メカニカルシールフラッシュプラン選定ガイド：API 682フラッシュプランの技術的選択

適切なフラッシュプランを選ぶことでカーボングラファイトシールリングの寿命を2〜3倍に延ばせます。Plan 23の密閉循環はシール室温度を30〜50℃下げ、高温ポンプの樹脂分解を防ぎます。Plan 11は従来の用途の約60％をカバーしますが、固形物を含む媒体には不向きです。Plan 32の外部フラッシュは汚れた媒体用に存在します。プランは良し悪しで順位付けされるものではなく、条件に合うか合わないかです。API 682の枠組み内で、本稿では主流プランの適用シナリオ、配管構成、切り替え基準を解説します。

1. API 682フラッシュプランの概要

1.1 フラッシュプランの機能

メカニカルシールのフラッシュプランの主な機能は、摩擦熱を運び去り端面の過熱を防ぐこと、シール室から固形粒子や気泡を除去すること、端面の液膜安定を維持すること、二重シールでは媒体漏れ防止のためバリア流体を供給することです。カーボングラファイトシールリングの場合、フラッシュは端面の高温酸化による摩耗促進を防止する役割も果たします。

1.2 フラッシュプランの分類

API 682規格はフラッシュプランを単一シール用（Plan 11、13、14、21、22、23、31、32、35）と二重シール用（Plan 52、53A、53B、53C、54）に分類しています。工学的に最も広く使われる6つのプランはPlan 11、13、21、23、32、53Aです。

2. シングルシールフラッシュプランの詳細

2.1 プラン11 自己洗浄

プラン11は最も一般的に使用されるフラッシュプランです。媒体はポンプの吐出側から取り出され、オリフィスプレートを通して絞られた後、シール室に入り、再びポンプケーシングに戻ります。固形粒子含有量が10 mg/L未満の清浄な媒体、媒体温度が80℃以下、シール室圧力がポンプ吐出圧力より低い条件に適しています。統計によると、プラン11は従来のポンプシール用途の約60％を占めています。オリフィスプレートの直径は通常3～6 mmで、フラッシュ流量は0.5～2.0 m³/hに制御されます。利点は構造が簡単で外部装置が不要、コストが低いことです。一方、高温や固形物を含む媒体には適していません。

2.2 プラン23 閉回路循環フラッシュ

プラン23はシール室内に熱交換器を組み込んでいます。媒体はシール室内で閉回路循環し、熱交換器で冷却された後にシール面を再洗浄します。このプランはシール室の温度を30～50℃低減でき、高温の媒体（150～260℃）を扱うポンプに非常に適しています。実測データによると、プラン23を用いることでカーボングラファイトシールリングの動作温度を約200℃から150℃に下げ、シール寿命を2～3倍に延ばすことが可能です。推奨される冷却水流量は0.3～0.8 m³/hで、冷却面積はシール軸径に応じて0.2～0.5 m²が選定されます。

2.3 プラン32 外部フラッシュ

プラン32は外部から清浄なフラッシュ流体をシール室に導入します。固形粒子を含む媒体、結晶化しやすい媒体、高粘度媒体に適しています。フラッシュ流体の圧力はシール室圧力より0.1～0.2 MPa高く、流量は0.5～2.0 m³/hです。フラッシュ流体を選定する際は、媒体との適合性、製品の汚染がないこと、温度が80℃以下であることを確認してください。プラン32の欠点はフラッシュ流体が製品を希釈することであり、運転コストが比較的高いため経済性の評価が必要です。

2.4 プラン21 冷却自己洗浄

プラン21はプラン11に熱交換器を追加したものです。ポンプの吐出側から取り出した媒体を冷却してからシール室に導入します。80～150℃の清浄媒体に適しています。冷却水流量0.3～0.6 m³/hでシール室温度を20～40℃低減できます。プラン23と比較すると構造は簡単ですが冷却効果はやや劣り、中温条件に適しています。

3. ダブルシールフラッシュプランの詳細

3.1 プラン53A バリア流体プラン

プラン53Aは有害、毒性、揮発性の媒体のシールに適しています。二重メカニカルシールを用い、二つのシールセット間にバリア流体を充填します。バリア流体圧力はシール室圧力より0.15～0.25 MPa高く維持され、一次シールが漏れても媒体ではなくバリア流体が媒体側に流入するため、媒体の外漏れを防止します。バリア流体は通常水、白油、合成油が用い、リザーバータンク容量は3～5 Lが推奨されます。プラン53Aは媒体の漏れ量を5 mL/h以下に制御でき、シングルシールに比べてはるかに優れています。

3.2 プラン52 タンデムシールプラン

プラン52はタンデム二重メカニカルシールを使用し、二つのシールセット間にバッファ流体を充填します。バッファ流体圧力はシール室圧力より低く設定されます。一次シールが故障しても二次シールが短時間動作可能であり、バッファ流体タンクの圧力変化が一次シール故障の警報として機能します。一般的な毒性媒体に適し、プラン53Aよりコストが低いです。

4. フラッシュプラン選定の意思決定プロセス

4.1 媒体特性の評価

まず、媒体の清浄度、温度、圧力、腐食性および毒性を評価します。清浄で常温（80℃未満）の媒体にはPlan 11が推奨されます。清浄な高温媒体（150〜260℃）にはPlan 23を選択します。固形物を含む、または結晶化しやすい媒体にはPlan 32を、危険な媒体にはPlan 53AまたはPlan 52を選びます。

4.2 シール室圧力の評価

シール室圧力とポンプ吐出圧力の関係がプラン選定を決定します。シール室圧力がポンプ吐出圧力より0.05 MPa以上低い場合はPlan 11を使用できます。シール室圧力がポンプ吐出圧力に近づく場合はPlan 32の外部フラッシュを使用すべきです。シール室が負圧の場合はPlan 62のクエンチが必要です。

4.3 経済性の評価

フラッシュプランの運転コストには、フラッシュ流体の消費量、冷却水の消費量、設備のメンテナンス費用が含まれます。Plan 11はほとんど運転コストがかかりません。Plan 32はフラッシュ流体の消費が多く、年間の運転コストが数万元に達します。Plan 53Aは貯蔵タンクや加圧システムが必要で、初期投資および運転コストともに高くなります。

5. カーボングラファイトシールリングとフラッシュプランの適合

5.1 含浸タイプとフラッシュ媒体の適合性

樹脂含浸カーボングラファイトは強溶剤系のフラッシュ流体との接触を避けるべきです。アンチモン含浸カーボングラファイトは耐熱性に優れ、高温フラッシュ条件に適しています。バビット含浸カーボングラファイトは銅腐食性の媒体との接触を避ける必要があります。

5.2 端面温度の管理

カーボングラファイトシールリングの端面温度は150℃以下に制御する必要があります。これを超えると酸化が発生する恐れがあります。Plan 23およびPlan 21は端面温度の管理に有効で、温度を30〜50℃低減できます。

結論

フラッシュプランの選定はメカニカルシールシステム設計における重要な決定事項です。「複雑より単純を、外部フラッシュより自己フラッシュを優先する」という原則に従い、シールの信頼性を確保しつつ最も経済的なプランを選択することを推奨します。Huahao Sealing Co., Ltd.は、フラッシュプラン設計、カーボングラファイトシールリングの供給、技術相談を含むワンストップサービスをお客様に提供いたします。カスタマイズされたソリューションについては当社の技術チームまでお問い合わせください。