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제 목

 MECHANICAL SEAL의 발전에 따른 세대별 설계특성 검토(1)

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  2010년 9월 18일     Hit : 5150
글 내 용

Mechanical Seal은 다른 종류의 Sealing 기구들에 비해 비교적 짧은 역사를 가진 편이지만 상대적으로 쉽게 구분지을 수 있는 확연한 계보를 지니고 있는 Mechanical Seal의 세대별 특징과 기술적인 발전상에 대하여 살펴보자.

이번 회는 우선 60여년전 가장 먼저 등장한 첫 세대(First Generation) Mechanical Seal을 중심으로 알아본다.

새로운 Ring 재질들과 Elastomers(탄성체) 그리고 금속부분품들에서의 발전과 매우 진화된 설계기술이 결합하면서 Mechanical Seal은 그 제조사와는 무관하게 단지 그 형상에 의해서만 뚜렷히 구분할 수 있는 세 개의 세대(Three Generations)로 나누어 볼 수 있다.

첫 세대 Mechanical Seal은 산업계에 최초로 적용된 설계방식이다.
60여년전 처음 소개되었을 때에도 최고 경지의 기술이었을 뿐 아니라 지금까지도 낮은 가격에 힘입어 여전히 (특히 OEM들에게) 인기가 많은 설계방식이다.
적절한 곳에 정확히만 장착시켜주면 수명도 꽤 긴 편인 첫 세대 Mechanical Seal의 주요특징들은 아래과 같다.

 *Unbalanced 타입
 *Seal Face 마모가 심한 편임
 *높은 Energy 비용
 *Pump OEM들의 요구에 주로 맞춘 제품
 *제한적인 재료 선택성
 *제한된 사용 압력과 온도범위
 *적용대상인 회전체의 허용속도치 폭이 좁음
 *Clogging이 일어나기 쉬움
 *Shaft 마찰손상을 야기시킴
 *많은 열발생
 *넓은 Seal 접촉면
 *Fugitive Emission(기화 누설)이 많음
 *부분품 단위로만 설계됨
 *부적절한 사용지침과 그에 따른 잘 못 장착될 위험성의 상존

이러한 첫 세대 Mechanical Seal의 특징들을 하나씩 세부적으로 살펴보자.

Unbalanced형이란 Seal Chamber안의 전체 유체압력이 1.1~1.5배 증가되어 Seal 접촉면에 작용하는 형태이다.
따라서, Seal 접촉면의 과도한 마모와 Seal 접촉면이 필요 이상으로 서로 강하게 붙게되어 과도한 마찰력과 높은 전력 소비를 유발한다.
하지만 전력 소비량이 전통적으로 사용해 온 일반적인 Packing류보다는 그래도 꽤 낮은 편이다.
결국 Balanced Mechanical Seal에 비하여 전력 소비가 꽤 높다는 뜻이다.

이러한 첫 세대 Seal이 처음 설계되었을 때 이는 최종 소비자가 아닌 주로 Pump OEM’s(Original Equipment Manufacturers)의 요구에 맞춘 형태로만 제작후 공급되었다.
60여년전에 제시된 설계방식인지라 최근의 첨단 신소재들을 사용하기에는 적절치가 않으며 따라서 선택할 수 있는 소재의 종류도 매우 제한적이었며, 또한 신소재가 아닌 구형 소재들이기 때문에 사용온도범위도 훨씬 제한 폭이 좁았다.
Unbalanced형은 Seal Chamber내의 전체 유체압력이 1.1~1.5배 증가되어 Seal의 접촉면에 작용되기 때문에 Balanced형과 비교했을때 사용가능 압력범위도 좁다.

첫 세대 Mechanical Seal은 하나의 큰 Coil Spring이 Seal의 Rotary Component내에 장착되는 설계구조라서 이러한 큰 Spring이 고속으로 움직여지는 상황하에서는 원륜형의 Seal Face에 고른 압력을 가해주기가 쉽지 않다. 따라서 Seal적용 대상기기의 허용속도치도 제한적이며 낮은 편이 될 수 밖에 없다.
대부분의 밀봉(Sealing) 대상물질들은 깨끗한 편이 아니며 Spring 기구가 이러한 깨끗하지 않은 공정유체(Process Fluid)속에 잠기는 구조인 첫 세대 Mechanical Seal은 찌꺼기가 끼이거나(Clogging 현상) Secondary Seal이 이탈되는 현상이 일어나면서 Seal 접촉면이 벌어져서 Seal 수명이 단축되는 결과를 초래한다.

