環境の制御

シールチャンバー内の温度を下げると、高温使用で動作するメカニカルシールの性能と信頼性に多くの利点がもたらされます。 これは、蒸気圧マージンを増やし、ポンプで送り出された流体がシールチャンバー内やメカニカルシールの面の界面でフラッシュするのを防ぐ最も効果的な方法の 1 つです。 さらに、シールチャンバーの温度を下げると流体の粘度も増加し、シール面の界面により安定した流体膜が形成されます。

温度の低下を達成する 1 つの方法は、熱交換器を通してシール チャンバーから流体を循環させ、冷却された流体をシール チャンバーに戻すことです。 熱交換器はプロセスの一部ではなく、単なる補助的なシステムコンポーネントであるため、「シールクーラー」と呼ばれることがよくあります。 この配管配置は API プラン 23 として知られています。正しく設置、操作、保守されている場合、プラン 23 はシール チャンバーの温度を下げる最も効果的な方法の 1 つです。

流体は、メカニカル シールの設計に組み込まれたポンピング リングによって熱交換器内を循環します。 ポンピング リングは、通常、スロット付きホイールまたは螺旋スクロールであり、ポンプ シャフトとともに回転し、シール チャンバ内で小型ポンプとして機能します。 ポンプ シャフト上のメイン インペラと比較して、ポンピング リングは圧力水頭と流量のごく一部しか生成しません。 したがって、流れに対する抵抗を最小限に抑えるように流れ回路の設計、選択、設置を最適化し、それによって循環速度とシールチャンバーから熱交換器への熱エネルギーの伝達能力を最大化することが非常に重要です。 。

フロー回路には、最適化できる 3 つの主要な要素があります。

熱交換器は、流れに対する抵抗を最小限に抑えながら、熱交換器にかかる熱負荷を放散するのに適切なサイズである必要があります。 水冷シェルアンドチューブ熱交換器はこれらの要件を満たしており、多くの場合、熱交換器設計の最初の選択肢となります。 プレート式熱交換器はコンパクトで熱伝達率が大きいですが、流れ抵抗が大きいため避けてください。 空冷式熱交換器は、水の制約のある設置環境でも使用できます。 ただし、必要な冷却能力を満たしながらも大きすぎないようにするには、慎重な設計と選択が必要です。

熱交換器をシールチャンバーに接続するための推奨される方法は、引抜きチューブを使用することです (規定と規格が許可する場合)。 直径は熱交換器コイルの直径と一致する必要があります。 迷った場合は、大きいサイズを選択する必要があります。 サイズが大きすぎると良い結果が得られず、回路の流れ抵抗を下げるのに悪影響を与える可能性があることに注意してください。 チューブ内の流れの抵抗を最小限に抑えるために、バルブは避けてください。 必要な場合は、フルポートゲートタイプまたはロック式 1/4 回転ボールバルブを使用してください。 チューブの曲げの数も最小限に抑え、長い半径の曲げのみを使用し、短い 90 度の継手の使用を避けてください。 配管の全長は最小限に抑える必要があります。

シールチャンバ内に十分なスペースが存在する場合、最も効率的なポンピングリング設計と、ポンピングリングに流体を送出するフラッシュポートと、ポンピングリングから流体を送出するフラッシュポートが、メカニカルシールとそのハウジングの一体部分として設計されます（図1を参照）。 これにより、シールのメーカーはフラッシュ ポートの位置を最適化し、ポンピング リングから最大の圧力と流量を得ることができます。 また、メカニカル シールを通る適切な冷却流路が可能になり、冷媒がメカニカル シール面に確実に供給されます。

水平シャフトを備えたポンプの場合、シールチャンバーから閉じ込められたガスを排出できるようにフラッシュアウトポートをシールハウジングの上部に配置し、フラッシュインポートをシャフトの中心線またはその下に配置する必要があります。 垂直シャフトでは、完全な通気を実現するために、シール チャンバーの最上部にフラッシュ アウト ポートが必要です。 これには通常、ポンプ リングの下にフラッシュイン ポートが配置された軸流ポンプ リングを使用する必要があります。

