高圧用メカ

PresstJreHigh

カ ル

=

シ ール

Mech{Inicc]l

Se一l
化工株事業部

技術部

化工横設計課元山本
Ⅲajime YamamotoAmechanicalsealispressure

operations.

In

days,

these

this

oneof

the

typeofforbetterpressure

operations,andAccordingly,
tb.e designthemechanicalexperiencessealandexperimental

being

developed

wbicb
to

bigb

a

pressuregreaterreactor,bigberIn

thisuseoffieldconsideration.
inconsidered

forsizes,

are

the

designdiscussed

and
with

our

この材料の組合せは
2)使用圧力および温度
3)鑑拝軸回転数等むこよって決定されるが,撰動材料には次の諸条件を持っここでは,撹拝機付高圧反応槽用メカニカ/レシー/レの設計及び取扱の上で考慮しなけれはならない基本事項についていることが必要である｡
1)耐食性があること当社が製作している反応機,重合機はたえず耐食性が要て,当社の経験,実験結果より一部紹介する｡
がshaft1 )槽内内溶液及びシー)I,液の種類検討が必要である｡

えlargerhightoapplicablestudies.

メカニカルシールは,高圧軸封装置の中で最も信頼性のて高い有用なものである｡最近ほより大型化,高圧化,高性能化の一途を歩んでおり,その選定にあたっては,充分なまforrequlreS

bemastinstruments

seal

shaft

performace.
c壬10ice of this sealfeaturesattaclledeffective

issealandfundamental

thepaper,mostき

求されており,ステンレスの他にグラステール,当社が取扱う反応機又は重合機の使用圧力範囲は,低圧のものから100kgf/cm2Gを超える高圧のものまで種々多様であるが,反応の高度化に伴い,高圧高温下で操作さっている｡従って槽内液又はガス忙接する部分にほ槽材料なみの耐食性のある材料が必要である｡

れるケースが増加しているo撹搾機付反応槽の軸封に使用するメカニカルS/‑/＼ステロイ,ニッケ/I/,モネ)I,,チタン等の耐食材料がベースとな)I,につ

2)耐摩耗性があること
メカニカ)TIS/‑/レは長時間の連続運転に対しても常に安定したシール性能を発揮させなければならない.従って耐いても,高圧高温仕様VL対して所定の機能を発揮し信頼性の高いものであることほもとより,洩れ許容値,寿命等忙摩耗性の良否がメカニカ/I,シ‑/I,性能の決定的要因となついてユーザ‑からの要求もより厳しいものになってきている｡

このニーズV‑応えるべく,数々の研究,開発を行い,より信頼性の高い,安心して御使用願えるメカニカ)I/シー)i,の開発,供給に心がけている.第1囲に当社高圧(100kgf/cm2G)用メカニカ)1,シール構造図の一例を示すo一般にメカ‑カ)t'シー/レを選定するための判断基準の最初のステップとして,圧力P,周速Ⅴ,温度Tがある｡
撹拝横付反応槽用メカニカルシールの場合,低い回転数のダブ/レメカ‑カ)t'シ‑)I,が使用され,シ‑)I,摺動画の潤滑に使用するシ‑)I,液は,強制循環又はジャケット機構等vLより充分冷却される｡このことから,メカニカルシ‑)I,の構造,材質の選定vL際しては,Ⅴ,Tの影響は小さく,P叫による所が大きく,高圧用になるにしたがって,構造,材質等について種々の検討,配慮がより必要となってくる｡

1.摺動

材料

1.1摺動材料の必要条件
メカニカ/レジ‑ルは摺動面の摩耗に従い軸方向に動くことの出来る回転環(s/‑)I,リング)とS/‑ト受座に固定される固定環(フローティングシーTl)とからなり,それぞれは軸レこ直角な面で接触し相対摺勤している｡この二つの平面を構成する材料を摺動材料と呼び相互に摺動特性のよ

第1図

い材料の組合せで使用される｡

Fig.

南EE用メカニカ)I/シール
1

神鋼ファウドラー技報

Mechanicalseal

for highpressureVol.

operation

29

No.

