펌프이론 1.3 – 메카니컬 샤프트 씰

1950년대부터 메카니컬 샤프트 씰은 전통적인 씰링 방법인 스터핑 박스와 함께 가장 일반적인 방법으로 사용되었다. 메카니컬 샤프트 씰을 스터핑 박스와 비교하면 아래와 같은 장점이 있다.

• 축에 진동과 다소 변화가 있더라도 씰링이 확실히 된다.
• 조정 작업도 필요 없음.
• 씰의 표면의 마찰이 작아서 동력 손실을 최소화 할 수 있다.
• 축이 씰의 어떤 부품에 대해서도 미끄러짐이 발생하지 않아서, 마모로인한 어떠한 손상도 입지 않는다.

메카니컬 샤프트 씰은 유체와 공기를 모두 접하는 펌프 부품이다. Fig. 1.3.1에 입형 펌프와 횡형 펌프에 설치된 미카니컬 샤프트 씰을 도시했다.

대다수의 메카니컬 샤프트 씰은 유럽기준 EN 12756에 준하여 생산된다.

샤프트 씰을 선택하기 전에 유체 및 유체에 대한 씰의 저항정도에 대해 반드시 알아야하는 사항이 있다:

• 유체 종류
• 샤프트 씰이 노출되는 압력
• 샤프트 씰이 노출되는 회전수
• 설치되는 치수

다음 페이지에서 샤프트 씰의 기능과 종류, 재질에 따른 분류법, 메카니컬 샤프트 씰의 성능에 영향을 주는 요소에 대해 기술하였다.

1.3.1 메카니컬 샤프트 씰의 구성품과 기능

메카니컬 샤프트 씰을 주요 부위로 나누면 회전 부분과 고정 부분으로 구분된다. Fig. 1.3.2는 각 부분에 대한 명칭에 대해 표시한다. 그리고, Fig.1.3.3은 씰의 구성품과 위치를 나타낸다.

• 씰의 고정부는 펌프 하우징에 고정된다. 씰의 회전 부분은 펌프 축에 고정되며 펌프가 운전하면 같이 회전한다.
• 두개의 1차 씰 표면은 스프링과 유체 압력으로 서로 밀게 된다.
  펌프가 가동 되는 중에는 유체막이 두개의 씰 표면에 형성되어 얇은 막을 형성하게 되고, 이 막은 1차 씰을 냉각 및 윤활 시켜주며 씰 외부로 나오기전 기화된다. (Fig. 1.3.4 참조)
• 2차 씰은 조립부와 축사이의 누수발생을 막는다.
• 스프링은 씰의 표면을 기계적으로 눌러준다.
• 스프링 리테이너는 토크를 축에서 씰로 전달한다. 하지만, 밸로우즈 씰 타입의 경우에 토크는 밸로우즈로 직접 전달된다.

씰 간격

유막은 대기에 들어가기 전에 사라지며 메카니컬 샤프트 씰이 유체와 근접하게 만들어 준다. (Fig. 1.3.4 참조)

• 정윤활막은 펌핑 유체가 씰표면 사이에 있는 간격으로 밀려들어 가면서 발생한다.
• 동윤활막은 축 회전으로 생성되는 압력으로 발생된다.

윤활막의 두께는 펌프의 속도, 유체의 온도, 유체 점성, 메카니컬 샤프트 씰의 축력에 의해 좌우된다. 씰 간격에서 유체는 지속적으로 변화하게 되는데, 그 이유는 아래와 같다.

• 유체가 대기 중으로 기화
• 유체의 순환 운동

Fig. 1.3.5는 적정 윤활 특성과 제한된 누수 사이의 최적 비율을 보여주고 있다.
최적비란 윤활막이 전체 씰 간격을 메울 때 이다. 단 메카니컬 샤프트 씰이 대기와 접촉하는 표면에 가까운 매우 좁은 기화 구간은 제외된다.

씰의 표면에 침착된 물질로 인해 종종 누수가 발생한다.
윤활제를 사용하는 경우 씰이 대기에 노출된 면에서 기화되면서 침착물이 씰표면에 빠른 속도로 형성된다
유체가 기화 될 때 유체내의 미세한 입자들이 씰 틈에 침전물로 남아 마모를 유발시킨다.

