シーリングの課題を克服する

リストを保存して読む炭化水素工学、2016 年 4 月 28 日木曜日 11:30

高温（通常は 400°C 以上）でのシールは、膨張黒鉛などの標準的な材料ではそのような条件下で長期間確実に機能できないため、困難です。その結果、ボルト接合部が破損し、漏れが発生します。これまで、材料の選択には妥協が必要でしたが、これは高温下での時間の経過とともにボルト接合部の漏れ性能に悪影響を及ぼします。

サーミキュライトと抑制黒鉛および標準黒鉛の両方との比較を示すグラフ。インヒビテッドグラファイトの酸化はわずかに遅れますが、それでも劣化しますが、サーミキュライトは時間が経っても影響を受けないことに注意してください。

高温プロセスは、石油とガス、化学処理、発電などの多くの産業で見られます。具体的な用途としては、流動接触分解、硝酸アンモニウム肥料製造、エチレン製造、フレアシステム、蒸気およびガスタービン、排気システム、さらに最近では固体酸化物燃料電池（SOFC）や溶融塩伝熱流体を使用する集中型太陽熱発電システムなどがあります。溶融塩は高温で動作し、化学的に攻撃的であるため、シールの課題がさらに増大します。

外径と内径にマイカを使用したHOTスタイルうず巻形ガスケットです。雲母の「バリア」があっても、酸化によりスパイラルからグラファイトが失われることに注意してください。ガスケットの漏れにより、二酸化チタン工場が停止されました。

従来、ガスケットのユーザーが利用できるオプションは、固有の弱点を補うために、グラファイトまたはマイカ、または 2 つの材料の組み合わせを使用することでした。グラファイトは有機材料であるため、周囲温度では良好にシールしますが、中程度から高温では炭素が酸化し、時間の経過とともにシールの完全性が失われ、性能が低下します。これは、中程度の温度であっても驚くほど早く発生する可能性があり、温度が上昇すると加速されます。グラファイトを酸素抑制化学物質で処理した場合でも、その効果は一時的なものにすぎません。

グラファイトは炭素であり、炭素が酸化するとシールが劣化します。最も極端な場合、グラファイトは完全に酸化され、その結果、封じ込めが完全に失われ、壊滅的な事態になる可能性があります。

マイカうず巻形ガスケット (青色) とサーミキュライト 835 うず巻形ガスケット (オレンジ色) の漏れ率の比較。非常に高い表面応力でも、マイカガスケットはかなりの漏れを起こします。

グラファイトの酸化の開始を遅らせるために使用されている代替オプションは、バリアを使用してシールを保護することです。マイカは優れた耐熱性を示しますが、多孔質であるためシールとしての性能は十分ではありません。

これは、理論的にはマイカが耐熱性を提供し、グラファイトシール要素を保護するものの、実際には効果的な気密シールを提供しないため、依然としてグラファイトが攻撃され、最終的にはこれらの高温動作温度 (HOT) スタイルのガスケットが破損することを意味します。。

一部の非常に高温の用途や、グラファイトが化学的に不適合であるか腐食を促進する用途では、企業はマイカのみを使用しようと試みてきましたが、これらのガスケットは適切なシールを提供しないため、実行可能な選択肢とはみなされません。疎水性タルクベースの材料など、他の技術も試みられていますが、これらは優れた性能を提供すると主張していますが、材料が信頼性の高い長期完全性を提供しないため、使用中に重大な障害が記録されています。

プロセス温度はますます上昇しており、オペレーターはメンテナンス間隔の延長を検討しています。これには、長期的な信頼性を提供しながら、これらの高温に耐えることができるガスケット材料が必要です。安全性は非常に重要であるため、実績のある信頼できるソリューションを選択することが最も重要です。

これらの問題に対処するために、Flexitallic はグラファイトと同じシール特性を持ちながらマイカの耐熱性を備えた新しい材料を開発しました。この材料は Thermiculite® と呼ばれ、シールの完全性を維持しながら高温で長期間動作できるガスケット材料に対する業界の要求から生まれました。

サーミキュライトは、独自に加工されたバーミキュライトの革新的な使用と製造によってこの性能を実現します。特別に調製された熱剥離バーミキュライトと化学剥離バーミキュライトを組み合わせることで、サーミキュライトの結晶プレートの構造が最も極端なプロセス条件下でも気密シールを保証します。

開発された革新的な製造技術により、サーミキュライトガスケットはシート、スパイラル巻き、カムプロファイル、さらには新しい Change™ ガスケットなど、さまざまな形状で提供できるようになりました。これは、サイト全体で 1 つの材料テクノロジーを選択することが完全に達成可能であることを意味します。

Change は、最も動的シールを提供する、高弾性の金属巻き熱交換器ガスケットです。最も重要なことは、Change は他の熱交換器、CGI スパイラル巻き、二重ジャケット、波形金属、またはカムプロファイルガスケットよりも確実に 60% 長く性能を発揮することです。

100 年以上前に Flexitallic がうず巻きガスケットを開発して以来、シーリング業界で最も重要な革新の 1 つである Change は、顧客の長期にわたる熱交換器の問題に直接対応して導入されました。極端な温度範囲と圧力範囲を含む複数のサイクルを経る熱交換器は、定期的なメンテナンスや、これらの過酷な条件下で動作できないガスケットの交換の結果としてダウンタイムが発生する傾向がありました。

