mechanical seal 자료_ 0821

Introduction of Mechanical

Seal

설비기술팀

설비기술팀

Contents

I. M/Seal 개요

II. Seal Plan

III. Flushing 설계 시 주요 고려사항

설비기술팀

I. M/Seal 개요 1. M/Seal 구조 및 기능 1. M/Seal 의 분류

II. Seal Plan


Contents

설비기술팀

1. M/Seal 구조 및 기능

Pump 및 Compressor 의 밀봉장치를 아래와 같이 분류함 .

Ⅰ. M/Seal 개요

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Pump

Wet SealMechanical

Seal

원심 Compressor

Oil Film Seal

Sealess

Dry Gas Seal

Dry Gas Seal

MagneticDriven

Canned Motor

Packing

(4,174 대 , 51

%)

(35 대 ) (19 대 )

(16 대 )

(8,162 대 )

(12

대)

설비기술팀

1. M/Seal 구조 및 기능

Pump 용 M/Seal 은 Pump Impeller 와 Bearing 사이의 Stuffing Box 에 설치되어 ProcessFluid 가 대기 측으로 누설되지 않도록 밀봉하는 Sealing 장치임 .

Pump Shaft

Secondary Seal(O-Ring)

Rotating Face(Carbon)

Spring

Flushing In

Stationary Face(TC or SIC)

Throttle Bush

Ⅰ. M/Seal 개요

2/23

Impeller

측

설비기술팀

1. M/Seal 구조 및 기능 Ⅰ. M/Seal 개요

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M/Seal 은 크게 Rotating Ring 과 Stationary Ring 등으로 구성되며 , Seal 은 Seal Face 간 ,Ò’ ring 부를 통해 누설됨 .

① Rotating Ring② Stationary Ring③ Spring 및 Spring Re-tainer

④ Ò’ ring

⑤ Seal Gland

⑤

① ②③④

④

Impeller 측

④① ②④

Chemical At-tack마모 , 열영향마모 , 내경부

Cracked

Ò’ring Extru-sion

주요 부위 손상 ( 예 )

대기 측

설비기술팀

Single

Dual

Inboard Seal Outboard Seal

Inboard Seal

Outboard Seal

Ⅰ. M/Seal 개요2. M/Seal 의 분류

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Impeller

측

M/Seal 은 Single Seal 과 Dual Seal 로 구분되며 , Dual Seal 은 VOC Ser-vice 에 적용함 .

설비기술팀


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Dual Seal 은 Outboard Seal 측의 가압 여부에 따라 Unpressurized 와 Pres-surized 로 구분하며 , 특히 Toxic, Flammable 등 Hazardous Service 에 Pressurized Dual 을 적용함 .

Unpressurized Dual Seal (Tan-dem)

Pressurized Dual Seal (Double)

Inboard Seal 누설 시에 오히려 Out-board Seal 측의 가압된 Barrier Fluid 가 Pump 측으로 유입됨 .

Inboard Seal 문제 시 Pumping 유체가 Outboard Seal 측 ( 대기압 )으로 나옴 .

Pressure Pressure

설비기술팀


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Pressurized Dual Seal (Double)- Back to Back

Process Fluid 가 Dirty 할 경우 `O’ ring 고착 가능성 높음 .

Barrier Fluid 로 Cool-ing 에 한계

Barrier Fluid 공급만으로도

Flushing 이 가능한 구조

Pressurized Dual Seal 중 Spring 고착 가능성이 낮고 구조적으로 Barrier Fluid 공급만으로도 운전 가능한 장점을 가진 Back-to-Back 배열을 선택적으로 적용함 .