2

(1985/9)

用する｡

る｡

焼結カーボンは,石油コークス,カーボンブラック,黒3)耐熱性がよく熱放散がよいこと
摺動面では相対壇動することにより摺動熱が発生する｡

鉛等を王昆合し,メ‑)I,ピッチ等をバインダ‑として成形,例えばサイズ申200,焼成して作られるが,焼結の際にバインダー中VL含有されAPIOO

kgf/cm2,回転数100rpmの条件で摩擦係数を0.3とすると約2100kcal/brの発生熱とる揮発物がガス化し多孔質となるため,フェノール樹月旨,なる｡この熱をすみやかV‑摺動部近傍から取り去ってやら

フラン樹月旨等を含有させ不浸透むこして使用する｡
このカ‑ボンの問題点の一つは,ブリスター現象であないと潤滑性が悪化して焼付,熱割れの原因となる｡この除熱はシー)I,液の強制循環又はジャケッ†に通水して行うる｡この原因は,含浸した樹月旨の熱分解とか,カーボンとが,まず摺動材そのものが熱放散R=優れていることが要求

含浸した樹脂の熱膨張差によるものであるとされており,される｡

このブ1)スター現象は,シー)I,液が水の場合には発生しにくく,粘度の高い抽,高温の油又はPV値の高いものに発4)機械的強度が強く変形しVLくい材料であること
摺動;材料には圧力による応力,摺動発熱による応力,回生しやすい｡このような場合は樹脂を含浸しないで密度の転ト/レクによる応力等各種の応力が作用するが,これらの高い等方性材料を用いるか,あるいは高圧でプレス成形し応力によって摺動面にひずみが生じにくい材料でなけれはた高密度の材料を焼結して無含浸で使えは防止出来るのでならない｡

高圧用シー/I,には,この無含浸カーボンが使用される｡

5)気密性があること

もう一つの問題点は,他の金属材斜に比べ機械的強度が1//10以下であるという点である｡このため高圧用VL使用すコーティング材,鋳造材では短くまれVL浸透洩れを経験するが,シールという目的から摺動部以外からの洩れは絶る場合,形状,大きさの配慮及びカーボン材質の選定が大きなボイン†となるo
第1表に代表的なカ‑ボン材料の物対に許されない｡

性及び機械的性質を示す｡

6)加工性,成形性がよいこと
加工精度rLよってメカニカ)t'シ‑/レの性能が左右され

超硬合金

1.2.2

超硬合金は硬度が高く耐摩耗性に優れ,熱伝導性が良いると言っても過言ではない｡従って要求された精度VL加工するためには,加工性のよい材料が必要となる｡

ため,高圧用メカニカ)I,シー)I,の摺動材として,カ‑ボン

7)自己潤滑性がよく相手材を傷つけないこと
今まで挙げた諸条件を全てかねそろえていても,相対摺との組合せ又は超硬合金同意の組合せで使用される｡
超硬合金とは一般に金属の炭化物をニッケル,クロム,動することにより相手材をかじったり傷をつけたりするよ

コバルト等の金属と共に焼結した複合合金のことでその種類は数多くある｡

うな柑姓の悪い材料では摺動材料としては適さない｡
1.2

摺動材料の種類とその性質

メカニカ/I,シールに使用する超硬合金は強敵性があり硬く熱伝導性のよいタングステンカーバイト(WC)にコバ

撹拝機付高圧反応槽に使用されるもののうち代表的なものについて紹介する｡)I,十をバインダーとしたWC‑Co系の合金が使用されるo
しかしWC‑Co系超硬合金は,バインダーのコバルトが酸に対して耐食性が劣るためアルカ1)には耐えるが強酸ケこ

カーボン

1.2.1

摺動材料でもっともよく使用されているのが,カーボンである｡その理由として,耐食性,自己潤滑性が優れ熱伝導率のよいことが挙げられる｡但し強酸化性流体(硝酸,は使用出来ない｡又シ‑ル液が水の場合でも相手材との摺動部に軽微な,すき間腐食の発生する事が確認されてい濃硫酸,発煙硫酸,次亜塩素酸,臭素等)には耐金的に使る｡これら強酸性液及び水に対してはバインダーを使用しない耐酸超硬と呼ばれる超硬合金を使用する｡

