- ▸大気-真空蒸留底部ポンプは350〜380℃の残留油を扱い、従来の樹脂含浸グラファイトは300℃以上で炭化し故障するため、500℃まで対応可能なアンチモン含浸グラファイトが必要です。
- ▸高温ではフェイスの液膜が容易に蒸発するため、API 682プラン23（冷却付き自己循環）またはプラン21＋23の組み合わせでシール室温度を200℃以下に下げる必要があります。
- ▸バランス型構造（荷重係数B=0.7-0.8）はフェイスの単位圧力を低減し、SiC対向材と組み合わせることで寿命は12000〜16000時間に達します。
- ▸Huahao Sealingは中国石化の年間800万トン大気-真空装置改修でシール寿命を4000時間から14000時間に延長しました。
- ▸選定の3要素は媒体の温度勾配、固形粒子含有量、起動停止頻度で、これらが含浸タイプとフラッシュプランの組み合わせを決定します。
底部ポンプは350〜380℃の残留物を輸送し、樹脂含浸グラファイトは300℃以上で炭化するため、高温油ポンプシールの材料選択はほぼアンチモン含浸グラファイトに限られます。しかし、材料は解決策の3分の1に過ぎません。高温ではフェイスの液膜が容易にフラッシュするため、API 682プラン23の自己循環でシール室温度を下げ、バランス型設計でフェイス圧力を制御する必要があります。本稿では、材料、構造、フラッシュプランを3段階で解説し、製油所の実例を紹介します。
1. 運転条件と故障メカニズム
1.1 高温残留物のシール課題
大気-真空底部ポンプの媒体は「三高一含有」の特性を示します：高温（350〜380℃）、高粘度（100〜500 mm²/s）、高飽和蒸気圧（フラッシュしやすい）、および固形粒子（コークス粉、錆）を含有。高温は通常のカーボングラファイトの含浸樹脂を300℃以上で炭化させます。高粘度はフェイスの摩擦トルクを増加させ熱亀裂を引き起こし、フェイスの圧力低下はフラッシュを誘発して膜潤滑を破壊します。コークス粒子がフェイスに入り込むと摩耗を加速します。
1.2 典型的な故障モード
現場統計によると、高温油ポンプのメカニカルシール故障の70％は以下の3つに分類されます：グラファイトリング表面の熱亀裂（35％）、含浸物の炭化破損（22％）、およびスプリング疲労による固着（13％）。最初の2つはカーボングラファイト材料の選択に直接関連しています。
2. 材料選定：アンチモン含浸グラファイト
2.1 なぜ樹脂含浸ではないのか
熱硬化性樹脂含浸グラファイト（フェノール樹脂、フラン樹脂）は、長期使用温度の上限が200〜220℃、短期では250℃です。350℃の残油中では、樹脂が500〜2000時間の間に徐々に炭化します。炭化後は体積が8〜12％収縮し、空隙率が2％から8％以上に跳ね上がり、シール面に浸透漏れが発生します。
2.2 アンチモン金属含浸の利点
アンチモン（Sb）金属含浸グラファイトは、温度上限が500℃（アンチモン融点630℃）です。含浸後、グラファイトの空隙率は1％以下に低下し、金属含浸層は高温でも分解や収縮を起こさず、長期にわたり安定しています。アンチモンの熱伝導率（24 W/(m·K)）は樹脂（0.2 W/(m·K)）を大きく上回り、シール面の摩擦熱の放散を助けます。
Huahao SealingのM106Dアンチモン含浸グラファイトは、380℃の残油使用で以下の性能を示しています。樹脂含浸のM106Kの平均寿命は4200時間に対し、Sb含浸のM106Dは平均13800時間と、寿命が3.3倍に向上しています。
2.3 対向材の選定
高温残油には、カーボングラファイトとシリコンカーバイド（SiC）を組み合わせます。SiCの熱伝導率は120〜150 W/(m·K)で、硬質合金の約3倍に達し、シール面の摩擦熱を迅速に伝導します。熱伝導率が30 W/(m·K)と低く、高温で熱応力割れを起こしやすいアルミナセラミックスは避けるべきです。
3. 構造設計のポイント
3.1 バランス荷重係数
高温使用では、荷重係数Bが0.7〜0.8のバランスタイプ構造を採用する必要があります。アンバランスタイプ（B≥1）は、350℃の残油でシール面の局所圧力が過大となり、高温で薄くなった油膜を押し出して乾式摩擦を引き起こします。
3.2 スプリングの代わりに金属ベローズ
高温油ポンプには、従来の円筒形ヘリカルスプリングの代わりにInconel 718製の金属ベローズを推奨します。ベローズは弾性要素であると同時に補助シールの役割も果たし、Oリング（350℃のFKM Oリングは2000〜3000時間しか持たない）を不要にし、全体の耐熱性を400℃以上に向上させます。
4. フラッシュ計画：API 682 プラン23
4.1 プラン23 自己フラッシュ循環冷却
プラン23は高温油ポンプに最適な解決策です。媒体はシール室から取り出され、クーラーで200℃以下に冷却されてからシール室に戻され、閉ループを形成します。冷却水の消費量は約0.5〜1.0 m³/hで、シール室温度を350℃から180〜200℃に下げ、蒸発リスクを根本的に排除します。
4.2 プラン21＋23の組み合わせ
粒子含有量の多い真空残油には、プラン21（ポンプ吐出側のクリーンなワックス油をオリフィスで減圧し、シール室に注入）とプラン23を並列に用いることができます。これにより冷却と粒子遮断の両方を実現する二重フラッシュ計画となります。
5. Huahao Sealing ケーススタディ
中国石化の年間800万トン大気・真空ユニット底部ポンプ（流量450 m³/h、温度365℃、媒体にコークス粉末含有）は、当初輸入ブランドのメカニカルシールを使用しており、平均寿命は約4000時間で、年間3回の漏れによる停止が発生していました。2019年にHuahao SealingのM106D + SiC + インコネル製ベルローズ + Plan 23ソリューションに切り替えたところ、平均寿命は14000時間に達しました。4年以上、累計56000時間の運転で、シールセットの交換はわずか4回にとどまり、約80万元の予備部品コストを節約しました。
選定にあたっては、媒体の温度勾配、粒子含有量、起動・停止頻度の3つの要素を考慮する必要があります。大きな温度変動にはベルローズが適し、粒子含有量が多い場合はPlan 21+23が有効です。頻繁な起動・停止がある場合は、面圧を0.3～0.4 MPaに低減することが望ましいです。