Flexible Part(Spring) 가 Process Fluid 에 접촉되지 않는 구조

설비기술팀

I. M/Seal 개요

II. Seal Plan 1. Seal Plan 이란 ? 2. 주요 Seal Plan – Inboard Seal 3. 주요 Seal Plan – Outboard Seal 4. 주요 Seal Plan – Dry Gas Seal


Contents

설비기술팀

1. Seal Plan 이란 ?Mechanical Seal 의 Face 에서의 마찰열의 Cooling, 마모를 방지 하기 위해 Cooling 및Lubricating 목적의 Flushing Fluid(Inboard) 및 Barrier Fluid(Outboard)을 공급하는다양한 형태로서 API Plan No.(*) 로 분류됨 .(* API Std. 682 에서 Seal Plan Number 를 정의 )

Cooling

Cleaning

Lubrication

II. Seal Plan

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Flushing Fluid

Barrier Fluid

(Inboard Seal)

(Outboard Seal)

설비기술팀

Plan 01(Internal)

2. 주요 Seal Plan – Inboard Seal

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Self Flushing 과 External Flushing 으로 분류하며 , Self Flushing 은 유종 특성( 고온 , 고형이물질 함유 여부 ) 에 따라 세분됨 .

SelfFlush-

ing

온도가 높지 않으며 , 고형 분 입자 등이 없는 Clean Service 일 경우

온도가 높은 경우 , Flushing Cooler 설치(Boiler Feed Water, 고온의 H/C Ser-vice)

온도가 높지 않으며 , 고형 분 입자 등이있는 경우 , Cyclone Separator 설치

Plan 31

Plan 21

Plan 11

ExternalFlush-

ing

온도가 높으며 , 고형 분 입자 등 이물질이있는 경우 Plan 32

II. Seal Plan

설비기술팀

가장 일반적인 Seal Plan 으로 Pump Discharge 에서 Orifice 를 통해 Seal Chamber 에

Flushing Fluid 를 공급함 .

적 용 - Single Seal 에 가장 광범위하게

적용(Clean, 고온이 아닌 Service)

주의점 - Discharge Pressure 가 높을

경우 , 적정 Flow 공급을 위한 Orifice 및 Throat Bush Sizing 이 중요

Throat Bush

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Plan 11

2. 주요 Seal Plan – Inboard Seal II. Seal Plan

설비기술팀

적 용 - 운전유체가 대기온도에서 Freez-

ing 되거나 응고될 가능성이 있는 경우

주의점 - Clean 한 유체에만 적용가능

Pump Casing 내부에서 Seal Chamber 까지 Hole 을 뚫어 Flush Fluid 가 공급되도록 구성됨 .

Plan11 과 유사하나 외부 Piping 이 없음 .

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Plan 01


설비기술팀

적 용 - 고온의 Hydrocarbon(176℃

이하 ) - 80℃ 이상의 Hot Water 등에

적용주의점 - 온도 하락 시 점도증가가 큰 유체의 Cooler 후단에서 Fouling 가능성

있음 . - Cooler In/Out 의 온도차가 클 경우 Cooler Water Side Fouling

문제가 발생함 .

Plan 11 에 Cooler 가 추가된 형태로 , Pump Discharge 에서 Orifice 및 Cooler를 통해 Seal

Chamber 에 Flush Fluid 가 공급됨 .

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Plan 21


설비기술팀

운전유체에 Solid 가 포함된 경우 , Cyclone Separator 에서 비중차이를 이용해 Solid는

Pump Suction 으로 Drain 시키고 , Clean Flushing 만을 Seal Chamber 로 공급해 줌 .

적 용 - 운전유체에 Solid Particle 이

포함된 경우 주의점 - 운전유체 중 Solid Particle

비중이 너무 높거나 , Sludge 형태로

이물질 이 존재하는 경우에는 부적합

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Plan 31

설비기술팀

외부의 Clean Source 를 Flushing 유체로 공급받는 External Flushing Plan 임 .

적 용 - 운전유체가 Solid Particle,

Sludge 를 포함한 경우 - 운전유체가 Vaporization 될

가능성 이 있는 경우 ( 고온 등 )주의점 - Pump Start/Stop 과정에도

반드시 공급되어야 함 - Process 유체에 섞여도 문제가

없는 External Flushing 유종 선정 필요

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Plan 32

설비기술팀 14/23

Unpressurized Dual Seal 과 Pressurized Dual Seal 에 공급되는 Barrier Fluid 공급형태에 따라 아래와 같이 구분함 .

