カーボングラファイトシール故障事例と対策：100件以上の実例から得た技術経験

シール故障は設備故障の主な原因の一つです。Huahao Sealing Co., Ltd.での10年以上のサービス経験を通じて、化学、電力、冶金、食品、半導体など複数産業にわたる100件以上のカーボングラファイトシール故障事例を収集・分析しました。これらの事例を詳細に分析することで、5つの主要な典型的故障モードとその予防対策を特定しました。本記事では実例を交え、故障解析のアプローチと手法を技術者に共有し、設備メーカーやユーザーがシール故障を根本から防止する一助とします。

1. 事例1：熱割れ故障

1.1 事例背景

ある化学プラントの遠心ポンプで、220℃の熱伝熱油を輸送していました。メカニカルシールにはフェノール樹脂含浸カーボングラファイトリングM120Hを使用していました。運転開始から3ヶ月後、シール面に放射状の割れが発生し、大量の漏れを引き起こしました。

1.2 故障解析

1) 現地調査：シール面に内周から外周に向かって放射状の割れが約8～12本、幅0.1～0.3 mmで確認された

2) 材料試験：割れ面のSEM分析で粒界破壊の特徴を示し、疲労痕は認められなかった

3) 運転条件分析：ポンプは頻繁に始動・停止を繰り返し、各始動・停止でシール面温度が150℃変化し、加熱速度は50℃/分を超えていた

4) 根本原因分析：フェノール樹脂含浸カーボングラファイトは熱伝導率が低く（約15 W/m·K）、摩擦熱が速やかに放散されず、シール面と本体間に大きな温度勾配が生じる。頻繁な始動・停止により交互の熱応力が発生し、最終的に熱疲労割れを引き起こした

1.3 改善対策

1) アンチモン含浸カーボングラファイトM106Dに切り替え、熱伝導率を80 W/m·Kに向上

2) シールフラッシュ冷却システムを追加し、シール室温度を150℃以下に制御

3) 始動・停止手順を最適化し、加熱速度を10℃/分以下に制御

4) シール面温度監視装置を設置し、設定温度超過時に自動警報を発報

改善後、18ヶ月の運転で熱割れは発生せず、寿命は6倍に延長されました。

2. ケース2：研磨摩耗による故障

2.1 ケース背景

鉱山用スラリーポンプにカーボングラファイト製ブッシュを使用しており、媒体には約15％の固形物（主にモース硬度7の石英砂）が含まれていました。運転開始から2週間でブッシュの摩耗が3 mmに達し、想定寿命を大幅に超えました。

2.2 故障解析

1) 現地調査：ブッシュ内面に方向性のある溝が見られ、深さ1～3 mm、幅0.5～1.0 mmであった

2) 研磨材分析：媒体中の石英砂はカーボングラファイトよりはるかに硬く、粒子のエッジが鋭利であった

3) 運転条件分析：実際の固形物含有率は設計値（5％）の3倍であり、媒体の流速も過剰（>3 m/s）で渦流による侵食が発生していた

4) 根本原因分析：材料選定の不適切（純カーボングラファイトの硬度不足）、媒体条件が設計と不一致、ろ過システムの欠如

2.3 改善対策

1) 硬度をHS 50からHS 80に向上させたアンチモン含浸カーボングラファイトM106Dに切り替え

2) ポンプ入口にハイドロサイクロン分離器を設置し、媒体の固形物含有率を5％以下に低減

3) ブッシュ構造を螺旋溝設計に最適化し、媒体流れを利用して動圧潤滑を形成

4) 定期的なモニタリングを確立し、ブッシュ摩耗を週次で測定

改善後、ブッシュの寿命は6か月以上に延長されました。

3. ケース3：化学腐食による故障

3.1 ケース背景

製薬工場のリアクター攪拌機にフェノール樹脂含浸カーボングラファイト製ブッシュを使用しており、媒体は30％塩酸とアセトンの混合液でした。運転開始から1か月でブッシュ表面が粉状化し、強度が大幅に低下しました。

