遠心圧縮機用カーボングラファイトラビリンスシールインサート：120℃/2.5 MPaクラッカーガス圧縮機 H₂/CH₄/C₂H₄混合ガスサービス

遠心圧縮機は石油化学、天然ガス処理などの産業における中核回転機器です。ラビリンスシール（コームタイプシールとも呼ばれる）は、圧縮機の段間および軸端用途で最も一般的に使用される非接触シールです。その原理は、多段の絞り歯とローター間の微小クリアランスによって絞り圧力降下を発生させ、段階的にガスの運動エネルギーを消費し、漏れを低減することにあります。しかし、従来のアルミ合金や真鍮製ラビリンス歯は、ローター振動や芯ずれ条件下で硬い擦れが生じやすく、歯の摩耗が早く、ラビリンスクリアランスが急速に拡大し、漏れが指数関数的に増加します。霍邱県Huahao Sealing Co., Ltd.がエチレンクラッカーガス圧縮機や天然ガス注入圧縮機など複数の大型遠心圧縮機での適用経験に基づき、本稿ではカーボングラファイトインサートラビリンスシールの選定ポイントを紹介します。

1. サービス特性

1.1 典型的なクラッカーガス圧縮機のパラメータ

• 媒体：クラッカーガス（H₂ 28-32%、CH₄ 18-22%、C₂H₄ 22-28%、C₃+ 10-15%、CO 2-4%、微量のH₂Sおよび水分）
• 圧力範囲：段間 0.3-1.2 MPa、出口 2.5 MPa
• 温度範囲：第1段入口 38-45℃、第4段出口 110-125℃
• 回転速度：6800-8500 rpm（ギアボックスによる速度増加駆動）
• 軸振動：通常 25-40 μm、臨界回転数通過時 60-85 μm（API 617 警報値 90 μm、トリップ値 120 μm）

1.2 故障モード分析

従来のアルミニウム/真鍮製ラビリンス歯の故障統計：

1.摩耗（65%）：ローターが臨界回転数を通過するか、急激な負荷がかかると軸振動が増加（> 60 μm）し、歯とスリーブ間で硬い摩擦が発生。アルミニウム歯（HB 95）がクロムメッキスリーブ（HV 900）に擦れるのは「卵が石に当たる」ようなもので、臨界回転数通過時に歯の高さが0.1-0.2 mm摩耗し、ラビリンスクリアランスは3-4ヶ月ごとに倍増する。

2.ガス腐食（20%）：クラッカーガス中の微量H₂S（30-200 ppm）と水分が低温部でH₂S水溶液に凝縮し、真鍮歯（Cu-Zn）が脱亜鉛腐食を受け、歯の強度が低下し脆性割れが発生。

3.熱変形（10%）：高温部（> 100℃）では、アルミニウム歯の熱膨張係数（23×10⁻⁶/℃）が炭素鋼製ハウジング（12×10⁻⁶/℃）より大きく、設計クリアランスが「消費」されて連続的な摩擦が起こる。

4.取り付けクリアランスの不均一（5%）：手動のシックネスゲージによる各歯のクリアランス測定には±0.05 mmの誤差があり、局所的にクリアランスが小さすぎると早期摩擦が発生する。

2. カーボングラファイトインサート材料の選定

2.1 カーボングラファイトの利点比較

| 性質 | 6061-T6 アルミニウム | H62 黄銅 | 316L ステンレス鋼 | 青銅含浸グラファイト |

|----------|-----------|---------|---------|--------------------------------------|

