JP2676654B2 - メカニカルシールの異常予知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転機械の軸封をする
メカニカルシールの異常予知装置に関し、特に、メカニ
カルシールの振動を監視することによって、異常を検知
及び予知する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転軸と該回転軸が貫通する固定部（容
器の壁部等）との間を密封するメカニカルシールには、
以下に示すようなものがある。即ち、固定部であるスタ
ッフィングボックス内にて、固定のシートリングの回転
軸と垂直な面に、これと向かい合う面を有し、回転軸と
ほぼ一体に回転する従動リングをスプリング、流体圧力
（内圧）等で押し付けて軸封を行うようにしている。

【０００３】このようなメカニカルシールは、グランド
パッキンに較べて、密封性が高いので、化学プラント、
石油精製、原子力発電所の重要機器に多く使用されてい
る。しかしながら、使用期間が長期にわたったり、負荷
がかかり過ぎたりすると、シール面（従動リングとシー
トリングとの相接する摺動面）が摩耗したり、損傷した
り、また、シール切れが起こったり、軸振れしたりし
て、漏れが生じる。

【０００４】特に、軸振れは、攪拌機のように、回転軸
が比較的長い場合に起こり易く、その大きさが限界を超
えると、漏れ等の異常が発生する。また、軸パッキンの
固着・噛み込み、スプリングの腐食等による破損、スラ
リー混入等により従動リングが固着したりすると、従動
リングの作動不良が起こり、漏れが発生する。

【０００５】しかし、従動リングの作動不良の発生、更
には、その進行による漏れを、これまで的確にとらえる
手段はなかった。漏れが発生すると、メカニカルシール
は、グランドパッキンのように増し締め等の簡単な方法
では、漏れを止めることができないので、一旦、回転機
械を臨時に停止させ、修理又は部品交換する等の作業が
必要である。

【０００６】もって、上記のような異常を予知すること
は極めて重要なので、目視により漏れを監視したり、定
期的に部品を交換したりして、対策に努めているが、良
好な方法とは言い難い。このため、メカニカルシールの
モニタリングシステムとして、以下に示すようなものが
提案されている（実公昭６３−１９６６３号公報参
照）。

【０００７】即ち、メカニカルシールから発生するＡＥ
（アコースティックエミッション）信号を経時的に計測
することによりメカニカルシールの運転状態、具体的に
は、摺動面の潤滑状態、メカニカルシールのクラックや
割れの有無等を監視し、異常を早期に発見できるように
している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では、以下に示すような問題点が生じる。ＡＥ信号
は、一般に信号強度が非常に小さいので、多段の増幅が
必要であり、また、種々の部品の摺動音、流体の擦過音
等、周辺の雑音の妨害を受け易いので、異常を示すＡＥ
信号を弁別することは困難であるという問題点がある。

【０００９】また、回転機械の運転条件等によって、Ａ
Ｅ信号の発し方が微妙に変わるので、ＡＥ信号の設定の
仕方が困難であるという問題点もある。更に、設備費が
高いという問題点もある。本発明は、上記の問題点に鑑
み、メカニカルシールの異常予知を容易に、且つ安価に
実現できるメカニカルシールの異常予知装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、実験により明
らかにされた従動リングの作動不良発生のメカニズムに
基づき、従動リングの半径方向の変位と回転軸の半径方
向の変位とを検出することによって、作動不良の発生及
び進行を検知して、漏れの発生を予知できるようにした
ものである。

【００１１】このため、本発明は、回転軸と該回転軸が
貫通する固定部との間で、従動リングとシートリングと
を回転軸に垂直な面で押圧接触させることにより密封す
るメカニカルシールに、前記従動リングの半径方向の変
位を検出する従動リング半径方向変位センサと、前記回
転軸の半径方向の変位を検出する回転軸半径方向変位セ
ンサと、これらの変位センサからの出力信号を比較して
評価する評価装置とを設ける構成とする。