用出来ない｡
カーボンは原材料の種類,焼成上のコ二程,含浸樹月旨の撞類等でその性質は大きく異り,その種類も数多くあるが,この耐酸超硬は,高圧反応槽用メカニカルシー/レには通常焼結カ‑ボンを使
第1表

カーボンの物理的および磯械的性質

Table

1

Physicalandmechanicalpropertiesof carbonandSpecificSbor

FlexuralCompress

strength

stre

Material

graphite

ength

ive

Tensilestrength

ModuhlSOf
elasticity

h ardn ess(kgf/cm 2 )(kgf/cm2)

1. 8‑1. 940‑60

180‑250

1. 6575

守600‑800
1500

150

Pbenolic
resin
impregnatedcarbon

7478

690

1300

Furan resin
impregnated788100
70

850
700

2300

250

0. 18

1700

230

0. 15

1. 7585‑90700

2500tygraVlGraphiteCa∫bon】

carbonAcrylicresin
impregnatedcarbonVol.

WC‑Co系よりも硬さ,熱伝導性が大きく,より高圧高温域での使用に有効な材料である｡第2表に超硬合金の特性を示す.

29No.

2(1985/9)

Ther甲aeXpanS

1ton(kgf/cm 2 ) (106kgf/cm2 ) (10￣6/OC)
28‑35

0. 13

神鋼ファウドラー技報

4.4

Tberma1Max.

conductivity(kcal/m･br･oC)

working

temperatur(oC)

120‑130400

20350

300

200280e超硬合金ほ他の摺動材料と比べ高価であるため単体で使が,前者はア)I,ミナ(A1208),後者ほコーティング組織が叡智で表面荒さが良好な酸化クロム(Cr208)がその代表で召する以外R:金属母材へのコ‑ティング又は金属1)ティーある｡

i‑‑紅保持して使用する場合が多い.これらの代表的な形沢を第2図に示す｡

セラミックは耐食性,耐摩耗性に優れているが熱伝導率が他の金属VL比較して低く耐熱衝撃性が悪いため高圧高温コーティングは超硬の使用量が少ないため最も経済的でぁるが,金属母材がSUSのため熱伝導性が若干劣る.
焼はめ方式は熱歪が摺動面に生じやすい事に注意が必要
であるo用には不向きである｡
しかし近年の製造技術の発達により従来セラミックの欠点であった熱伝導率,耐熱衝撃性が大きく改善された炭化金属1)ティナー材は超硬合金の熱膨張係数に近けい素(Sic),窒化けい素(Si8N4.)等ニュ‑セラミックが′､,チタン材等を使用する｡
0リングマウン†式は焼ばめの欠点である熱歪は防止出来るが構造的にやや複椎となる.
l.2.3

注目されているo特にメカ‑カ/レジール用としては,耐熱性,耐食性及び耐摩耗性が高く摩擦係数が低くかつPV値が高い炭化けい素(Sic)が高圧用摺動材として使用され実セラミック

績も増えてきている.第3表FLSiCと他の摺動財料の特性

セラミックは単体又は金属にコ‑ティングして使用する

Ff商

Rコ[頑Sol id

第2図Fig.

Coat ing

Shrinkage

0‑ringmount

シ‑ルに使用される超硬合金の形状
2

Shape

第2表
Tableof sealringusing

cementedof cemented

carbidecarbideal1oy

超涙合金の特性2

Properties
Composition

WC(%)

alloy
PhysicalI

芋￡ iCoMechanicalproperties

Thermalexpans ion

Therma1iE‑dness
担ご∠ヱ9 (kcal/m･hr･ oC)
ERAS
gsrpacvifkc
ity
conduct i▼

Compress

properties

ive

Deflecti▼estrength

馳(kSgT/ncgmt9)