| 硬度 | HB 95 | HB 85 | HB 187 | HS 80 (約 HB 120) |

| 摩擦による損傷部位 | アルミの歯が摩耗 | 黄銅の歯が摩耗 | ステンレスがスリーブを損傷 | グラファイトが摩耗し、スリーブは無傷 |

| H₂S耐食性 | 普通（ピッティングあり） | 悪い（脱亜鉛） | 良好 | 非常に優れる（グラファイトはH₂Sに腐食されない） |

| 熱膨張係数 | 23×10⁻⁶ | 20×10⁻⁶ | 17×10⁻⁶ | 3.2×10⁻⁶（鋼に近い） |

| 自己潤滑性 | なし | なし | なし | 優れる（固体潤滑、耐高温で効果的） |

| 加工精度 | ±0.02 mm | ±0.02 mm | ±0.03 mm | ±0.005 mm（CNC研削精度） |

| 寿命（ラビリンス） | 3～6ヶ月 | 4～8ヶ月 | 1～2年 | 4～6年 |

2.2 Huahao Sealing 青銅含浸グラファイト

ラビリンスシール用インサート専用材料：

• 基材：微細粒子等方圧グラファイト（粒径8 μm、密度1.82 g/cm³）
• 含浸材：錫青銅 CuSn10（真空圧力含浸、含浸率95％以上、残留空隙率1％未満）
• 主な特性：
• 圧縮強度260 MPa、曲げ強度72 MPa、ショア硬度 HS 80
• 熱伝導率85 W/m·K（摩擦熱を迅速に伝導し、グラファイトの酸化を防止）
• 熱膨張係数3.2×10⁻⁶/℃（炭素鋼の12×10⁻⁶と組み合わせ、高温時にクリアランスが減少せず増加）
• 酸化温度：空気中450℃以下（クラッカーガスの125℃運転温度を大きく上回る）
• 媒体耐性：H₂S、CO、アルケン、アルカンに完全に安定；青銅含浸材はわずかにH₂S耐食性あり（H₂S濃度500 ppm未満では影響なし）

2.3 ロータースリーブの要件

カーボングラファイトインサートには高硬度スリーブの組み合わせが必要：

• スリーブ表面：硬質クロムメッキ0.10～0.15 mm、メッキ硬度 HV 850～950、表面粗さ R_a ≤ 0.20 μm
• メッキ要件：クロムメッキ層と基材の付着強度60 MPa以上、微細亀裂なし（電解腐食検査で亀裂検出なし）
• 代替案：HVOF WC-Co-Crコーティング、硬度 HV 1100～1200（耐摩耗性は高いがコストは3～4倍）

3. ラビリンスシール構造設計

3.1 シールタイプの選定

主流のラビリンスシール構造2種類の比較：

| 構造タイプ | 図解 | 漏れ（相対値） | 摩擦抵抗 | コスト | 適用 |

|------------|------|----------------|----------|--------|------|

| ストレートスルー | 全ての歯が固定子または回転子に配置、歯先は反対側の滑らかな円筒面を向く | 100%（基準） | 普通 | 低 | 低圧段（< 0.5 MPa）、軸振動小 |

| 交互配置 | 歯が固定子と回転子に交互に配置され、「Z字型」の流路を形成、ガス流れ方向が複数回変わる | 50-60% | 優秀（摩擦時は単段接触、エネルギー分散） | 中 | 推奨！中高圧段（> 0.5 MPa）、大型機に適 |

クラッカーガス圧縮機GB201の段間圧力は0.3-1.2 MPa、2、3、4段は交互配置タイプ推奨、1段はストレートスルータイプ推奨。

3.2 歯形状およびクリアランス設計

歯形状設計（絞り効果を決定）：

• 歯先角度：60°の二等辺三角形歯先、先端半径R ≤ 0.03 mm（鋭利なエッジ効果が強く、最適な絞り効果）
• 歯高H：H = 8-12 mm（歯先の機械的強度を確保し、取り付け時の破損を防止）
• 歯ピッチP：P = 10-15 mm、歯高H / ピッチP ≈ 0.6-0.8（流路内の合理的な「渦死点」比率）
• 歯数Z：1段あたり4-6歯；段圧力降下が0.2 MPaを超える場合は8歯以上必要

クリアランス設計（漏れと摩擦リスクのバランス）：

• 直径方向クリアランス2c（冷間状態）：
• 高速段（> 6000 rpm、軸径150-200 mm）：2c = 0.40-0.50 mm
• 中速段（4000-6000 rpm、軸径200-300 mm）：2c = 0.50-0.65 mm
• 高温状態クリアランス検証：120℃作動温度で、スリーブ（鋼材、熱膨張係数12×10⁻⁶）とグラファイトインサート（3.2×10⁻⁶）の膨張差により、熱間クリアランスは-0.02 mmのみ変化（ほぼ変わらず、「焼き付き」なし）
• 摩擦安全マージン：冷間クリアランスは通常軸振動の2.5倍以上、臨界回転数軸振動の1.3倍以上（2c ≥ 1.3 × 85 μm ≈ 110 μm、実際は400 μm以上で非常に安全）