特許取得済みの Change ガスケットは独自の装置を使用して製造されており、標準ガスケットよりも 5 倍厚い金属スパイラルプロファイルが特徴です。巻線を完全に貫通する独自のレーザー溶接プロセスを使用することにより、内輪や外輪は必要ありません。このガスケットの能力は、ラジアルせん断試験 (RAST)、シェル拡張熱サイクル試験、漏れ試験、圧縮試験などの一連の研究を通じて証明されており、そのすべてが非常に肯定的な結果をもたらしました。

たとえば、業界の条件を再現した 302°C での 24 日間の 24 サイクルの圧力対熱サイクルテストにおいて、変化損失はわずか 1.5 PSI であり、テストした他のすべてのガスケットよりも少なくとも 9 日間優れています。圧縮テストの結果、高レベルの蓄積エネルギーに基づいて、Change は Kammprofile や二重ジャケットガスケットよりもほぼ 5 倍優れた回復力を示すことが判明しました。

広範囲の温度範囲にわたって弾力性のある気密シールを提供するサーミキュライトの非常に薄い柔軟なプレート構造の走査型電子顕微鏡画像。

ラジアルせん断試験は、PVRC/ASME とモントリオール大学のエコールポリテクニックによって独自に開発されたもので、熱交換器フランジの膨張と収縮の差をシミュレートするために実施されました。このテストは、窒素を 40 bar まで加圧し、20 サイクルごとに漏れテストを行い、100 回の熱サイクルにわたって実施されます。

フランジは熱交換器の典型的なさねはぎタイプです。ガスケットサイズは453×427mm（公称厚さ3.2mm）です。下部フランジは 300°C までサイクルされ、上部フランジは水冷されるため、システム内の成長差が最大化され、ガスケットに約 0.8 mm の半径方向せん断が発生します。ただし、重要な測定はボルトの緩和です。これは、半径方向のせん断に対するガスケットの抵抗の尺度と考えられています。

ガスケットは目に見える損傷がほとんどなくテストに耐え、100 サイクル後のボルト応力の緩和は 15% のみでした。比較すると、次に性能が良いのは、ボルトの緩和が約 25% のうず巻形ガスケットです。 Change ガスケットはテストで大きな漏れを示さなかったが、これはジャケット付きタイプのガスケットとはまったく対照的である。

ただし、最良の証拠は、厳しい環境でも Change が一貫して実行され、成功したアプリケーションから得られます。たとえば、製油所のアプリケーションでは、Change が周囲温度から 379°C までのサイクルで効果的に動作し、これまでに問題が発生せず、以前に使用されていたすべてのガスケットを上回る性能を示しています。直径 63 インチ、510 PSI のガスケットを取り付ける前は、製油所では 28 回の熱サイクル後の大規模停止の間に複数回のガスケット交換が必要でした。

PTFE、グラファイトフィラー、さまざまな金属を使用して変更を加えることができますが、サーミキュライトと組み合わせると高温用途で優れた効果を発揮します。

バーミキュライトは無機ケイ酸塩であるため、サーミキュライト材料は非常に高い温度や攻撃的な化学薬品に対して優れた耐性を備えています。厳格な API 6FB 耐火試験にも合格しており、炭化水素用途に最適です。材料の電気絶縁特性により、現在では、海洋の石油やガス、海水用途など、隙間腐食が問題となる用途に使用されています。

サーミキュライトは単一のソリューションを提供し、さまざまな材料の必要性を置き換えますが、どの温度でも持続的なソリューションを提供するものはありません。メンテナンスコストの削減、ダウンタイムの削減、在庫の合理化、排出ガスコンプライアンス、そしてもちろん接合部の完全性の向上による安全性の向上という点で、実質的な節約が可能になります。

サーミキュライトは 1997 年以来、業界全体の何千もの用途で使用されて成功してきました。

ある国営石油会社は、製油所内の高温で腐食性の環境で生産性と効率に影響を与える可能性のある漏れの問題に直面した後、フレキシタリック製品イノベーションを導入しました。

製油所のヒーターシステム内のヘッドフランジの圧力は 7 bar で、520 ～ 540°C の温度で動作します。以前、同社は装置メーカーが推奨したグラファイトフィラーを使用したうず巻きガスケット CG 304 を使用していました。

しかし、このガスケット材料の組み合わせは、使用条件下では漏れを引き起こし、ヒーターシステム内の腐食を悪化させていました。この問題を克服するために、Flexitallic は、サーミキュライト 835 フィラーを含むうず巻きガスケット CGI 316 リングと巻線を推奨しました。

Flexitallic のサーミキュライトガスケット材料は、極低温から 1000°C を超える温度まで、重要なサービス用途で使用するために開発されました。その結果、スパイラル巻きガスケットをサーミキュライトと組み合わせて使用することで、システムからの漏れが根絶され、将来の腐食の問題が防止されました。

執筆者: Alex Lattimer、製品ラインディレクター、Flexitallic Ltd.

記事はオンラインでご覧いただけます: https://www.hyderocarbonengineering.com/special-reports/28042016/overcoming-the-challenges-of-sealing-at-high-temperatures-3152/

ウッド・マッケンジー氏によると、OPECプラスによる現在の減産延長の決定と、2023年7月のサウジアラビアによる追加の自主的な日量100万バレルの減産が、2023年末の価格の下支えとなるだろうという。

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