【００１２】

【作用】上記の構成によると、従動リング半径方向変位
センサにより、メカニカルシールの従動リングの半径方
向の変位を検出し、また、回転軸半径方向変位センサに
より、回転軸の半径方向の変位を検出し、評価装置によ
り、これらの変位センサからの出力信号を比較して、メ
カニカルシールの状態を評価する。もって、異常の予知
をすることができる。

【００１３】

【実施例】メカニカルシールには、従動リングが回転軸
側、シートリングが固定部側に設けられて、従動リング
が回転する回転型と、従動リングが固定部側、シートリ
ングが回転軸側に設けられて、従動リングは回転しない
静止型とがあるが、本発明は、この何れにも用いること
ができる。

【００１４】以下に本発明に係る一実施例を、回転型メ
カニカルシールの場合について、図１及び図２に基づい
て説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以
下の例に限定されるものではない。先ず、図１を参照し
て、メカニカルシールの構成を説明する。図１は、日本
工業規格メカニカルシール通則ＪＩＳ−Ｂ ２４０５に
示されている一般的なものである。

【００１５】図１において、筒状のスタッフィングボッ
クス２ａの端部には、シールカバー２をボルト22によっ
て取り付けてある。回転軸１は、これらのスタッフィン
グボックス２ａ及びシールカバー２を貫通している。シ
ールカバー２の内周には、合成ゴム製又は合成樹脂製等
の緩衝リング３を介してシートリング４を固定してあ
る。

【００１６】ここで、シールカバー２、スタッフィング
ボックス２ａ及びシートリング４が固定部をなす。従動
リング５は軸パッキン８を介して回転軸１の外周部に、
軸方向へ摺動可能に遊嵌されている。この従動リング５
と回転軸１の密封作用を担う軸パッキン８によって従動
リング５は緩衝的に支持されているので、従動リング５
は回転軸１には接触していない。

【００１７】ストッパ６は回転軸１に嵌められ、ノック
19によりこの回転軸１に固定されている。このストッパ
６と従動リング５の間にはスプリング７が介在し、従動
リング５をシートリング４に押しつけてシール面Ａを形
成している。一方、回転軸１と一体に回転するストッパ
６は、鍔状部６ａと、鍔状部６ａ周縁から回転軸１方向
に延設した筒状部６ｂとよりなり、筒状部６ｂの内側に
は、従動リング５の外周側に形成され回転軸１の軸方向
に延びた長円形状の穴部５ａに嵌入するピン６ｃが周方
向に所定の間隔をおいて複数箇所固定されて、回転軸１
と従動リング５の間の相対回転を防止し、従動リング５
の軸方向の動きを可能にしている。従動リング５には、
シール面Ａの外径Ｄ₁ を外径とし、回転軸１の直径Ｄ₂
を内径とする環状面の面積に働く密封流体10の圧力に基
づく推力、及びスプリング７の推力が作用し、シール面
Ａのシール機能を保持している。

【００１８】このように、従動リング５は、軸パッキン
８及びスプリング７、密封流体圧力等に緩衝され、半径
方向及び軸方向の振動・衝撃・液圧変動を吸収しなが
ら、所謂フローティング作用によってシール面Ａのシー
ル性を保持する機能を有している。尚、９は、フラッシ
ング用の穴で、スタッフィングボックス２ａ内のメカニ
カルシールを冷却及び洗浄する際に使用される。

【００１９】また、10は、密封流体であり、シール面
Ａ、軸パッキン８及び緩衝リング３によって封じられ
る。更に、11は、ガスケットである。以上が、メカニカ
ルシールの構成である。次に、本発明に係る従動リング
の作動不良による漏れの発生機構及び異常予知の原理に
ついて説明する。