3.3 インサート固定方法

カーボングラファイトは脆く、ねじ切り加工ができない（欠けやすいため）、燕尾溝干渉嵌合を使用：

• 固定子リング内壁に60°の燕尾溝を加工（溝幅はグラファイトインサートの燕尾底幅よりやや狭く、干渉量0.02-0.03 mm）
• グラファイトインサートを室温でゆっくり燕尾溝に圧入（15 MPaの圧力、速度1 mm/s、衝撃を避ける）
• 両端はスポット溶接したスラストワッシャーで固定（溶接点はグラファイトから離し、熱影響を避ける）
• 最後にCNC研削盤で歯先の円振れを≤ 0.01 mm、各歯の高さ差を≤ 0.005 mmに仕上げる

4. Huahao Sealing ケーススタディ

ある石油化学グループの年産80万トンのエチレンプラントにおいて、クラッカーガスコンプレッサー（「三大コンプレッサー」の一つ）（GB201、Shengu製、6段遠心、4段圧縮、出力15000 kW、回転数8200 rpm、48段の段間ラビリンスシール、最大媒体圧力2.5 MPa、出口温度122℃）は、当初6061アルミニウム合金製のラビリンス歯を使用していましたが、深刻な問題が発生しました。

1.急速な歯の摩耗：第1次固有振動数（約4200 rpm）を通過するたびに軸振動が75-80 μmとなり、アルミ歯がクロムメッキされたスリーブと硬接触し、15～20回の始動停止で歯の高さが半分に摩耗し、ラビリンスクリアランスは設計値0.28 mmから0.7～0.9 mmに拡大しました。

2.段間漏れが基準超過：プラントの校正漏れ率は2.8%（API基準は1.5%以下）、エチレンなどの材料の時間当たり漏れ量は約0.8トン、年間損失は約1800万元に達しました。

3.H₂S腐食：クラッカーガスには80～120 ppmのH₂Sが含まれており、第3段の低温部（52℃）の真鍮製ラビリンス歯は脱亜鉛腐食を受け、歯が脆化して破損しました（2017年のオーバーホール時に7本の破損歯を確認）。

2018年の大規模オーバーホール時に、48段すべてのラビリンスシールをHuahao Sealingの青銅含浸カーボングラファイトインサート＋段差構造（第2～4段）／直通型（第1段）＋燕尾溝インサート＋対応する再クロムメッキスリーブに完全交換しました。

• 漏れ率：オーバーホール後の校正で0.9%（APIの1.5%基準を上回る改善）、エチレンなどの材料漏れが時間当たり1.9トン減少し、年間材料価値の節約は約1200万元（エチレン単価7500元/トン換算）。
• シール寿命：2018年から2024年までに6回の始動停止（うち2回はプラント全体のオーバーホール）を経験し、2024年の分解検査でカーボングラファイト歯先端の平均摩耗はわずか0.012 mm（摩耗率0.002 mm/回）で、さらに4～6年の使用が可能と判断（元のアルミ歯はすでに4回交換済み）。
• スリーブ保護：各段のスリーブのクロムメッキに目立った損傷はなく、表面粗さも要求を満たしており、交換不要（当初は毎回のオーバーホールでスリーブ交換が計画されており、約380万元の部品コストを節約）。

選定の核心は、軸振動の大きさが歯材質を決定（軸振動が50 μmを超える場合は硬接触を避けるためカーボングラファイトインサートを選択）、媒体の腐食性が含浸材を決定（H₂S含有の場合は青銅含浸を選択）、段間圧力が構造タイプを決定（0.5 MPaを超える場合は段差型を選択）、冷間クリアランスは軸振動の2.5倍で設計しています。