93‑95

5‑7014. 8‑1590. 3‑91. 5568‑72

540

160‑250

90‑92

8‑100

14. 6‑14. 8

89. 5‑90. 5

5.3

60‑65

520

1 80‑270

93‑9703‑7

14. 5‑15. 5

92. 5‑94

4.9

80‑89

400>70

第3表
Table

摺動材料の耐熱衝撃性
3Thermalspalling

resistanceof rubbing

eaibCiOdneきAlu‑in且
ca∫bide alloy
Co 7%

Vickers'bardness

Young's

2570

1000‑2000

1600

1600

45384270 ‑77282442

77

24

500

kgf/mmstrerlgtho't

kgf/mm2modulusE

kgf/m皿2

4. 2×104

3.8×104

6. 0×104

6. 1×104

3.2 ×104

843. 6

10ー6/OC

4.3

7.0

6.0

6.03.22.2

cal/crn･s･oC

0, 30

0. 06

0.2

0.2

0 033

0. 358cm･s/cat

14.

3116

30. 0

30. 0

9 6.0

0.6

46. 6

5.4

23.3

42.0

7.8

530

strength

Thermalexpansion

Thermalconductivity

αKα侶× 10‑61ing

Threers:s言ま｡≡a1
cal/cmTher‑alsniilt喜3ne
I Graphite

2

DeflectiveTensilematerial
Cemented

Mater i alJβfitting

spalling･

resistance

‑%

sI

12.

.

95%
神鋼ファウドラー技報

VTol. 29

No.

2(1985/9)

高圧用の場合はこの歪を最小限におさえるよう形状,大と耐熱衝撃値の比較を示す｡
その他の摺動材料

きさ,01)ングの取付位置等に特をこ注意が払われている.
第6園Qこ形状による耐圧の差を示すが,その中でも特に2.2.4

上述以外のものでは,ステライll,ニレジスTl,銅合金が使用されている｡これらの中で銅合金は,超硬合金とのkgf/cm2G)回転テス一にて良好な結組合せでの高圧(2000果を得ている｡

辛が,歪防止に対して効果がある.

2.軸

シ1)ング取付位置の影響が大きく,外圧K:よる受圧面積をより′トさくするため, 01)ングを摺動面近くに取り付ける
又,固定環は特殊形状のものを除いて,シー†受座匠固ルー定され,その背面はシ‑ト受座に密着している｡このためメカニカ)I,シールには摺動部材間でのシ‑/I,と,回転環及び固定環をそれぞれ事由及シ‑T･受座vL弾性支持し,洩れを防ぐと共R:一振動牽離する働きをもつ軸シ‑)I/とがあ固定環の背面及びこれが当るシー†受座フラ3'ジ部の仕上精度が重要なポイントとなり,面状態が悪ければ,その影る｡

響が即摺動面部に波及する.納入時,両者の面状態が完全700この軸シー)I,忙は,通常,フッ素ゴム,ニトリ)I,ゴム等

560の01)ングを使うが,シー/i,液及び槽内液質,温度紅より,デュポン社製のカルレッツあるいはフッ素樹月旨を使用する場合もある｡
高圧の湯合,回転環の軸シー)i,用0420
3502801)ングのはみ出しFL

210

ついて注意しなけれはならない｡
回転環は適正な摺動面圧を維持するため軸方向への動きが可能な構造となっており,回転環のスムーズな軸方向へv

宗篭105の動きを得るためVLは,回転環と軸との間に適当なすき問が必要であるが,このすき間が必要以上に大きすぎると,第3園に示すようVLO

140(V左遷1)ングがこのすき間部へ入り込み,

Pro trtlS ioll‑･‑㌔̲7｡† ;;かみ込み現象を起こし回転環の軸方向作動不良の原因となる｡従ってこのすき間は0リングがはみ出さないものでなNoシナればならない｡

prod‑usion

28

第4図に0リングのはみ出し中こ対するクl)アランスの限21Shore界値を示す｡これVLよると圧力が高くなる忙従ってすき間を′J＼さくしなければならないが,回転環の構造上必要以上ケこ/]＼さくする事が出来ない｡したがって高圧用R=は,7090801401)

yグ硬度を上げたり,バックアップ1)ングを使用する等の方法をとり,事由とのすき間を確保する｡尚バックアップリ⊂)⊂〉⊂⊃

ング樹質は熱変形の大きい樹脂よりも金属の方がよい｡

3.構Ab

hardnessこ⊃NNL〇⊂⊃⊂)

Ll7⊂⊃⊂⊃,･･一,一.･･+

く⊃

ぐつ･･冒･く⊃ L＋7N
NL〇⊂⊃m⊂⊃⊂⊃p⊂⊃⊂⊃⊂⊃L〇ぐr?

