JP2014533344A - メカニカルシールの内部冷却システム及びその使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、シールの直径と、送り込まれる製品と、ポンプ装置の回転速度とに応じて、４２０℃より低い温度で、かつ、変化の影響を受けやすい圧力である３．３ＭＰａ未満の圧力で運転するポンプ装置の回転に適用したときに、特に、信頼性が高く、使用可能耐用期間が長い状態を提供することを主目的とするメカニカルシールの内部冷却システムに関する。本システムは、メカニカルシールの本体に、クリティカルな領域を冷却する冷却液、好ましくはイナートガスが安定圧力で循環する内部流路を備え、温度がこれらの点で１８０℃を超えることを防止する。また、本システムは、使用状態が公知であれば、既存の金属シールに適用することもできる。冷却システムは、化学製品又は石油化学製品、例えば送り込まれる原油及びその誘導品等をシールするために、利用される。【選択図】図１

Description

本発明は、特に、メカニカルシールの直径に応じて、４２０℃以下の低い温度、好ましくは２００℃〜４２０℃の間の温度で、かつ、３．３ＭＰａ以下の圧力、好ましくは１．２ＭＰａ〜３．３ＭＰａの間の圧力で運転する回転ポンプ装置に適用したときに、特に、信頼性が高く、使用可能耐用期間が長い状態を提供することを主目的とするメカニカルシールの内部冷却システムに関する。

化学製品又は石油化学製品、例えば高温高圧で送り込まれる原油及びその誘導品等を移送する遠心ポンプにおいて主に見られる回転装置のシーリングシステムは長年、ポンプを利用するポンプ装置が、シーリングシステムの効率性を向上させるために、故障時間と、メンテナンス作業と、非常に費用がかかり、生産性の低い装置の非効率性も引き起こされる漏れに起因する重大な環境問題とを回避して、生産性をより高くできるように、様々な研究の対象であった。

装置が２５０℃より低い温度で運転した場合、高圧の問題は油圧補償技術及び適切な一般的な寸法、並びに、適合性材料により解決した。

最も解決困難な技術的問題は、装置が、固まり易く且つコーキングし易い粘性のある製品に対して、１．６ＭＰａを超える圧力で、２５０℃を超える温度で運転すると、何らかの理由で、中断し、製品の冷却が生じることである。

幾つかの製造業者は、２５０℃を超える温度で妥当な効率で運転するが、装置が１．６ＭＰａを超える圧力で運転されると、非常に短い間隔でこのようなベローズの破裂（rupture）を阻止するのに不十分なシーリングシステム［ベローズ（bellows）と呼ばれるメカニカルシール］を開発した。このような破裂は不可避的に、送り込まれる製品のこぼれを引き起こし、さらに経済的損失は重大な環境問題をもたらし得る。

メカニカルシールは本質的に、カットされた面を有して、カットされた面で均等に他のリングによって押圧される（メインシールを呼ばれる）静止リングから形成され、回転し、圧力補助部材として、静止状態及び回転状態で、互いに決して外れないために面に圧力を加える１又は幾つかのスプリングを有する。このようなシールは、高分子材料、好ましくは動的又は静的なエラストマーで作られた第２シールによって補助されなければならず、第２シールが無ければシーリングが達成されない。固有の特徴に基づくこれら第２シールの温度抵抗の制限は、不連続に運転中、最大２５０℃に拡張し、また、メカニカルシールの制限要因である。

面をシールするために不可欠な動きである軸方向運動において、回転リング又は静止リングは、補償直径（compensation diameter）とも称される軸方向摺動領域において、高分子材料、好ましくは上述した温度抵抗の制限を有するエラストマーで形成されたＯリングシールを有する必要がある。これらのリングが一体化したポンプは、３７０℃〜４００℃の間の温度で運転され、エラストマー材料を使用することができない。