【００２０】回転軸１が廻ると、従動リング５もピン６
ｃ及びスプリング７により引き付けれて、一緒に回転す
るが、正規の回転状態における従動リング５は、回転軸
１の回転により従動リング５を押圧するスプリング７、
軸パッキン８の緩衝を受け、回転軸１の振動とは相違を
なして回転している。ところが、軸パッキン８の固着・
噛み込み・劣化、スラリー混入等による従動リング５の
固着が発生すると、緩衝されて振動していた従動リング
５は、固着の進行に応じて回転軸１と一体となり、回転
軸１と同様な振動に近づいてくる。回転軸１と該回転軸
１が貫通する固定部との間で、回転軸１側の従動リング
５と、固定部側のシートリング４とを回転軸１に垂直な
面で、押圧接触させることにより密封するメカニカルシ
ールにおいては、押圧接触に足る得る機能、即ち、フロ
ーティング作用を損なうこととなり、従動リング５の作
動不良が起こり漏れへと進展する。

【００２１】従って、従動リング５の振動と回転軸１の
振動とを監視することにより、漏れの予知が可能とな
る。また、従動リング５の軸方向の変位は、シール面Ａ
の開口量を直接表すので、液膜の形成状態や漏れの検知
に有効である。また、シートリング４の摩耗量や、従動
リング５の変形量、軸パッキン８・スプリング７の作動
具合等を知る手掛かりにもなる。更に、シール面Ａの液
膜の形成状態を知ることにより漏れの予知も少なからず
可能である。

【００２２】従って、従動リング５の半径方向の変位を
主として監視し、更に軸方向の変位を監視すれば、異常
予知の精度は更に向上する。その次に、本発明に係る異
常予知装置の構成を、図１及び図２を参照しつつ、説明
する。尚、本実施例では、従動リング５の半径方向の変
位と回転軸１の半径方向の変位とを比較して評価するの
みならず、これに先立って、従動リング５のの半径方向
の変位自体をしきい値と比較して評価している。従動リ
ング５の半径方向の変位を監視するために、従動リング
半径方向変位センサ12を、従動リング５の周面５ｂに相
対させて、従動リング５の回転を阻害しない位置に、２
個互いに90度の角度をなして配置し、該従動リング半径
方向変位センサ12と周面５ｂとの距離に応じた信号を出
力させる。変位センサとしては、渦電流式変位計、光学
式変位計等が使用される。

【００２３】従動リング半径方向変位センサ12からの出
力信号は、変位変換器13により変換され、信号増幅器14
により増幅されて、評価装置としての演算器15に入力さ
れる。そして、演算器15にて、最大値、最小値、周波数
分布、振幅等をしきい値と比較演算される。しきい値
は、メカニカルシールにより異なり、通常はメカニカル
シールの正常時の値に基づいて設定される。

【００２４】異常の予知（異常の判定）方法としては、
入力された信号の値が単位時間にしきい値を超えた数
（カウント数）により評価したり、そのカウント数の増
加速度によって評価したり、また、しきい値の大きさを
変えて得た振幅分布等により評価したりする。演算器15
により演算・判定された結果は、ＣＲＴ、アラーム、プ
リンター等の表示器16で表示される。

【００２５】また、従動リング５の軸方向の変位を監視
するために、従動リング軸方向変位センサ17を、従動リ
ング５の先端面５ｃ（シール面Ａと同一平面）に相対さ
せて、従動リング５のスライドを阻害しない位置に、従
動リング半径方向変位センサ12の近傍に同じく90度の角
度をなして、２個設置して、該従動リング軸方向変位セ
ンサ17と先端面５ｃとの距離に応じた信号を出力させ、
同様に信号処理して評価する。また、回転軸１の半径方
向の変位を監視するために、回転軸半径方向変位センサ
18を、回転軸１の周面１ａに相対させて、回転軸１の回
転を阻害しない位置で従動リング半径方向変位センサ12
に近い角度位置に同じく90度の角度をなして、２個設置
して、該回転軸半径方向変位センサ18と周面１ａとの距
離に応じた信号を出力させる。この回転軸半径方向変位
センサ18からの信号は、同様に信号処理して、評価装置
としての演算器15に入力させる。そして、演算器15に
て、従動リング半径方向変位センサ12の出力と回転軸半
径方向変位センサ18の出力とを比較演算して評価する。