【‑仁一⊂⊃ LO.rl｢⊂⊃⊂⊃造COC3⊂⊃ Lll1つLつ⊂)t=)⊂⊃ ⊂⊃yL･+ミニ)
し〇 こロ｢→NCY?
L⊃ r一
仁一 二O｢rTflこ⊃ ｢1COI?

1:Dー‑⊂>⊂)⊂)く⊃Cく=)⊂)Tll⊂⊃くこ)こ⊂) †一のく:>t･･･1(mm)ダブルメカ‑カ/1/シールの場合,缶内側及大気側シー)t'differellCe il一Tlle

共シールミ夜圧忙よる外圧を受ける｡回転環,固定環共この外圧の影響で摺動面は第5図に示すようV‑通常は外周当り傾向となる｡この状態で運転すると,摺動面部の油膜が形

a

第4国Fig.

cotlpleof diallleter

0リングのはみ出しに対するすき間の限界値
4Limitof clearance

for protruded

0‑rirlg

成されにくくなるため,異常摩耗,焼付等の原因となりやすい｡特に固定環忙カ‑ボンを使用する場合は,カーボンSealの弾性係数は金属の1A:o程度であるため,圧力忙よって生じる歪防止対策の考慮が必要である｡
Sealrillg

Floatillg

SeatPrillg

Shaft

仁0‑rillg

第3匡1

0リングのはみ出し

第5囲

Fig.

Protrusion

Fig.

3VTol. 29

No.

2of 0‑ring(1985/9)

圧力による摺動画の歪5

神鋼ファウドラー技報

Deformationof sealing

face dueto pressure

differenceJ+M

Position

aterialFactorof0‑ring

thickness

Shapeofsealing

faceFlange

size

Shape
toeasydeformShapeto.hard
deform

第6固Fig.

形状による耐圧の差
6Shape

factors

affectingonpressure

resistanceof floatingseat

で問題なく運転されていたものが,定期点検で,新品のメNotcllfor

lubricat̲ioll

カニカルシールと組み替えたが,面の調整,仕上bヂが不十分であったり,行われていなかったことによる密着不良が原因での†ラブルの例もある｡したがって,定期点検等でメカニカルシー/I,を取り替えた時には,両者の面の調整,仕上げが確実に行われている専の確認が必要である｡

4.

シー液

ルダブルメカニカ)I,シー/レの摺動部発熱の除去と潤滑及び第7園

圧力保持を目的として,シール箱内にシ‑/I,液が供給されFig.

る.供給方法には,加圧筒による封入式とプレッシャ‑ユニッ†忙よる強制循環方式とがあるが,高圧用の場合は,摺動面圧が高く発熱量が大きいため,冷却能力の高い,プハイドロダイナミックS/‑ル
7

Hydrodynamicsealq)I̲lコ(勺

レッS/ヤ‑ユニットでの強制循環方式を用いる｡
VG32‑68相当)
シ‑ル液には潤滑性のよい抽(ISO.
がよく使用されるが,他に共液,水,溶剤,グリセリン,流動パラフィン等が使われることもある｡
このシ‑ル液の選定に際しては,潤滑性が良い事はいうまでもないが,槽内液(ガス)と反応し熱を発生したり,腐食性が増大したり,固形分が生成されたり,あるいは摺動画での半占度が高くなったりしないものであることと,槽〜.一d,)a[:lq)＼〔一L.･●"1†
､ノ､ノ
第8国
Fig.

