肥料業界のアンモニアポンプ向けカーボングラファイトシール選定：NH₃腐食と高圧運転への対応

アンモニア合成装置のカルバメートポンプおよび液体アンモニアポンプは、アンモニア（NH₃）、二酸化炭素（CO₂）、水を含む媒体を輸送し、強い腐食性を持つカルバウ液（カルバメートアンモニウム水溶液）を形成します。Huahao Sealingが雲天華（Yuntianhua）および新連新（Xinlianxin）肥料プラントでのサービス経験を踏まえ、本稿ではNH₃媒体用カーボングラファイトシールの選定について紹介します。

1. サービス特性

カルバメートポンプは70〜90℃、15〜25 MPa、pH10〜11のカルバメートアンモニウム水溶液を輸送し、銅合金やフッ素ゴムに強い腐食性を示します。液体アンモニアポンプは−33℃〜＋40℃、1.5〜3.0 MPaの液体アンモニアを輸送し、液体アンモニアの粘度は0.25 mPa·s（水の4分の1）と非常に低いため、シール面の油膜が極めて破れやすいです。

故障統計：含浸材の腐食損失（38％）、Oリングの膨潤（25％）、スプリングの腐食疲労（18％）、シール面の熱割れ（12％）。最初の3つは材料選定に直接関連しています。

2. 材料選定

2.1 フラン樹脂含浸グラファイト

NH₃媒体には、優れたアルカリ耐性を持ち、pH10〜11のカルバメート溶液中で長期に安定するフラン樹脂含浸グラファイトM106Kが推奨されます。耐熱温度は200℃です。比較試験では、80℃のカルバメート溶液に1000時間浸漬した場合、フラン樹脂含浸グラファイトの空隙率は1.8％から2.1％にしか上昇しませんが、フェノール樹脂含浸グラファイトは4.5％に上昇し、シール性能を満たさなくなります。

2.2 禁止材料

アンチモン金属含浸グラファイトは避けるべきです（アンチモンはNH₃中で錯形成溶解し、3ヶ月で40％の損失が発生）。また、銅を含むバビット金属含浸グラファイトも避けるべきです（銅はアンモニア中で急速に腐食します）。

2.3 相手材質

焼結シリコンカーバイド（SSiC）が推奨されます。反応結合SiCより耐腐食性が高く、熱伝導率は120 W/(m·K)です。硬質金属は避けるべきです（コバルトバインダーがアンモニア中で選択的腐食を受けます）。

3. タンデム二重シール構造

カルバメートポンプの高圧運転にはタンデム二重メカニカルシールを使用します。内側シールは媒体圧力を受け、外側シールはバリア流体圧力を受けます。内側シールが破損しても、外側シールがNH₃の大気漏洩を防ぎます。

バリア流体圧は媒体圧より0.2〜0.3 MPa高く設定し、媒体側シール面に逆圧差を確保します。バリア流体にはISO VG 46の耐摩耗性油圧油を使用し、ダイヤフラムポンプで圧力を安定化させ、圧力変動は±0.05 MPa以内に抑えます。

OリングはFKMよりNH₃耐性に優れるアフラスまたはカルレズを使用します。FKMは液体アンモニア中で500時間以内に15％膨潤しますが、アフラスは1000時間で2％未満の膨潤に抑えられます。

4. 液体アンモニアポンプの低温補足

液体アンモニアポンプには、AM350の半硬化ステンレス製ベローズを推奨しており、低温で弾性率が低下するインコネル718は避けています。ベローズはOリングを必要とせず、低温での脆化を回避します。シール面の特定圧力は0.3～0.4 MPa（標準は0.5～0.6 MPa）に低減し、低粘度の液体アンモニア膜の押し出しを防止しています。

5. Huahao Sealingの事例研究

年間30万トンのアンモニア合成ユニットにおけるカルバメートポンプ（流量12 m³/h、圧力22 MPa、温度85℃）では、当初輸入ブランドのシールを使用し、平均寿命は約2000時間でした。2020年にHuahao SealingのM106K + SSiC + Aflas + タンデムダブルシール + ダイヤフラムポンプバリア液ソリューションに切り替えたところ、平均寿命は8000時間に延長し、3年間で約45万元の予備部品コストを節約するとともに、NH₃漏れの危険を排除しました。

選定の3つの要因は、媒体のpHが含浸材を決定（アルカリ性はフラン樹脂を使用）、圧力等級が構造を決定（高圧はタンデムダブルシールを使用）、温度範囲が補助シールを決定（低温はAflas/ベローズを使用）します。