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 MECHANICAL SEAL의 발전에 따른 세대별 설계특성 검토(2)

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  2010년 9월 28일     Hit : 4902
글 내 용

지난 회에 이어서 오늘은 제 2세대 Mechanical Seal에 대하여 살펴본다.

다른 모든 공산품처럼 Mechanical Seal 또한 처음의 기본적인 형태로부터 훨씬 더 진보된 설계방식으로의 발전과 진화를 거듭하게 된다.

산업계의 전반적인 기술변화와 발달에 힘입어 Mechanical Seal 분야에서도 새로운 재질의 Ring, Elastomers(탄성체 종류), 그리고 Metal Parts(각 금속부품)들에 대한 Re-engineering이 일어나게 되었고, 이러한 진화한 기술력은 신소재의 개발과 상승작용을 일으켜 더욱 고 효율로 작동되면서 수명도 더 길어진 Mechanical Seal의 제작이 가능하도록 만들어 주었다.

이에 따라 1960년대 중반부터 새로운 제 2세대의 제품인 Second Generation Mechanical Seal이 등장하게 된다.

2세대 제품은 주로 최종 사용자(소비자)들의 요구를 가장 염두에 두고 개발되었다.

이들은 단순히 Pump에 장착되어서 OEM방식으로 공급되는 Mechanical Seal 이상의 것을 원하게 되었고, 신소재의 개발과 발맞춘 새로운 설계기술은 이러한 요구를 충족시키게 된다.

즉, 결과적으로 더 길어진 수명과 더욱 안정적인 Sealing System의 적용이 가능하게 된 것이다.

제 2세대 Mechanical Seal의 주요특징은 다음과 같다.

* Balanced Type
* 더 낮아진 Energy 비용
* 더 감소된 Seal Face 마모량
* 발열량의 감소
* 더 높아진 허용압력범위
* 확장된 재질 선택의 폭
* 더 높아진 허용온도범위
* 적용 가능한 축 주속도 범위의 확대
* Non-Clogging 설계의 가능
* Non-Fretting 설계의 가능
* 더 좁아진 Seal Face
* 낮아진 Fugitive Emission
* Cartridge형 Seal의 제작가능
* 일선 현장의 쉽고 신뢰성 있는 정비요구에 대한 충족

Mechanical Seal의 Balanced화 된 배열형태는 Seal Face들에 미치는 유체압력을 감소시켜 주는 설계 방식이다.(Balance Ratio : 0.5~0.8)
즉, Seal Chamber의 압력이 가해지는 Seal Ring의 면적은 줄이고 압력을 전달 받는 면적은 늘임으로써 회전자와 고정자 사이에서 누설은 일어나지 않도록 하되 접촉압력은 감소하는 효과가 발생한다.

Balanced Type Seal은 Unbalanced Type Seal과 비교했을 때 다음과 같은 이점들이 있다.

** 에너지 비용의 절감--Seal에 가해지는 유체압력의 감소는 Mechanical Seal의 Face접촉 부위의 마찰력과 회전에 필요한 에너지의 감소효과를 가져온다.

**Seal Face 마모량의 감소—Face 접촉부위의 마찰력 감소로 마모량도 감소한다.

**발열량의 감소—마찰력의 감소는 전반적인 발열량의 감소로 이어진다.

**더 높아진 허용압력범위--Balanced Seal은 설계특성상 고압이 작용할 때 Seal Face사이에 틈이 생기면서 정위치를 이탈하는 현상 즉, 전위량(Potential)을 감소시켜준다. 또한 재질의 성능향상과 더불어 더욱 고압에도 적용 가능하게 되었다.

**확장된 재질 선택의 폭—Primary Seal, Secondary Seal, Metal Part에 적용되는 기술적으로 진보된 재질들(예를 들어, Secondary Seal을 위해 개발된 Kalrez, Chemraz등)이 최근 2~30여년동안 많이 등장하여 더욱 폭 넓은 고압, 고온, 고속운전과 내화학적 능력을 갖추게 되었다.