이런 침전물은 거의 모든 종류의 유체에서 발생된다.
그러나 만약 사용되는 유체가 결정화 되는 특성을 가진다면 이것은 펌프를 사용하는데 문제가 될 수 있다. 마모를 방지하는 최선의 방법은 씰 표면의 재질을 TC나 SiC 같은 경도가 높은 물질로 선택하는 것이다. 텅스텐 카바이드(TC)나 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 약 0.3 Ra사이의 좁은 씰 틈새는 고체가 씰 간격에 들어 올 수 있는 위험을 최소화하고 그렇게해서 침착되는 물질의 양을 줄이게 된다.

메카니컬 씰의 밸런스 비율(K)은 면적 A와 면적 B의 비로써 정의 된다 : (K=A/B)

K = 밸런스 비율
A = 수압에 노출되는 면적
B = 씰 표면 접촉 면적

밸런스 샤프트 씰은 밸런스 지수가 일반적으로 약 0.8(K=0.8) 이고, 언밸런스 샤프트 씰은 약 1.2(K=1.2) 이다.

1.3.3 메카니컬 샤프트 씰의 종류

이 절에서는 주요 미켈니컬 샤프트 씰인 오링 씰과, 벨로우즈 씰 그리고 일체형인 카트리지 씰에 대해서 알아본다.

오링 씰(O-ring seals)
오링씰에서 회전축과 회전부 씰 표면 사이에 씰링은 O형 링에 의해 이루어진다. (Fig. 1.3.9 참조)
오링은 온도변화나 마모로 인해 발생하는 축방향 움직임을 흡수할 수 있도록 축방향으로 자유롭게 움직일 수 있어야 한다.
고정부가 잘못 안착되면 불필요한 마찰의 원인이 되면서 오링과 축의 마모를 가져온다.
오링은 여러 종류의 고무 재질로 만들어 진다. NBR, EPDM 그리고 FKM 등이며 이들 오링들은 펌프 운전 조건에 따라 선택된다.

벨로우즈 씰
벨로우즈 씰의 일반적인 특징은 회전하는 링과 축 사이에 유동씰로 기능하는 고무나 금속 재질의 벨로우즈를 가진다는 점이다.

고무 벨로우즈 씰
Fig. 1.3.10과 같이 고무 벨로우즈 씰은 다양한 고무재질로 만들어 진다.
고무 종류는 NBR, EPDM, FKM 등으로 운전 조건에 따라 사용되는 재질이 다르다. 고무 벨로우즈를 설계하기 위해 주로 사용되는 두가지 기하학적 원리들은 다음과 같다.

• 접이 벨로우즈(folding bellows)
• 롤링 벨로우즈(Rolling bellows)

금속 벨로우즈 씰
일반 메카니컬 샤프트 씰에서 스프링은 1차 씰의 두 면을 만나게 하는 축력을 생성한다.
금속 벨로우즈 씰 (Fig. 1.3.11)에서 스프링은 비슷한 축력을 가진 금속 벨로우즈로 교체된다.
금속 벨로우즈는 회전 링과 축 사이에서 유동 씰로 기능하고 스프링 역할을 하기도 한다. 이 벨로우즈는 몇 개의 주름을 가지고 있는데 스프링처럼 적정한 탄성을 주기 위해서이다.

카트리지 씰
카트리지 씰은 샤프트 슬리브에 모든 부품이 컴팩트하게 조립되어 설치가 용이하다. 카트리지 씰은 전통적인 샤프트 씰과 비교하면 많은 장점을 가지고 있다. (Fig. 1.3.12)

씰 세척, 플러싱(Flushing)

특정 현장의 펌프에는 플러싱을 설치함으로 인해서 메카니컬 샤프트 씰의 성능을 향상시킬 수 있다. 플러싱은 메카니컬 샤프트 씰의 온도를 낮출 수 있으며 침전물이 발생되는 것을 막을 수 있다. 플러싱은 펌프 내부나 외부 어느 쪽에도 설치가능하다. 내부 플러싱은 펌프 토출구에서 적은 유량을 씰부분으로 우회시켜 설치한다. 내부 플러싱은 주로 열이 발생되는 현장에서 씰로 인해 열이 추가로 발생되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
외부 플러싱은 플러싱 액에 의해 작용된다. 그리고 펌핑되는 액체가 연마제나 고형물을 포함할 때 펌프가 문제없이 운전 하도록 사용된다.