Plan 23 の流れ回路は真の閉ループではないため、流体がシール チャンバのスロートに出入りする際に、シール チャンバ内の冷却された流体の損失が発生します。 ポンプからの高温の流体とシール チャンバ内の冷却された流体の混合は、隙間の狭いシール チャンバのスロート ブッシュを追加することで最小限に抑えることができます。 ほとんどの場合、固定ブッシュが適しています。 ただし、フローティングブッシュを使用すると、より狭いクリアランスを実現できます。 フローティング ブッシュをポンプの裸のシャフトに対してではなく、スリーブなどの再生可能な表面に対して実行することをお勧めします。 このブッシングは、メカニカル シールの設計に統合することも、シール チャンバーのスロートに別個のアイテムとして取り付けることもできます。 別個のアイテムとして取り付ける場合、シールチャンバー内での高温流体と低温流体の混合を最小限に抑えるために、メカニカルシールを交換するたびにブッシングを更新する必要があります。 ブッシングの保持方法では、プロセス温度に近いポンプ ケーシングと、はるかに低いシール温度に近いブッシング部品の温度差を考慮する必要があります。

熱交換器は、シール チャンバー (またはメカニカル シール) のフラッシュ ポートを熱交換器に接続するために短い直接配管を作成できるように、メカニカル シールの上および側面の位置に取り付ける必要があります。図 2 に示されている最大高さ近くにあると、熱サイフォン現象 (熱交換器に入る熱い流体と出る冷たい流体の密度の小さな差によって引き起こされる流れ) が強化される可能性があります。 これにより、ポンプの動作中にポンピング リングからの流れが促進され、ポンプがアイドル状態の間も流れが生成され続けます。

シール チャンバー (またはメカニカル シール) のフラッシュ ポートと熱交換器の間の相互接続チューブは、最高点の通気口に向かって 1 フィートあたり 0.5 インチ (1 メートルあたり 40 ミリメートル) の最小傾斜で上向きに傾斜する必要があります。 相互接続チューブは動作中高温になるため、メンテナンスおよび操作担当者が接触による火傷を負う可能性があります。 拡張メッシュヒートガードは、露出したチューブから自然な熱対流を発生させることができるため、火傷の危険を軽減する好ましい方法です。 設置スペースが狭い場合は、機械的絶縁を使用して危険を軽減できます。

熱交換器の向きは、冷却コイル内に閉じ込められた空気が自然に高いところまで流れて排出されるように選択する必要があります。 熱交換器の位置と高さは、メンテナンスのためのポンプへのアクセスの影響を最小限に抑えながら、熱交換器の保守のためのアクセスを容易にするように選択する必要があります。 熱交換器はポンプやモーターの上に直接取り付けないでください。

ポンプを始動する前に、熱交換器のプロセス側と水側から閉じ込められた空気や蒸気を排出する必要があります。 冷却水とプロセス配管の両方に取り付けられたハイポイントベントにより、通気が容易になります。 プロセス側の通気により、熱交換器、シールチャンバー、および相互接続チューブの通気も行われます。 プロセス側のベントでは、流体の特性、システム圧力、温度、危険性に応じて、特別なサイズ設定や配線の考慮が必要になることがよくあります。 設計では、安全な動作を維持しながら効果的な通気機能を確保する必要があります。

熱交換器の清掃は、効率の低下が明らかな場合に実行する必要があります。 通常、これは熱交換器の冷却水側の汚れが原因で発生します。 汚れの発生速度は、冷却水の品質と熱交換器にかかる熱負荷によって異なります。 硬水の地域では、ミネラルスケールを除去するために熱交換器を頻繁に洗浄する必要があります。 熱交換器はシールを交換するたびに清掃する必要があります。

アプリケーションによっては、このソリューションが理想的な選択ではない場合があります。

このような状況では、API プラン 21 やプラン 32 などの代替冷却方法を検討する必要があります。 二重加圧シールを使用することにより、シール チャンバーを冷却する必要性も排除できます。

API プラン 23 は、メカニカル シール周囲のシール チャンバー温度を制御する効果的な方法を提供します。 このシールチャンバー温度の低下により、蒸発が抑制され、メカニカルシール面の界面における流体の特性が改善され、シールの信頼性が向上します。

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Mark Savage は、John Crane の製品グループ マネージャーで、コンプレッサー、ポンプ、回転機械用の金属ベローズ シールの設計、開発、応用を担当しています。 彼はシーリング業界で 23 年間勤務し、シャフト シールとそのサポート システムのベスト プラクティスの開発に携わってきました。 サベージ氏は、オーストラリアのシドニー大学で工学士号を取得しています。