PressurizedPlan 53

VOC 에 적용 ,

Barrier Fluid Reservoir 는 Flare 측과 연결

Plan 52Unpressur-

ized

VOC, 특히 Toxic, Flammable 한 Hazardous

Service 에 적용 ,

Barrier Fluid 는 항상 Inboard Seal 내측압력 보다 높게 유지

3. 주요 Seal Plan – Outboard Seal II. Seal Plan

설비기술팀

적 용 - Unpressurized Outboard

Seal 주의점 - Clean, Non-Polymerizing

유체에 적용하여야 함 .

Unpressurized Dual Seal 의 Outboard Seal 에 가압되지 않는 Buffer Fluid 를 공급 , 순환

시키며 , Inboard Seal 이 Leak 될 경우 대기 측으로 누설되지 않고 Barrier Fluid Reservoir

로 유입됨 .

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Plan 52

설비기술팀

Unpressurized Dual Seal 의 Outboard Seal 측에 N2 등에 의해 가압된 Bar-rier Fluid 를

공급 , 순환시키며 , Inboard Seal 이 Leak 될 경우 Barrier Fluid 가 Process 쪽으로 들어감 .

적 용 - Pressurized Outboard Seal

주의점 - Inner Seal Chamber 보다

양압을 유지해야 함 .

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Plan 53

설비기술팀

Dry Gas Seal 에 사용되는 Seal Plan 으로 , Process Fluid 보다 양압을 유지할 수 있도록

Barrier Gas( 통상 N2) 를 공급함 .

적 용 - 운전유체가 Toxic, Hazardous 한

경우 - 극 저온 등으로 Wet M/Seal

적용이 힘들 경우

주의점 - Barrier Gas 공급이 중단될 경우 , Liquid 가 Gas Seal 로 Carry-

over 되어 즉시 Seal 손상이 발생함 .

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4. 주요 Seal Plan – Dry Gas Seal II. Seal Plan

Plan 74

설비기술팀

Dry Gas Seal 은 주로 저온 유체 , Light H/C Service 에 적용하며 , 울산 CLX 에는 ’ 94 년도

첫 적용 후 총 12 기가 운전 중이며 Seal 수명은 Wet M/Seal 과 비슷한 수준임 .

Back to Back 구조의 Dry Gas Seal

Spiral Grooves on the rotating face

N2 Buffer Gas

Area Item No. 설치 년도 수명 ( 년 )

정유 P-P1761A/B ‘97 5

정유 G-P4A/B ‘96 12

정유 G-P503A/B ‘94 4

NCC 206-J ’01 * '02.6. M/Seal 로 복귀

NCC 306-J/JA ‘02 6

NCC 911-JC/JD ‘05/’08 > 3

NCC 6401-JC/JD ‘07 > 1 　

• P-P1761A/B 에는 Back to Back 배열의 Dry Gas Seal(Back to Back) 이 적용되었으며 , 나머지 설비는 Wet M/Seal + Dry Gas Seal(Outboard Only)

배열임 .

Liquid Seal Flushing 불필요 - N2 Buffer Gas 만 Injection 됨 .

울산 CLX 내 Dry Gas Seal 현황

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4. 주요 Seal Plan – Dry Gas Seal II. Seal Plan

설비기술팀

I. M/Seal 개요

II. Seal Flushing Plan & Types

III. Flushing 설계 시 고려사항 1. 주요 고려사항 2. 유종 및 주입량 3. Flushing Fluid 절감방안 검토

Contents

설비기술팀

운전 중 Seal Face 에서의 마찰열과 Heat Soak 으로 인한 온도 상승 , 온도 및 압력에

의한 Seal Ring 미세 변형 , Face 면 마모 , 고착 등을 고려하여 설계해야 함 .