**Secondary Seal 재질의 개선은 주로 내열능력의 향상을 가져왔다.

**Primary Seal의 Ring 재질과 고정자에 대한 회전자의 구조적 형상은 적용 가능한 축의 주속도를 제한해왔으나 이 또한 향상된 성능의 Ring 재질과 고정자 설계기술 발전으로 허용속도범위를 많이 넓혔다.

**2세대 Seal은 Spring 기구(Mechanism)가 공정유체(Process Fluid)와 접촉하지 않게끔 그리고 Secondary Seal이 Soft Seal Face가 마모되더라도 깨끗한 표면으로만 이동되게끔 설계함으로써 Spring 기구의 Clogging 현상과 Secondary Seal의 변형 및 Hang-Up등을 방지해준다.(당사에서 양산중인 CS160, CS280 Type 참고)
하지만 Metal Bellows Type Mechanical Seal은 예외로써, 이는 Spring 역할을 하는 Metal Bellows가 공정유체에 잠기는 구조가 되기 때문이며 Slurry와 같은 고형성분이 많은 공정에 Metal Bellows Type을 설계하여 적용하고자 할 때는 주의를 필요로 한다.(*이에 대한 대책으로 Rubber Bellows 사용하면 완벽하게 Slurry에 대응할 수 있음; 당사 SR, SRH, MRH)

**Shaft의 산화 피막층이 Dynamic Secondary Seal과의 마찰에 의해 마모되면서 떨어져 나온 가루들이 Dynamic Secondary Seal에 고착되고 그 결과 Shaft Fretting 현상을 가속화 시키는 문제점도 2세대 제품은 Soft Face가 닳더라도 Dynamic Secondary Seal(주로 O-Ring)이 Shaft나 Sleeve표면을 따라 움직이는 현상이 발생하지 않도록 설계됨으로써 Fretting현상을 방지해주게 되었다.
즉, Dynamic Secondary Seal은 Mechanical Seal 내부에 있으면서도 Shaft나 Sleeve위에서 이동하지 않도록 금속부분품(Metal Component)위에 고정되는 형태로 설계된 것이다.
따라서 Dynamic Secondary Seal(예를 들어 O-Ring)은 자체가 침식이 발생할지언정 주장비의 Shaft나 Sleeve를 갉아 먹진 않는 것이다.

**2세대 Seal은 Seal Face가 더 좁아지면서, 마찰열의 발생을 최소화하면서 Fugitive Emission의 발생도 감소시켜 준다.
엄격한 환경보호법의 저촉을 받는 환경에서 적용해야 할 때 이러한 Emission 감소의 기술은 매우 유용한 것이다.

**대부분의 2세대 Seal은 Cartridge Type으로 설계 및 제작된다.
Cartridge Seal은 Mechanical Seal의 세 주요 요소인 Primary Seal, Secondary Seals, 그리고 Metal Parts를 완전히 자체적으로 고정보유 가능한 조립체(Self-Contained Assembly)형태로 만들어지며, 미리 조립된 형태(Pre-Assembled)로 Gland에 집어넣어서 쉽게 축 위에 장착되기 때문에 설치시간을 절약절약할 수 있고 설치작업이 숙달되지 않은 사람도 정확하게 장착할 수 있다 .

**2세대 제품은 최종 사용자들이 꾸준히 Feedback 시켜온 요구 사항들 예를 들면 쉽게 장착할 수 있고, 쉽게 교체 및 정비할 수 있도록 해 달라는 등의 필요에 맞춰 개발되었기 때문에 정비사에게 훨씬 좋아진 장착성 및 정비성과 1세대 Component Seal의 가장 고질적 문제점이었던 장착 후 초기 가동(Start-Up)시의 누설과 같은 것을 대폭 감소 시킬 수 있게 되었다.

출처---------A. W. Chesterton 社刊 ‘Mechanical Seal Principles Manual’

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