ベローズは、第２シールとして高分子材料の使用を排除する。代わりに、より高い温度に耐えるが、静的ジョイントとしてのみ使用され得、また利用されるスプリングに代わる黒鉛製リングがその場所に使用される。しかしながら、壊れやすい構造は、１．５ＭＰａを超える圧力に耐えることができず、すぐに疲労し、結果的に部材の破裂をもたらす。このような種類のメカニカルシールは、ベローズシールと呼ばれる。

他の短所は、ベローズが送り込まれる製品と接触し、そして、製品が冷え、ベローズの隙間で固まり覆うと、搖動現象によって剛体の軸方向運動を動作不能にさせ、ベローズの「破裂」、結果的に外部への製品の漏れを引き起こす。摩擦によって他の静止した剛体と接触する回転剛体は、接触する面の間で温度上昇を生じさせ、焼き付き（seizing）として周知の固着と、破壊とをもたらし得る膨張現象を生じさせる。

同様に、１．５ＭＰａを超える圧力上昇は、ベローズの急な破裂、及び、製品の漏れをもたらす（ベローズは１．５ＭＰａを超える圧力に耐えられない非常に薄いブレードを有する鋼で形成されている）。ベローズのデザインは、非常に低い攻撃性（aggressiveness）条件の下、そして、その場合でも部材の早期疲労で、最大１．５ＭＰａまでの圧力での使用を規定する。

従って、本発明は、内部冷却システムを有するメカニカルシールの開発に関する。そのデザイン及び特徴は、ポンプ装置の機能において以下の実質的な改良をもたらす。
・ベローズシステムの排除
・送り込まれる製品から完全に保護された金属合金のスプリングの利用、及び、結果としてのその実現可能性の保証
・ポンプ及び送り込まれる製品によって到達する温度等のパラメータを考慮して選択されるべきである高分子材料、好ましくはエラストマーで形成された第２シールの使用
・静的位置であり、かつ温度に最も影響を受けやすい領域、例えば、メインメカニカルシールの回転部分−製品サイド−回転−シーリングサイド等の領域に設けられるべき黒鉛製シールを使用する実現性
・シーリング−シャフト／スリーブ−におけるエラストマー製ガスケットの使用可能性

上述した一般的特徴は、メカニカルシールにより、３．３ＭＰａまでの圧力、４２０℃までの温度でもたらすことが可能である。

本発明の目的は、
メカニカルシールの本体において、前記本体の内部に予め組み込まれたチャンバに連結する、２．５〜６．０ｍｍの間の直径を有するシールの直径より大きな連結部で構成される内部流路であって、第２シールが作動し、周囲に冷却液が循環する領域を含む内部流路と；
前記冷却液の少なくとも１つの入口と；
前記冷却液の少なくとも１つの出口と；
少なくとも２つの保護スクレーパリングと；
を備えるメカニカルシールの内部冷却システムを提供することである。

好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、０．７ＭＰａの安定圧力で前記メカニカルシールに導かれる冷却液を有する。

さらに他の好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、各供給ネットワークに連結される、冷却液の前記入口及び前記出口を有する。

好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、同径である冷却液の前記入口及び前記出口を有する。

また、他の好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、２．０〜４．０ｍｍの範囲の異なる直径を有する、冷却液の前記入口及び前記出口を有する。

好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、冷却液の前記入口と前記出口の間に設けられたセパレータを有する。

また、他の好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、固定リングのゾーンと蓋シールに対して、２．５〜６．０ｍｍの範囲の直径を有する導出部を備える。

好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、送り込まれる製品及びスリーブ／シャフトのジョイントに隣接する固定部に設けられる保護スクレーパリングを有する。

また、他の好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、スプリンクル型システムを備え、冷却液が、粉砕により、シャフトからスリーブまで前記第２シールの領域に発射される。

好ましい実施形態において、メカニカルシールの内部冷却システムは、補償されていないシンプルなメカニカルシール、補償されたシンプルなメカニカルシール、連続的なダブルのメカニカルシール、又は、並んだ（in tandem）ダブルのメカニカルシールに利用され得る。