더블 메카니컬 씰

더블 메카니컬 씰은 유체내 고형 입자, 고압, 저압 그리고 온도로 인한 마모로 싱글 메카니컬 씰의 수명이 감소하는 경우 사용하게 된다. 또한더블 메카니컬 씰은 유독성, 산성, 폭발성 유체를 사용하는 경우에 주변 보호를 위하여 사용된다. 더블 메카니컬 샤프트 씰에는 탠덤 방식과 back-to-back 방식 두가지가 있다.

탠덤 방식의 더블 씰. (Tandem)
더블 씰은 탠덤 방식으로 설치되어 있어 한 개는 다른 씰 뒤에 설치되고, 서로 다른 씰 챔버 안에 놓여진다. (Fig. 1.3.14 참조)

이 타입의 더블 씰은 back-to-back 타입의 더블 씰이 필요치 않은 경우 사용된다.

탠덤 더블 씰에는 다음과 같은 냉각 시스템이 설치되어야 한다 :

• 누수 흡수
• 누수율 관측
• 결빙을 막기 위해 외부씰에 윤활유 및 냉각수 사용
• 공회전 방지
• 윤활막 안정화
• 진공의 경우 펌프 내부로 공기 유입 방지

냉각수의 압력은 반드시 사용되는 유체의 압력보다 항상 낮아야 한다.

순환 방식
비압력 탱크를 경유하는 냉각수의 순환은 Fig. 1.3.14와 같다.
상부의 탱크로 부터 냉각수는 씰에서 열 사이펀 운동 혹은 펌프 운동으로 인해 순환된다.

직렬 – 막힌 관 방식
상부 탱크에서 냉각수가 흐른다. (Fig. 1.3.15참조) 이 시스템에서는 어떤 열도 방출되지 않는다.

직렬 – 배출 방식
냉각수가 씰 챔버로 직접 흐른 뒤 재사용을 위해 수집되거나 바로 배출된다. (Fig. 1.3.16 참조)

back-to-back 방식의 더블 씰
이 더블 씰은 연마제, 산도가 있는 유체, 폭발 위험이 있거나 점성이 높은 유체를 사용하여 메카니컬 샤프트 씰에 마모나, 결함 또는 막힘을 발생시킬 가능성이 있는 운전 조건에서 사용되는 최적의 씰이다.

Fig. 1.3.17을 보면 더블 씰은 각각 분리된 씰 챔버안에 두개의 샤프트 씰이 서로 맞대어 설치되어 있다. 이렇게 맞대어 설치된 씰은 주변 환경을 보호하고 펌프 주위에서 일하는 사람들을 보호하게 된다.

씰 챔버안의 압력은 펌프의 압력보다 적어도 1-2bar 정도는 높아야 한다.
압력은 다음과 같은 조건에서 발생된다.

• 현장에 있는 압력원 사용
• 정량 펌프와 같은 별도의 펌프 사용

실리콘 카바이드 / 실리콘 카바이드 (SiC/SiC)

실리콘 카바이드 / 실리콘 카바이드 조합은 WC/WC 조합을 선택하지 않을 때 선택할 수 있는 또 다른 조합이며 매우 높은 내부식성이 요구될 때 사용한다.

SiC/SiC 재질은 아래 같은 특징이 있다.

• 주의 깊은 취급을 요구하는 휘성이 높은 재질
• 마모에 매우 강하다
• 매우 강한 내 부식성. SiC(Q1S , Q1P 그리고 Q1G ) 는 어떤 유체에 사용되어도 거의 부식되지 않는다. 하지만 초순수물과 같이 매우 낮은 전도율을 가진 물은 예외이다. 이런 물을 사용하면 이 유체가 SiC의 변형인 Q1S 와 Q1P 를 공격하지만, Q1G 는 여전히 내부식성을 가진다.
• 일반적으로 실리콘 카바이드 물질 조합은 공회전에 매우 약한 특징이 있다. 하지만 Q1G /Q1G 조합은 재질에 포함된 그라파이트 성분 비율에 따라서 공회전에 견디는 시간을 연장 할 수 있다.

다양한 목적을 위해 다양한 SiC/SiC 조합이 아래와 같이 존재한다.