【００２６】従動リング５の半径方向の変位は、従動リ
ング５がシートリング４に傾いて、接触していないか、
滑らかな動きをしているか、緩衝リング３の変形量等を
把握する手掛かりとなる。また、軸方向の変位は、シー
ル面Ａのギャップに直接影響するものなので、シール面
の液膜形成状態や開き具合を知ることができ、漏れ予知
精度が向上し、漏れの検知も可能となる。また、スプリ
ングの伸び具合、シートリング４の摩耗量、従動リング
５の変形量、軸パッキン８の動き具合等を知る手掛かり
となる。

【００２７】また、回転軸１の半径方向の変位は、生じ
た異常がメカニカルシールによるものか、回転軸１によ
るものかを把握する手掛かりになり、従動リング５の半
径方向変位と相対比較することにより異常予知精度も向
上する。尚、図１及び図２において、従動リング半径方
向変位センサ12及び回転軸半径方向変位センサ18をそれ
ぞれ互いに90度の角度をなして２個配置したが、本発明
は、これに限られるものではなく、例えば、30度，45
度，60度等所定の角度で配置してもよい。

【００２８】また、センサの取付け数も２個に限定され
るものではなく、１個又は任意の角度をなして設けた２
個以上のセンサであってもよい。尚、従動リング半径方
向変位センサ12を回転軸１の長手方向に一定の距離をお
いて２個以上設けると、従動リング５の傾きを検出する
ことができるので、メカニカルシールの静止状態、運転
状態にかかわらず、シール面Ａの直角度（面倒れ）を検
知することも可能である。この情報は、メカニカルシー
ルの組み込み時には、組み込みが正常に行われているか
否かの組み込み状態チェックに有効であり、運転中には
直角度（面倒れ）の変化を知ることができるので、漏れ
原因究明の手掛かりになる。

【００２９】以上説明したように、本実施例によると、
従動リング５の変位を監視するために、従動リング半径
方向変位センサ12、従動リング軸方向変位センサ17及び
回転軸半径方向変位センサ18を設けて、従動リング５の
変位を監視するようにしたので、メカニカルシールを本
体に組み込んで作動（回転）させたままの状態で、メカ
ニカルシールの漏れ等の異常を検知及び予知することが
できるようになった。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、下
記の効果を得ることができる。メカニカルシールのシー
ル状態から漏れ等の異常に至ることをメカニカルシール
を組み込んだまま、外部から予知できるという効果が得
られる。更に、この装置によれば、従動リングの作動不
良の発生を特定できるので、他の異常との識別が可能に
なり、漏れ等の原因を知ることができるという効果も得
られる。

【００３１】その結果、予期しない漏れ等による不測の
事故が回避でき、高価なメカニカルシールの無駄な取替
がなくなり、定期点検による摺動なじみ面の変調や人為
的故障の機会が減るという効果も得られる。更には、最
適な点検周期の設定ができるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す断面図

【図２】 図１のＢ−Ｂ概略断面図

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ シールカバー ２ａ スタッフィングボックス ４ シートリング ５ 従動リング 12 従動リング半径方向変位センサ 15 演算器 17 従動リング軸方向変位センサ 18 回転軸半径方向変位センサ 19 ノック Ａ シール面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸と該回転軸が貫通する固定部との間
   で、従動リングとシートリングとを回転軸に垂直な面で
   押圧接触させることにより密封する回転型及び静止型メ
   カニカルシールの異常を予知する装置であって、前記従
   動リングの半径方向の変位を検出する従動リング半径方
   向変位センサと、前記回転軸の半径方向の変位を検出す
   る回転軸半径方向変位センサと、これらの変位センサか
   らの出力信号を比較して評価する評価装置とを設けたこ
   とを特徴とするメカニカルシールの異常予知装置。