また、本発明の目的は、化学製品又は石油化学製品を移送する遠心ポンプでのメカニカルシールの内部冷却システムの使用を提供することである。

冷却システムを有するメカニカルシールの断面図。 複数の固定スプリングの存在が確認でき、送り込まれる製品から保護され、遠心回転リングを有する、並んだダブルのカートリッジシールの図。 冷却システムが利点を示すクリティカルな部分の、冷却システムを有するメカニカルシールの詳細図。

本発明の理解を容易にするために、本発明の好ましい実施形態を示す図面を用いて説明する。しかしながら、本発明の実施形態は本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

メカニカルシールの内部冷却システムのデザイン及び開発は主に、信頼性が高く、使用可能耐用期間が長い状態を、特に、メカニカルシールのサイズに応じて、４２０℃以下の低い温度、好ましくは２００℃〜４２０℃の間の温度で、かつ、３．３ＭＰａ以下の圧力、好ましくは１．２ＭＰａ〜３．３ＭＰａの間の圧力で運転するポンプ装置の回転に適用したときに、信頼性が高く、使用可能耐用期間が長い状態を維持することを目的とする。

上述した状態でこのような種類の装置に利用すると、ベローズシールは温度の問題のみを解決することができるが、通常１．８〜２．０ＭＰａの範囲の圧力の問題を解決できず、使用可能耐用期間の実質的な短縮をもたらし、結果として重大なシーリングの欠陥をもたらす。

メカニカルシールのサイズと、４２０℃以下、好ましく２００℃〜４２０℃の間の温度に応じて、３．３ＭＰａまでの圧力で内部冷却システムが運転できるように、内部冷却システムは、ベローズシールと比較すると、よりロバストな特性を有するシールの利用状態を形成する。

本目的を達成するために、温度の特定のクリティカルな領域、例えば第２シールが使用される領域等において、温度が、第２シール、すなわち高分子材料、好ましくはエラストマーを使用することができるレベルに温度を低下させることが不可欠である。

実例であり、本発明の範囲を制限するものではない実施例は、２５０℃で運転する遠心ポンプにおいて、特定領域で１８０℃未満の温度の低下させる本メカニカルシールの適用例である。

メカニカルシールの作動を低減するために、システムは、メカニカルシールの本体で、クリティカルな領域を冷却する冷却液、好ましくはイナートガス、さらにより好ましくは圧縮空気又は液体窒素が０．７ＭＰａの安定圧力で循環する内部流路を導入するように構成されなければならない。そして、システムは、温度がこれらの点で１８０℃を超えることを防止する。また、本システムは、使用状態が公知であれば、既存の金属シールに適用することができる。

内部流路は、シール本体のより大きな直径である組み込まれた連結部を介して、連続する直径２．５〜６．０ｍｍの間の開口を設けることにより構成され、本体内部に予め設けられたチャンバに接続し、そして、チャンバの周囲で第２シールが使用される領域を含み、シールボックス内で動作する前記シールは温度に関して保護される。シールは、実際、温度を制御する必要がある最もクリティカルな領域である。

流路を通過して、十分に送り込まれる製品と分離される冷却液は、複数でもよい入口の非常に近くに位置付けられる、外部に通じる少なくとも１つの出口を有する。冷却システムのこれらの入口及び出口は、冷却液の主供給源に連結されている。入口と出口は同じ寸法である。好ましいケースでは、冷却液の噴射速度を増加するために、２．０〜４．０ｍｍの範囲、好ましくは２．０ｍｍの直径の出口が設けられる。

冷却液の入口と出口が近接しているときは、加工プレートで作られたセパレータがチャンバ内に設けられ得、送出液と送入液の間の伝熱を回避する。

熱伝導によってポンプの内部で変化した温度は、スリーブの出口でシールの後ろに位置付けられる製品に直接接触するシールのシャフト及びスリーブを介して伝達され、また、第２シールを利用することが必要である領域で反映される。