Shaft Fretting(축의 침식마모)은 Stainless Steel, Bronze, Aluminum, Copper, Gold, Silver등과 같은 부식방지용 금속들의 표면에 형성된 보호용 산화피막을 마모시키는 것을 말한다.
이러한 산화피막은 없어지지 않으면 계속적으로 금속을 보호하지만, 일단 제거되고 나면 그 즉시 산소와의 접촉을 발생시켜서 금속의 손실을 유발한다.
Aluminum Sliding Door의 창틀에서 발견되는 흰색의 분필가루 같은 분말들이나 구리로 주조된 자유의 여신상에서 생기는 녹색성분등이 그러한 현상의 예들이다.
이러한 산화피막이 Mechanical Packing 또는 Moving(Dynamic) Secondary Seal들과의 마찰동작에 의하여 항상 마멸되기 때문에 이로 인하여 생성된 산화 분말들 중 일부는 Mechanical Packing또는 Dynamic Secondary Seal에 엉겨붙게도 된다.
일단 이러한 현상이 시작되면 금속을 갉아먹는 마모현상은 가속되면서 결국은 Shaft나 Sleeve에 깊은 흠집을 남기게 된다.
대부분의 첫 세대 Mechanical Seal에 있어서 회전자의 Dynamic Secondary Seal(주로 0-Ring)은 Soft Ring Face가 마모됨에 따라 축방향으로 움직이게되는데 이것을 Dynamic Secondary Seal 동작이라고 하며, 이때 압축된 고무(O-Ring)가 원래 모양으로 복원하려는 힘이 축에 가해짐으로서 Shaft Fretting을 발생시키게 된다.

Shaft Fretting의 두번째 발생원인은 Spring이 장착된 Rotary Seal Ring(회전자)과 Stationary Seal Ring(고정자)간의 Misalignment 때문이라고 볼 수 있다.
고정자와 회전자 간에 Misalignment가 생기는 이유로는 Stuffing Box의 주조 정밀도 불량, 축과 Stuffing Box 와의 직각도 불량, 배관의 변형, 온도 상승, Coupling의 잘못된 얼라이먼트, 조립시 허용 공차를 벗어남, Gasket이 설치됨으로 발생하는 Seal Cover의 편평도 오차 등이 있다.
축이 Misalignment 상태에서 회전하게 되면 회전자와 고정자가 억지로 Alignment를 맞추려 하기 때문에 Dynamic Secondary Seal은 일회전당 왕복운동을 한 번 하면서 Shaft Fretting을 유발하게 되고 점차적으로 이는 Shaft를 교체해야 할 상황이 되거나 Mechanical Seal의 Dynamic O-Ring이 정상위치를 이탈하여 누설을 일으키는 상태를 초래한다.
Unbalanced Mechanical Seal은 Balanced Mechanical Seal에 비해 고정자와 회전자의 Seal간 접촉면에 훨씬 더 많은 힘을 가하게 됨에 따라 마찰열이 많이 발생한다.
통상 큰 문제는 없으나 온도변화에 민감한 물질들 예를 들어 탄화수소 같은 것을 취급하는 공정에 사용하는 것은 바람직하지 못하다.

60여년전 첫 세대 Seal이 개발될 당시에는 Seal의 재료가 최근의 고성능 재질만큼 강하지 않았고 다양하지도 않았다. 따라서 Seal Face간의 접촉면적을 크게 설계할 수 밖에 없었고 이는 과도한 마찰열 발생, 높은 Emission, 많은 동력소비 등을 초래하게 되었다.

여기서 Emission은 Fugitive Emission을 뜻하며 이는 Sealing 대상물질(Process Product)이 기화하면서 Mechanical Seal Face를 가로질러 이탈되는 것을 말한다.
Seal Chamber내의 압력이 대기압보다 높을 경우 이러한 Fugitive Emission은 어느정도는 감수할 수 밖에 없고 그 발생량은 다음 두가지 요인에 직접적으로 영향을 받는다.

고정자와 회전자간 Seal Face들을 얼마나 잘 밀착시키는지 여부와 압력과 온도 변화에 따른 Seal Ring의 변형과 Face의 편평도(Flatness) 문제점을 최소화하는 것이다.

일부 Cartridge Type Seal도 있긴 했지만 대부분의 첫 세대 Mechanical Seal들은 Component 형태로만 제작되었기 때문에 이를 기계장치의 Shaft나 Sleeve에 조립하여 장착하는 과정에서 실수유발 가능성이 상존한다.
따라서 정밀한 측정과 장착과정중 Seal Face들을 깨끗하게 유지하는 것등이 매우 중요하게 요구된다.
OEM들에게 팔린 첫 세대 Mechnical Seal들은 설치 및 분해 지침서를 같이 제공하지 않았기 때문에 설치시 장착오류와 조기 Seal 파손 같은 일들이 많이 생기기도 하였다.

--------출처; A.W.Chesterton社刊 'MECHANICAL SEAL PRINCIPLES MANUAL'

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