製紙業界の乾燥シリンダー用カーボングラファイトシール：150〜200℃蒸気加熱サービス向けソリューション

製紙機の乾燥缶は飽和蒸気で缶内面を加熱し、紙の水分を蒸発させます。製紙機1台あたり50～80本の乾燥缶があり、それぞれ両端に蒸気漏れを防ぐためのメカニカルシールが必要です。Huahao Sealingの複数製紙工場での適用経験に基づき、本稿では乾燥シリンダー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

乾燥缶は0.4～1.3 MPaの飽和蒸気（150～200℃）を使用し、蒸気は内部で凝縮して熱を放出し、凝縮水はサイフォン管を通じて排出されます。主な故障モードは、グラファイトリングの蒸気侵食摩耗（35％）、Oリングの熱劣化（22％）、スプリングの蒸気腐食による固着（18％）、凝縮水のウォーターハンマー衝撃破損（15％）です。ウォーターハンマーは最も厄介で、凝縮水が溜まると蒸気がそれを高速の水柱に押し込みシール面に衝撃を与え、瞬間圧力は5～8 MPaに達し、グラファイトの圧縮強度を大幅に超えます。

パルプの黒液（NaOH、Na₂S、リグニン含有、pH 9～11）は軸受ジャーナルに沿ってシール室に浸入し、乾燥後にシール面に結晶化して摩耗を増加させます。

2. 材料選定

2.1 エポキシ樹脂含浸グラファイト

乾燥缶用途にはエポキシ樹脂含浸グラファイトM106Kが推奨されます。エポキシ含浸後、空隙率は1.5％以下に低減し、200℃蒸気による長期侵食に耐え分解しません。180℃蒸気中での5000時間試験では、エポキシ含浸グラファイトの空隙率は1.4％から1.7％に上昇するのに対し、フェノール含浸グラファイトは3.2％に上昇し蒸気浸透漏れが始まります。

2.2 対向材

焼結シリコンカーバイド（SSiC）が推奨され、硬度はHV 2500でグラファイトのHV 80～120を大きく上回ります。これによりグラファイトリングが軟らかいリングとして優先的に摩耗し（設計上の想定動作）、メンテナンスが容易になります。

3. 分割型構造設計

3.1 分割型の利点

分割型メカニカルシールはシールリングを軸方向に2分割し、乾燥缶を分解せずジャーナル側から取り付け可能です。1セットの交換時間は4～6時間から1～1.5時間に短縮されます。

3.2 スプリングの代わりにベローズ

乾燥缶のサービス環境は湿潤で、従来のスプリングは腐食による固着が起こりやすいです。AM350ステンレス製ベローズをスプリングの代わりに推奨します。滑動部品がなく、弾性要素と補助シールの役割を兼ね、Oリングを不要にします。

3.3 シール面の面圧制御

蒸気サービスは媒体圧力が低く（0.4～1.3 MPa）、シール面の面圧は0.4～0.5 MPaに設定します。面圧が低すぎると蒸気圧変動でシール面が開き、高すぎると摩耗が加速します。

4. 蒸気バリアシステム

シール外側のパージ室には、0.05～0.1 MPaの低圧空気または凝縮水から回収した低圧蒸気が供給され、逆流を形成して蒸気の軸受ハウジングへの侵入を防ぎます。蒸気が軸受ハウジングに入ると、グリースが白濁し乳化して粘度が60％低下し、軸受寿命が5万時間から8千時間に短縮されます。パージシステムを使用すると、軸受ハウジングの湿度は95％RHから60％RH以下に低下します。

5. Huahao Sealing ケーススタディ

ある特殊紙メーカーの年間5万トン生産ライン（乾燥缶直径1.5 m、蒸気圧力1.0 MPa、温度185℃、56缶）は、当初輸入ブランドの分割リングを使用しており、平均寿命は4,000時間で、年間6回の漏れによる停止が発生し、1回あたり約8万元の損失がありました。2021年にHuahao SealingのM106H + SSiC + AM350ベローズ + パージシステムのソリューションに切り替えたところ、平均寿命は12,000時間に達し、年間停止回数は2回に減少、ダウンタイム損失で約32万元、部品交換費用で約18万元の年間節約となりました。

選定のポイントは、蒸気温度が含浸材を決定すること（200℃以内はエポキシを選択）、湿潤環境が弾性要素を決定すること（ばねの代わりにベローズを使用）、メンテナンスの必要性が構造形式を決定すること（複数缶の場合は分割タイプを選択）です。