Q1S , 밀집 소결된, 세립 SiC

직접 소결된, 세립 SiC는 적은 양의 세공을 가지고 있다.

지난 수십년 동안 이 SiC 변형재질은 메카니컬 샤프트 씰의 표준 재질로 사용되었다.
압력과 온도의 한계치는 WC/WC의 메카니컬 샤프트 씰 보다 조금 낮다.

Q1P , 다공 소결된, 세립 SiC

밀집 소결된 SiC의 변형재질. 이 변형된 SiC는 큰 고리형태의 폐 기공을 가지고 있다. 다공율은 5-15% 이며 크기는 10-50μm Ra이다. 압력과 온도 제한 범위는 같은 종류의 WC/WC보다 우수하다.

• 금속이 포함된 카본(A)는 제한된 내부식성을 가지고 기계적 강도를 향상시키며 열 전도율을 높여 마모를 감소시켜주는 역할을 한다.
• 기계적인 강도를 줄인 대신 높은 내 부식성을 가지는 합성수지가 포함된 카본(B)는 다양한 용도로 사용 가능하고, 특히 음료용으로 승인되어 있다.
• 탄소/SiC가 온수 시스템에 사용되는 경우, 물과 카본의 질에 따라서 SiC에 심한 마모를 일으킬수도 있다. 특히, Q1S /카본 조합인 경우 마모가 심하게 발생한다. Q1P , Q1G 또는 카본/WC 조합은 마모를 감소시킨다.
  온수 시스템에는 카본/WC, 카본/Q1P 또는 카본/Q1G 재질 사용을 추천한다.

1.3.5 씰 성능에 영향을 주는 요소들

앞에서 기술된 것과 같이 씰은 완전한 밀봉 상태가 아니다. 이 절에서는 펌프 씰의 성능에 중요한 역할을 차지하는 요소인 에너지 소비, 소음, 누수에 대해서 기술하였다. 비록 이들 요소들을 각각 개별적으로 설명할 것이지만, 유의해야 할 것은 이들 요소들이 서로 연계되어 있다는 사실이고 이 요소들을 검토할 경우에는 전체를 반드시 고려하여야 한다는 것이다.

에너지 소비

씰을 회전 시키는데 전력이 필요하므로 아래에서는 메카니컬 샤프트 씰에서 이루어지는 전력 손실에 대해 설명했다.

특히 스터핑 박스의 경우 에너지 소비는 중요한 문제이다. 예제에서 보는 것과 같이 스터핑 박스를 메카니컬 씰로 교체함으로 상당한 양의 에너지 절감이 이루어 질 수 있다. (Fig. 1.3.19)

소음

씰 표면 재질 선정은 메카니컬 샤프트 씰의 기능 및 수명을 정하는데 매우 중요한 부분이다. 씰이 낮은 점도의 유체에서 사용될 때 윤활조건이 좋지 않으면 소음이 발생 된다. 온도가 증가됨에 따라 물의 점도는 떨어진다.
이것은 온도가 증가함에 따라서 윤활 조건이 악화되는 것을 의미한다.
만약 펌핑되는 유체의 온도가 끓는점에 도달하거나 넘게 되면 씰표면에서의 유체는 기화 되고, 이로인해 윤활조건은 더욱 나빠지게 된다.
회전수가 감소해도 같은 효과를 가진다. (Fig. 1.3.20 참조)

누수

펌핑되는 유체는 메카니컬 샤프트 씰에서 표면 윤활제의 역할을 한다.
따라서, 좋은 윤활 조건은 적은 마찰에 누수가 많은 것이고, 반대로 적은 누수란 윤활조건 악화와 마찰이 늘어나는 것을 뜻한다. 실제로 메카니컬 씰의 누수 및 소비 전력량은 다양하게 나타난다.
이는 누수가 씰 재질, 액질, 스프링 하중, 사용 압력 등의 상호 작용으로 인해 이론적으로 정량화하기 힘든 요소들로 부터 영향을 받기 때문이다.

누수율을 정확하게 Fig. 1.3.21에서 읽기 위해서는 아래와 같은 절차를 밟아야 한다.

단계 1 : 압력을 확인 – 예 1) 5 bar
단계 2 : 30 mm 언밸런스 샤프트 씰
단계 3 : 3000 rpm
단계 4 : 누수율 0.06 ml/h