Tillle

立上り時の摺動面近傍温度
8Temperattlre

underthesealing

faceatstartup

内液体へのわずかな混入が許容されるものでなけれはならない.又,最近,共液,溶剤等特殊な液をs/‑ル液として使用するケ‑スが増加しているが,上述の検討はもとよ‑40oC低い温度で管理するようにする｡又,シール液の循
環流量の決定は,シー/I,箱のシー)I/液出入口部との温度差り,そのi夜のs'‑ル液としての摺動特性についても,テスを抽の場合10oC,水の場合3oC程度として計画する｡†を行う等によって把直しておく必要がある｡
高圧用の場合は特にシール液の粘度及び温度管理も重要5.ならし運転及び再起動運転である｡粘度が高すぎると,面圧が高いために摺動部‑s/ならし運転によるtラブ)t'があり,ならし運転の良否が,‑ル液が入りにくく,そのため潤滑性が悪くなり,異常発熱,摩耗,熟割れ等の原因となる｡従って粘度の管理は,
250‑300
タービン油の場合,低圧用で使用する粘度より,Cst低くする必要がある｡又第7国に示すように,摺動面メカニカ/1,シールの性能,寿命に大きく影響している｡
このならし運転の必要性ほ,メカニカ/1/シー)i,の構造的な面と,摺動材のなじみとからきている｡第8園に立上り時の摺動面近傍温度を測定した一例を示すが,定常状態でに潤滑溝を設け摺動部の回転を利用して,S'‑ル液を強制的に摺動端面部‑導入させるノ＼イドロダイナミック5'‑)I,は摺動面温度は,ほほ一定値忙なるが,立上り時は図の如
く非常R:バラツキが目立ち不安定である｡このような状態も高圧用にほよく使用される｡の時に急激な圧力,回転数の増加を行うと,洩れ,焼付杏,熱割れの原因となり易い｡ならし運転は,摺動面をな

シ‑/i,液温度は,密封状態の完全さと耐久を維持し,蘇歪はもちろん熱膨張による巌合部及び回転環と軸とのすき間の変化を出来るだけ小さくする意味でも極力低い値いに保つ様にした方がよい｡
この温度管理の上限値は,抽のような高沸点液では60oC,溶剤･水等沸点の低い液では大気圧下での沸点より3012

高圧シールでしばしば問題となるものに,運転開始前のじませ理想的な摺動状態が得られる様に行うためのものであり,その方法は,s'‑)I,液圧を一度に設定値まで昇圧させず,低圧(5kgf/cm2G程度)から段階的に時間をかけ昇圧させ,変速が可能な場合は最低回転数からスタートさせる｡又シー)t'液の温度コン十ロー)t'も必要であり,特に冬伸銅ファウドラー技報

Vol.

29

No.

2(1985/9)

場では,シー)I,i夜温度が下がり半占度が高くなっているので,運転前VL所定の精度となるよう加温する方がよい｡
又,パッチ運転等で運転を停止後長時間経過したのち再起動させる場合があるが,このような場合でも運転停止時間により適当な,ならし運転が必要である｡
再起動時のならし運転ほ,s/‑)1,液の種類,圧力等によって異るが,一般的をこ24時間以内の停止であれは,ならし運転は新らしく組み込んだ場合に行うステップ的なならし運転を省略してもよいが手廻しで数回廻した後再起動を行う｡停止時間が30日を超えた場合は前述と同要領のならし運転が必要である｡
むすぴ以上高圧シ‑)l,に関するごく一部を述べたが,当社200
kgf/cm2G回転テストでは,ダブル塑シールで,洩れ,摩[口耗,摺動面近傍温度,摺動特性等,満足のいく結果が得られており,この圧力クラスまでは,ダブ/1/メカ‑カ/レS/‑

ルの使用が可能であると判断している｡又これ以上の圧力範囲では,第9図VL̲示す3段シー)I,タイプを採用することD□になるが,プレッS/ヤーユニッ†の圧力コンT.ロールが複雑であるため,現在は槽内圧カと連動させ自動制御出来るプレッシャーユニッ†を開発し試作中である｡〔参考文献〕
常田:新メカニカルS/‑ルE.マイヤ‑:メカニカルシ‑ル

宗:シールのこくい

第9園
Fig.

Vol.

29

川口ほか:メインテナンス(Jtlly
24.5(1979) P25
大越:潤滑
藤田:寺関滑 24.5 (1979) P31.32

3.殴シール
9TriplemechanicalNo.

(1985/9)

2

日刊=業新聞社
科学新聞社
技術評論社

seal

古賀:潤滑

神鋼ファウドラー技報

27.ll(1982)

1984)

P42

13