밸런스드 메커니컬 씰과 언밸런스드 메커니컬 씰: 1.5 MPa 경계와 부하 계수 B 활용법

균형 또는 비균형 선택은 힘의 균형 문제임: 매체 압력이 접촉면을 밀어붙이는 반면 필름과 스프링은 이를 벌리려 하며, 접촉면 압력은 이 힘겨루기의 결과임. 저압에서는 매체 압력이 접촉면에 그대로 작용해도 무방하지만 고압에서는 일부를 완화해야 하는데, 이것이 "균형"임. 본 글은 그 구분과 계산 방법을 제시함.

1. 왜 약 1.5 MPa인가

비균형 설계에서는 매체 압력이 거의 전부 닫힘 방향으로 작용하여 접촉면 압력이 매체 압력에 비례해 증가함. 일반적인 그래파이트 대 실리콘 카바이드 쌍에서는 접촉면 압력이 약 1.5 MPa를 넘으면 마찰열과 마모율이 급격히 상승하여 그래파이트 링 수명이 크게 단축됨.

균형 설계는 압력 작용 닫힘 영역(단계형 샤프트 또는 슬리브)을 줄여 하중 계수 B를 거의 1에서 0.6-0.8로 낮춤; 그 결과 접촉면 압력 상승이 완만해지고 고압에서도 수명이 유지됨.

주의: 1.5 MPa는 일반 속도의 물과 유사한 저윤활 매체에 대한 경험적 수치임. 윤활성이 낮은 매체(탄화수소, 고온수)나 고속에서는 임계값이 낮아져 1.0 MPa 이하에서도 균형 설계가 필요할 수 있음; 반대로 윤활성이 좋고 저속인 경우 임계값이 완화됨.

2. 하중 계수 B와 접촉면 압력

2.1 하중 계수 B

B는 매체 압력이 실질적으로 작용하는 면적과 명목상 접촉면 면적의 비율임:

• 비균형: B 거의 1 — 매체 압력이 전부 닫힘에 작용
• 균형: B = 0.6-0.8이 일반적이며 단계 치수에 의해 결정됨
• B가 너무 작으면(약 0.6 미만) 닫힘 힘 부족; 필름이 접촉면을 벌려 누설 위험 증가

2.2 접촉면 압력 계산

접촉면 압력 ≈ 스프링 압력 + B × (매체 압력 - 챔버 배압). 검증 절차:

1.스프링 압력 취득(씰 종류에 따라 보통 0.1-0.3 MPa 수준)

2.매체 압력과 B 대입하여 접촉면 압력 산출

3.재료 쌍의 필름 지지 및 허용 압력 범위와 비교; 필요 시 B 조정

4.평균 접촉면 속도와 곱해 PV 산출 후 허용 PV와 비교

2.3 PV 값 확인

PV = 접촉면 압력 × 평균 접촉면 속도. 건식 마찰 계수 0.04-0.15, 열전도율 70-150 W/(m·K)인 카본 그라파이트는 충분한 세척 조건에서 상당한 PV를 견딜 수 있으나, 모든 재료 쌍은 허용 한계가 있음: 이를 넘으면 마찰열이 충분히 방출되지 못하고 접촉면이 매체의 증발점에 도달하여 씰이 건조해지고 고장 발생.

3. 흔한 실수

1.펌프 토출 압력만 고려: 플러시 계획(API 682 등)에서는 챔버 압력이 토출 압력과 다름; 잘못된 압력 사용 시 부적절한 타입 선택

2.B가 낮으면 항상 마모가 적다고 가정: B가 너무 낮으면 접촉면이 벌어져 누설 발생하며, 누설은 마모보다 해결이 더 어려움

3.고압에서 단순히 스프링 힘만 추가: 스프링 압력은 미미한 요소로 고압 접촉면을 보호할 수 없음; 올바른 방법은 B를 낮추는 것

4.시동-정지 운전 무시: 시동과 정지 시 압력과 속도가 크게 변동하므로 간헐적 고압 운전은 보수적 설계 필요

4. 요약

선택 순서: 실제 챔버 압력을 먼저 확인한 후 균형 또는 비균형 선택(물과 유사한 매체 기준 약 1.5 MPa), 이어서 B, 접촉면 압력 및 PV 검증. Huahao Sealing은 2006년 安徽省 六安市 霍邱县 龙潭镇에 공장을 설립하여 균형 및 비균형 씰용 카본 그라파이트 링을 도면 맞춤 제작과 전 공정 품질 관리로 공급함. 확신이 없을 경우 제조사에 매체, 압력, 속도, 샤프트 직경 정보를 제공하여 접촉면 압력과 PV 검토를 받은 후 주문할 것을 권장함.