送入される冷却液の一次流路には、２．５〜６．０ｍｍの間の直径を有する開口を備える導出部（derivation）と、冷却液が循環し、そのために静止リングシール及び蓋シールの全領域を冷却するチャンバとがある。

さらに、重要なシール−製品と同サイドのスリーブジョイント／シャフトの固定サイド−への製品の通過を回避する少なくとも２つの保護スクレーパリングが利用される。

最新の閉鎖蓋（closing lid）の内面において、スプリンクル型システムが形成され、そして、冷却液が、粉砕により、シャフトからスリーブまで第２シールの領域に発射される。蓋が静止してシャフト／スリーブが回転すると、内面において冷却が持続する。

本システムは、補償されていない（not compensated）単一のメカニカルシール、補償された（compensated）単一のメカニカルシール、連続的な（back-to-back）ダブルのメカニカルシール、又は、並んだ（in tandem）ダブルのメカニカルシールに利用され得る。しかしながら、このような利用は、挿入用物理的空間の存在に依拠する。

ダブルシールにおいて、例えば図２に示されるように、送り込まれる製品と直接接触するシールであるので、シールＡがメインシールとして示され、シールＢがグランドパッキン又は漏洩予防シールとして示される。シールＡではジョント（２）が、ジョイント（２）がシールされなければならず、同時に静止リング（１）に不可欠な軸方向運動を容易化するので、黒鉛であることはできない。このようなジョイントシール−動的シール−は、かなり圧縮されなければならず、エラストマー製ジョイントの使用のみで、シーリング／軸方向の移動を組合せ、リングの移動−クリティカルポイント−を抑制する。

公知のエラストマーは１８０℃を超える温度に耐熱性がないので、エラストマーが使用可能なシステムの導入又は開発が必要である。

好ましい実施形態の開発テスト段階を詳述した。メカニカルシールが３６０℃の温度に置かれるが、クリティカルな領域は９５℃を超えない。

Claims (11)

1. メカニカルシールの本体において、前記本体の内部に予め組み込まれたチャンバに連結する、２．５〜６．０ｍｍの間の直径を有するシールの直径より大きな連結部で構成される内部流路であって、第２シールが作動し、周囲に冷却液が循環する領域を含む内部流路と；
   前記冷却液の少なくとも１つの入口と；
   前記冷却液の少なくとも１つの出口と；
   少なくとも２つの保護スクレーパリングと；
   を備えるメカニカルシールの内部冷却システム。
2. 請求項１記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   前記冷却液は、０．７ＭＰａの安定圧力で前記メカニカルシールに導かれることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
3. 請求項１又は２記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   前記冷却液の前記入口及び前記出口は、各供給ネットワークに連結されることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   前記冷却液の前記入口及び前記出口は、同径であることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   前記冷却液の前記入口及び前記出口は、２．０〜４．０ｍｍの範囲の異なる直径を有することを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   セパレータが前記冷却液の前記入口と前記出口の間に設けられることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   固定リングのゾーンと蓋シールに対して、２．５〜６．０ｍｍの範囲の直径を有する導出部を備えることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   前記保護スクレーパリングが、送り込まれる製品及びスリーブ／シャフトのジョイントに隣接する固定部に設けられることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
   スプリンクル型システムを備え、
   前記冷却液が、粉砕により、シャフトからスリーブまで前記第２シールの領域に発射されることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムであって、
    補償されていない単一のメカニカルシール、補償された単一のメカニカルシール、連続的なダブルのメカニカルシール、又は、並んだダブルのメカニカルシールに利用されることを特徴とするメカニカルシールの内部冷却システム。
11. 化学製品又は石油化学製品を移送する遠心ポンプに用いた、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のメカニカルシールの内部冷却システムの使用。