高圧ポンプのバルブシール: 性能最適化ガイド

2025,11,05

高圧シール破損の現状と危険性

高圧ポンプバルブ（≧10MPa）は、石油化学分野や油圧トランスミッション分野の中核部品です。シールの不良は、媒体の漏れ、効率の低下、さらには火災や爆発などの安全上の事故につながる可能性があります。データによると、高圧条件下でのポンプバルブの故障の 42% はシールの問題が原因であり、そのうち 80% は不適切な材料選択または不合理な構造設計に起因します。これらの問題は、密閉流体方向制御バルブ、密閉ダイアフラムポンプ、密閉流体移送ポンプなどのコンポーネントの最適化された設計によって効果的に軽減できます。

3 つの主要な故障モードの分析

1.素材「押し出し引き裂き」

システム圧力がシール材の耐はみ出し限界を超えると、シールがシール隙間（0.1～0.3mm）に押し込まれ、リップ破れや断面変形が発生します。たとえば、30MPa 高圧ピストンポンプで使用されるニトリルゴム (NBR) U リングは、200 時間の運転後に押し出しノッチが発生しました。その主な理由は、NBR の耐押出強度が 30MPa 未満でわずか 12MPa であり、高圧衝撃に耐えるには不十分であるためです。これは、マイクロシール油圧ポンプやミニシールバルブを含む高圧用途にとって重大な欠陥です。ゴム材料の耐押出し性能は、硬度および弾性率と正の相関があります。硬度が 80 ショア A より低い材料は、20MPa 以上の圧力下で破損する傾向があります。

2. 中程度の「浸透漏れ」

高圧により中分子とシール材の間の界面張力が低下し、浸透が促進されます。シールに肉眼で見える損傷がない場合でも、慢性的な漏れが発生する可能性があります。フッ素ゴム（FKM）のガス透過率は、25MPaの窒素環境下で常圧の3.2倍となります。ケミカルボールバルブ（密閉形流体方向制御弁の一種）に使用されているFKMシールでは、6ヶ月間の累積漏れ量が1.2Lに達し、許容基準の0.1L/年を大幅に超えました。極性液体は材料の膨張によって透過しますが、気体は分子拡散によって透過します。密閉型流体移送ポンプおよび密閉型ダイアフラムポンプでは、さまざまな媒体に合わせてターゲットを絞った材料を選択する必要があります。

3. 摩擦による「熱老化」

高圧によりシールと相手面との面圧が高まり、摩擦係数が上昇して発熱し、材料の老化が促進され、「高温→硬化→摩擦増大」の悪循環が形成されます。 20MPaの油圧バルブの場合、面圧が5MPaから10MPaに増加すると、摩擦係数は0.3から0.5に増加し、表面温度は60℃から95℃に増加しました。特に、95℃でのNBRの熱酸化劣化速度は60℃での2.8倍であり、これはマイクロシール油圧ポンプおよびミニシールバルブの長期信頼性にとって重要な懸念事項です。

3D 協調最適化戦略

1. マテリアルのアップグレード

シール材の中核指標は、耐押出強度≧20MPa、圧縮永久歪（150℃×70h＜15％）、中膨潤率＜5％を満たさなければなりません。

20 ～ 30MPa の作動条件の場合:耐押出強度が 25MPa、鉱物油中での膨潤率がわずか 3% である水素化ニトリルゴム (HNBR) が推奨されます。その耐用年数は NBR の 4 倍であり、密閉型ダイヤフラムポンプや密閉型流体移送ポンプに最適です。

30～40MPaの使用条件の場合：フッ素ゴム（FKM）またはパーフロロエラストマー（FFKM）を推奨します。 FKMの耐はみ出し強度は30MPa、FFKMは40MPaに達し、高圧の密封流体方向制御弁に適しています。

FKM に 15% ～ 20% の炭素繊維を添加すると、摩擦係数を低減しながら耐押出強度を 30% 向上させることができ、マイクロシール型油圧ポンプの性能を向上させます。

2. 構造革新

「一次シール＋補助保護」の複合設計を採用：シールの低圧側にポリテトラフルオロエチレン（PTFE）製リテーナー（厚さ1.5～2mm、硬度≧50ショアD）を装着することで、はみ出しリスクを90％低減します。 35MPaピストンポンプ（ミニシールバルブ搭載）を改造したところ、シールの耐用年数が300時間から1500時間に延長されました。

シール断面の最適化: Y リングのリップ角度を 60° から 45° に変更することで、より均一な接触圧力分布が確保され、摩擦係数が 15% 低減され、密閉流体移送ポンプにとって有益です。

U リングの底部に 0.5 mm のフィレットを追加することにより、応力集中が軽減され、引き裂き抵抗が 20% 増加し、マイクロシール油圧ポンプの耐久性が向上します。

3. プロセス制御

合わせ面の精度はシール性能に直接影響します。シール面の粗さは Ra0.4 ～ 0.8μm 以内に制御する必要があります。 Ra > 1.6μm の場合、漏れチャネルが形成されます。 25MPa バルブ (密閉流体方向制御バルブ) を研磨した後、漏れは 0.5mL/min から <0.01mL/min に減少しました。

ラジアルシールギャップは ≤0.1mm である必要があります。 0.2mmを超えると、押し出しのリスクが大幅に増加します。 30MPa 油圧バルブ (密閉型ダイアフラムポンプで使用) のギャップを縮小した後、シールの故障数が 75% 減少しました。

最適化の実証例

油田の 35MPa 高圧注水ポンプには当初 NBR O リングが使用されていました。耐はみ出し強度が不足しており、シール面粗さがRa=1.6μmであり、保持器設計がないため、シール寿命は15日しかありませんでした。

最適化計画: NBR を炭素繊維強化 FKM (硬度 85 ショア A) に置き換えて、高圧要求に対する耐押出性能を強化します。

はみ出しを防ぐために、厚さ 2 mm の PTFE リテーナーを取り付けます。これは、ポンプ内のミニシールバルブを保護するために重要です。

シール面をRa0.4μmに研削し、隙間を0.08mmに制御して漏れ経路を排除。

最適化の結果:シールの耐用年数は 180 日に延長され、漏れは 1.2L/日から 0.05L/日に減少し、年間ダウンタイム損失は約 500,000 RMB 削減されました。この事例では、密閉流体移送ポンプおよび同様の高圧機器に対する 3D 戦略の有効性を検証します。

結論

高圧ポンプのバルブシールの最適化は、本質的に材料の性能、構造設計、嵌合精度の「バランスの芸術」です。「万能」な解決策はありません。カスタマイズされた戦略は、特定の作業条件 (圧力、媒体、温度、動作モード) に基づいて開発する必要があります。「シール - 合わせ面 - 作動条件パラメータ」の相関データベースを確立し、発生源での故障リスクを排除するための予備テスト (高圧シミュレーション実験など) を通じてスキームの実現可能性を検証し、高圧環境におけるミニ密閉バルブ、密閉流体方向制御バルブ、密閉ダイヤフラムポンプ、密閉流体移送ポンプ、およびマイクロ密閉油圧ポンプの長期信頼性を確保することをお勧めします。

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