Heat Generation = Face 발열 + Heat Soak

Deformation(Pressure,Temperature)

Sticking

Abrasion

1. 주요 고려사항


Vaporizing

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Chemical At-tack 등


VRDS Feed Pump(DS-P3310AR) 유종 변경검토 ( 예 )

External Flushing 유종 및 주입량 결정시 아래와 같은 사항을 복합적으로 고려하여 결정하며 , 이에 따라 Seal Reliability(Life) 가 결정됨 .

2. 유종 및 주입량

Heat Genera-tion

Abrasion

Sticking

Chemical Attack

UCO LSFO AR (Self)

Seal Life(2 Yr)

◐ ○

◐

◐

●

●

●

●

●

●

●

●

○

○

○(>1 Yr Ex-

pected)( ? )

Flushing 주입량

유종 (Filter 적용으로 보완 가능 )

유종( 필요 시 유종 변경 )

고려사항유 종 비 고



운전 중 Seal Face 에서의 마찰열을 적정 수준으로 제어할 수 있도록 Seal Ring Shape,Spring Force, 재질 등을 설계하며 , M/Seal Face 에서의 안정적인 윤활을 유지하며 충분히 Cooling 할 수 있는 Flushing 유종 및 주입량을 설계함 .

Heat Generation

Flushing 주입량

= Heat Generation

Sp.Gr X Sp.Heat X dT rise

dT rise

Flushing 유종

Water: 10 C 이내 , Hydrocarbon: 5 C 이내

Spring Tension

Seal Ring 재질 조합

Seal Balance Ra-tioNet Closing Force,

(Area, Closing Pres-sure) Friction Coefficient Seal SizeSpeed


Sp. Heat, Sp.Gr 등 고려


M/Seal Type, 재질 , Shape 등 에 의해 결정

유종 및 주입량


VRDS Feed Pump (DS-P3310AR) 유량 적정성 검토 사례

Heat Generation

= μ * P * V * 60 / 427

μ : Friction Coefficient

P : Force on the Seal Face

V : Radial Velocity

= 0.1 * 54.2 * 36.2 * 60 / 427 = 27.54

(kW)

14.7 (litter/min)

Heat Generation (=27.54)

Flushing 주입량 ( 설계 )

= Heat Generation

Sp.Gr * Sp.Heat * dT rise 0.72 * 0.65 * 4 = =

최근 External Flushing Oil 을 대체 유종으로 변경 (UCO LSFO) 전 후 • Flush-ing 주입량 적정성 검토 결과 , 설계 주입량 대비 각각 111, 124 % 수준임 .

Actual 주입량


UCO LSFO

13.5 (litter/min)

16.7 (litter/min)

111 %

124 %


설비기술팀

3. Flushing Fluid 절감방안 검토

M/Seal 에 영향을 미치는 Process 유종 특성 , 기존 Seal Hardware 의 제약사항 등을 고려하여 Flushing Fluid 절감방안에 대한 Feasibility Study 를 하였으며 , 항후 운전 ,정비이력 등을 종합적으로 고려하여 상세 설계사양 등을 결정 예정임 .

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반드시 Exter-nal Flushing

적용해야 하는가 ?

Self Flushing 적용가능

External Flushing Flow

하향조정 가능성 검토

No

저가 대체 유종 External Flushing

Seal Modification 필요 여부

External Flushing 변경

w/ Seal 개선

Yes

No 저가 대체유종External Flushing

Fluid 내 이물질 유무

No

Yes

Temperature > 176 ℃

Self-Cooled(#21)

Yes

No Self (#11)

Back-to-Back(#53) *

Yes

No

Yes

Self -CycloneSeparated(#3

1)

특히 Solid Particle 함유 시

Self (#11) w/Seal 재질개선

* Barrier Fluid 로 Cooling 이 불충분하거나 고온 , Dirty Service 의 경우 상세 설계 결과에

따라 Self Flushing 을 적용할 수도 있음 .


별 첨


구동 Motor

Magnetic

Containment

Shell

Motor

Rotor

Stator

Canned Motor

Magnetic-

Driven

Sealess Pump 의 종류

mechanical seal 자료_ 0821

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