3.2 故障解析

1) 現地調査：ブッシュ表面に均一な粉状化が見られ、黒い粉のようで、強度は150 MPaから50 MPa以下に低下

2) 化学分析：塩酸-アセトン混合液中でフェノール樹脂が劣化し、樹脂マトリックスが溶解して緩いグラファイト骨格が残存

3) 根本原因分析：含浸樹脂の選定ミス。フェノール樹脂は一般的な耐酸性を持つが、アセトンのような強い極性有機溶媒には耐えられない

3.3 改善対策

1) 優れた耐酸性および耐有機溶媒性を持つフラン樹脂含浸カーボングラファイトM163Kに切り替え

2) 含浸相を持たない炭化純カーボングラファイトの使用も検討し、腐食を回避

3) 媒体に腐食抑制剤を添加し、腐食速度を低減

4) 媒体組成の変化を監視するため、定期的な化学分析を実施

改善後、ブッシュは12か月の運転後も良好な状態を維持しました。

4. ケース4：疲労剥離破損

4.1 ケース背景

ある発電所の給水ポンプのメカニカルシールにエポキシ樹脂含浸カーボングラファイトが使用されていました。運転開始から6か月後、シール面に薄片状の剥離が発生し、剥離面積は全体の約20％を占めていました。

4.2 破損解析

1) 現地調査：剥離は高圧側に集中し、貝殻状の破面で疲労痕が明瞭に確認されました。

2) 振動解析：ポンプは運転中に明らかな軸方向振動があり、振幅は0.05～0.10 mm、周波数は回転速度と一致していました。

3) 応力解析：軸方向振動によりシール面の接触圧力が周期的に変化し、疲労応力が発生していました。

4) 根本原因解析：ポンプの軸方向力バランス不良が振動を引き起こし、カーボングラファイト内部の気孔が疲労亀裂の発生源となっていました。

4.3 改善対策

1) ポンプの軸方向力バランス問題を解決し、バランスディスクを交換して軸方向振動を0.02 mm以下に低減する。

2) 気孔率が低く疲労強度が向上したアンチモン含浸カーボングラファイトM106Dに切り替える。

3) バネ設計を最適化し、多連バネ構造を採用してシール面圧力を均等化する。

4) 振動監視システムを設置し、設備の状態をリアルタイムで監視する。

改善後、シール寿命は18か月以上に延長されました。

5. ケース5：組立応力による亀裂破損

5.1 ケース背景

あるコンプレッサーユーザーがカーボングラファイト製シールリングを取り付けたところ、始動前にシールリングに貫通亀裂が発見され、使用不能となりました。

5.2 破損解析

1) 現地調査：亀裂はシールリングの外周から内周に軸方向に延びており、貫通亀裂であることが確認されました。

2) 組立調査：ユーザーはプレスを使用してシールリングをハウジングに圧入しており、干渉量は0.15 mm（設計要求は0.05～0.08 mm）でした。

3) 応力解析：実際の干渉による組立応力がカーボングラファイトの引張強度を超え、亀裂を発生させていました。

4) 根本原因解析：ユーザーが取り付け仕様を遵守せず、干渉量が許容範囲を超えていたこと、さらにハウジングの穴径加工が公差外であったことが原因です。

5.3 改善対策

1) ハウジング穴径の寸法公差を厳格に管理し、H7級の精度を推奨する。

2) 熱組立法を採用し、ハウジングを150～200℃に加熱して穴径を膨張させてからシールリングを挿入する。

3) 干渉量を0.03～0.06 mm（φ100 mm以下の場合）に制御する。

4) 詳細な取り付け手順書を提供し、必要に応じて現地サービスを実施する。

取り付け手順の標準化により、この種の問題は完全に解消されました。

6. 体系的な破損解析手法

6.1 現地調査の要点

• 運転データの収集：温度、圧力、回転数、媒体、運転時間
• 破損部品の現状写真撮影
• 設備の振動や異音など異常兆候の記録

6.2 実験室分析

• マクロ検査：表面形態、亀裂方向、剥離特性の観察
• ミクロ分析：SEMによる破面観察、EDSによる成分分析
• 性能試験：硬度、強度、密度の比較

6.3 根本原因解析

• 5Why分析による根本原因の追及
• 人・機械・材料・方法・環境の要因を整理したフィッシュボーン図分析
• 恒久的な是正措置の策定

結論

故障解析はシールの信頼性向上において重要な手段です。各故障事例には、深く掘り下げて学ぶ価値のある貴重な技術的知見が含まれています。Huahao Sealing Co., Ltd.は、高品質なカーボングラファイトシール製品を提供するだけでなく、専門的な故障解析サービスも提供しています。設備運転中にシールの故障問題が発生した場合は、遠慮なく故障部品を当社にお送りください。技術チームが詳細な故障解析報告書と改善提案を提供いたします。