- ▸計画外の遠心ポンプ停止の60%以上がメカニカルシールの故障に起因し、そのうち約45%がシールリングの摩耗によるものです。
- ▸乾式摩擦がフェース焼けの主な原因であり、フェース温度は数秒で300℃を超え、カーボングラファイトフェースの酸化や樹脂含浸材の分解を引き起こします。
- ▸ゴムシールの耐熱限界はフッ素ゴムで200℃、ニトリルゴムで120℃であり、2～3年ごとの交換が推奨されます。
- ▸高腐食性の用途では、スプリングにハステロイやモネルを使用するか、腐食破損防止のため外部メカニカルシール構造への切り替えが必要です。
- ▸316ステンレス鋼は塩化物環境下で隙間腐食の臨界温度がわずか60℃であり、異種金属接触腐食や応力腐食割れ防止のため材料の適合が求められます。
計画外の遠心ポンプ停止の60%以上がメカニカルシールに起因するという数字は、アフターサービスの統計で繰り返し示されています。故障は単一原因で起こることは稀で、シールリングの摩耗が約45%を占めます。数秒間の空転でフェース温度が300℃を超え、フルオロエラストマーOリングは200℃、ニトリルは120℃で劣化し、2～3年の周期で交換が必要です。本記事では故障モードごとに特徴、根本原因、現場で実施可能な予防策を解説します。
1. シールリング摩耗故障
シールリング摩耗は最も一般的な故障形態で、全体の約45%を占めます。
1.1 正常摩耗と異常摩耗
メカニカルシールのフェースは正常運転中にゆっくり摩耗します。年間摩耗量が0.05mm未満であれば正常範囲です。これを大幅に超える摩耗率は異常摩耗を示します。診断方法としては、定期的なシールリング高さの測定、漏れ率の傾向監視、フェース温度の変化追跡があります。
1.2 研磨摩耗の原因
媒体中の固形粒子が研磨摩耗の主な原因です。5μm未満の微粒子でもフェース膜に三体摩耗を引き起こします。予防策としては入口フィルターの設置、フラッシュ液の使用、シリコンカーバイドなど硬質の接触材の採用が挙げられます。
1.3 乾式摩擦によるフェース焼け
乾式摩擦はもう一つの深刻なフェース故障モードで、ベント不足、フラッシュ停止、媒体の蒸発がないままポンプ起動した際に発生しやすいです。乾式摩擦下ではフェース温度が数秒で300℃を超え、カーボングラファイトフェースの酸化、樹脂含浸材の分解、シールフェース焼けを引き起こします。予防は適切なフラッシュ運転と起動前の完全ベント確保に重点を置きます。
2. 二次シール故障
二次シール（Oリング、Vリングなど）は主たるシール機能を担いませんが、その故障は全体のシール故障を招きます。
2.1 劣化と変形
ゴムシールは長期の高温および媒体曝露により劣化し、硬化や圧縮永久歪みを生じます。フッ素ゴムの長期耐熱上限は200℃、ニトリルは120℃であり、これを超えると急速に劣化します。媒体温度に応じた材料選定と2～3年ごとの交換が必要です。
2.2 化学腐食
一部の媒体はゴムを選択的に攻撃します。ベンゼン系溶剤はニトリルを膨潤させ、強力な酸化剤はフッ素ゴムの分子鎖を損傷します。予防の要点は媒体とシール材の化学的適合性の確認です。
2.3 取付け時の損傷
取付け時に鋭利な工具を使用したり、表面のバリや潤滑不足があるとシールを損傷します。Huahaoではシリコーンオイルや専用潤滑剤を用いた専用工具の使用を推奨しています。
3. スプリングおよびベローズの故障
スプリングとベローズはメカニカルシールの補償要素であり、これらの故障は面圧不足およびシールの破損を引き起こします。
3.1 スプリングの疲労破断
スプリングは長期の繰り返し荷重により疲労破断を起こしやすく、特に頻繁な始動・停止条件下で顕著です。対策としては、疲労寿命の長いスプリング材料を選定し、頻繁な始動・停止を避けることが挙げられます。
3.2 スプリングの腐食
媒体による腐食はスプリングの断面積と剛性を低下させ、最終的に補償能力を失わせます。腐食性の高い環境では、ハステロイ、モネルなどの耐腐食性スプリング材料を使用するか、外部メカニカルシール構造への切り替えを検討してください。
3.3 ベローズの亀裂
金属ベローズは疲労と腐食が複合して亀裂を生じることがあります。定期的な目視検査を推奨し、特にベローズ波形の山頂部および谷部の亀裂に注意してください。
4. 腐食による故障
カーボングラファイトシールリング自体は優れた耐腐食性を有しますが、付随する金属部品（スプリングシート、駆動ピン、プッシュリングなど）は腐食故障を起こしやすいです。
4.1 ガルバニック腐食
異種金属は電解媒体中でガルバニックセルを形成し、より陽極性の高い金属が速やかに腐食します。例えば、ステンレススチール製スプリングシートと炭素鋼製ポンプ軸は塩化物媒体中でガルバニックカップルを形成します。対策としては、同一材料の使用、絶縁ガスケットの追加、または陰極防食の適用が挙げられます。
4.2 すき間腐食
シール部品の組立すき間では媒体が停滞し、局所的な腐食環境が形成されます。塩化物媒体において、316ステンレス鋼のすき間腐食臨界温度は約60℃に過ぎません。組立構造はすき間を最小限に抑えるよう最適化すべきです。
4.3 応力腐食割れ
オーステナイト系ステンレス鋼は塩化物媒体と引張応力の複合条件下で応力腐食割れを起こします。対策としては、残留応力の低減やデュプレックスステンレス鋼、高ニッケル合金の使用が推奨されます。
5. 総合的な予防戦略
メカニカルシールの信頼性管理システムの構築が故障予防の根本的な道筋です。Huahaoは以下の対策を推奨します：シール部品の型式、設置時期、運転条件を記録する台帳の作成；漏れ率、振動、温度の定期検査の実施；条件に応じた予防交換間隔の設定；故障解析記録の構築による継続的な選定改善。
6. 結論
メカニカルシールの故障原因は複雑であり、媒体、条件、設置および保守が絡み合っています。体系的な故障モード分析と予防保全の組み合わせにより、故障頻度を大幅に低減可能です。Huahao Sealing Co., Ltd.はシール故障解析サービスを提供しております。ご協力のご相談をお待ちしております。