かつて定格流量を供給していたプロセス用ポンプは、現在では動作点でわずか85%しか達成できていないにもかかわらず、モーターの電流は低下しており、ベアリングの動作音も静かで、メカニカルシールは乾燥した状態を保っている。 外見上、破損している箇所は見当たらない。しかし、ケーシング内部では、回転するインペラのアイとそれを囲む固定リングとの間の隙間が、数千分の1インチから、フィーラーゲージで測定しても無視できないほどに広がってしまっている。.
その広がった隙間は内部短絡を引き起こします。つまり、高圧の吐出流体がノズルから排出される代わりに、吸込口へと逆流してしまうのです。.
遠心ポンプの摩耗リングとは、回転するインペラと固定されたケーシングの間（多くの場合、インペラ自体にも）に取り付けられる、交換可能な狭間隙のシールリングであり、その唯一の役割は内部漏れを抑制することです。これは意図的に消耗品として設計されています。 技術者はこれをきつめに設計し、摩耗することを想定した上で、インペラやケーシングが損傷するずっと前に交換できるよう設計しています。.
これを理解しているかどうかで、ポンプを修理するか、それとも交換するかという違いが生じます。.
要点
- ポンプの高価な部品が摩耗しないように、摩耗用リングが設けられている。.
- 直径方向のクリアランスを2倍にすると、吐出容量が著しく低下する一方で、NPSHrは上昇する。.
- 重要なリング族は2つある。すなわち、定常 ケーシング用摩耗リング そして、回転する インペラ摩耗リング. 多くのポンプは両方を併用していますが、一部はどちらか一方のみを使用しています。.
- 稼働時間ではなく、測定されたクリアランスに基づいて交換してください。.
- ガリング、キャビテーションによる損傷、および研磨性スラリーは、それぞれ異なる摩耗パターンを残すため、その破損形態から、次のリングで何を変更すべきかがわかります。.
装着リングの定義と位置
摩耗リングとは、渦巻きケーシングの吸込側に圧入、ねじ込み、またはピン留めされる薄い円筒形のインサートであり、インペラのアイと同心上に配置されます。 その内径とインペラハブの外径との間に、通常は直径で数十分の1ミリメートル程度の環状の隙間が形成され、吐出側からの吸込側への漏れを抑制する。 より大型または高出力のポンプでは、2つ目のリングがインペラハブ自体に取り付けられ、摩耗面が「リング対インペラ」ではなく「リング対リング」となるようにしています。.
このリングは、意図的にインペラよりも柔らかい素材、あるいはインペラと摩耗特性が一致するように設計されており、摩耗や瞬間的な摩擦が生じた場合でも、鋳物ではなくリングが摩耗するように作られています。 一般的な組み合わせとしては、青銅とステンレス、硬度差を設けた焼入れ処理済みの400系ステンレス同士、あるいは軽負荷の水処理用途におけるエンジニアリングポリマーなどが挙げられます。重要なのは交換のしやすさです。摩耗したリングは在庫品で入手可能ですが、摩耗したケーシングの内径は溶接と機械加工による修理が必要となります。.
わずかなクリアランスがポンプの性能にどのような影響を与えるのか
遠心ポンプは、インペラを通じて流体を加速させることで揚程を生み出します。吐出側と吸込側の間の圧力差こそが、摩耗リングの隙間を通って逆方向に漏れ生じる原因となっています。この漏れは寄生流であり、そこにエネルギーが加えられた後、吸込口に戻って再びポンプで送られることになります。.
水力ロスは3つの側面を持つ。. 容量の低下 最も顕著な現象は、インペラの出力の一部が内部で再循環しているため、ノズルからの吐出流量が低下することです。. 効率の低下 漏れ流に依然として軸出力が費やされているため、これは当然の結果である。.
NPSHrが上昇する 再循環流体は高温かつ乱流状態で吸込口に到達するため、ポンプが以前は問題なく処理できていた流量でもキャビテーションが発生しやすくなるからです。KSB社は、クリアランスの拡大が、設置済みの遠心ポンプにおける能力および効率の低下を引き起こす主な「目に見えない原因」の一つであると指摘しています（KSB：なぜ摩耗リングのクリアランスが重要なのか).
環状隙間からの漏れは、層流領域では半径方向のクリアランスの3乗に比例し、乱流領域では隙間の1.5乗にほぼ比例する。 実用上の教訓として、クリアランスが2倍になっても漏れは「2倍」になるわけではなく、実際には数倍に増加するため、ポンプ特性曲線はオペレーターが予想するよりも急速に劣化してしまうのである。.
ケーシングリング、インペラリング、および交換可能な設計
すべての遠心ポンプが同じ摩耗リングの構成を採用しているわけではありません。その選択は、ポンプのエネルギーレベル、移送流体、および現場でクリアランスを回復させる必要性の高さによって決まります。.
設定 | 取り付け箇所 | 指定された場合 | フィールドの復元 |
|---|---|---|---|
ケーシングリングのみ | 固定式、渦巻き形吸込口 | 小型エンドサクション式水ポンプ、低負荷用 | リングを交換してください。インペラのハブに薄削り加工が必要になる場合があります。 |
インペラーリングのみ | インペラのアイハブ上で回転する | 一部の垂直軸タービンおよびスプリットケース型 | インペラを取り外し、リングを交換する |
ケーシング＋インペラリング一組 | 両方の表面 | API 610 プロセスポンプ、HSCポンプ、高エネルギー用途 | 両方のリングを交換すれば、鋳物を機械加工することなくクリアランスを回復できます。 |
交換可能なリングなし | インペラに対するダイレクトキャスティングボア | 汚水ポンプ（一部はシールレス構造のもの） | 寿命終了時にケーシング全体またはインペラを廃棄する |
Xylem社のBell & Gossett HSC仕様書では、水平分割ケーシングポンプについて、主要な鋳造部品を交換することなくクリアランスを回復できるよう、ケーシングおよびインペラの摩耗リングに再生材の使用を明示的に規定しています（Xylem B&G e-HSC 仕様）。調達にあたっては、データシート上でこの項目を確認しておく価値があります。交換可能なリングを備えていないポンプは、内部のクリアランスが広がると、経済的寿命が大幅に短くなってしまいます。.
材料の組み合わせとかじり
摩耗リングの設計において、材料の選定は意外と難しい課題となります。 硬度がほぼ同じ2つのステンレス表面が、潤滑性の低い流体中で摩擦すると、ガリング現象が発生します。つまり、金属が転移し、隙間が一時的に閉じたかと思うと、再び裂けてしまうのです。ポンプの他の部分が316ステンレス製であるという理由だけで、316ステンレス製のインペラに「316ステンレス製摩耗リング」を指定してしまうのは、調達におけるよくある間違いです。.
その結果、最初のドライスタート時に硬度が一致した状態でのガリングが発生します。この問題を解決するには、少なくとも50ブリネルの硬度差を設けるか、リング表面に硬質コーティングを施すか、あるいはニトロニックや青銅などの異なる合金製のリングを1つ使用する必要があります。.
摩耗リングのクリアランス過大による症状
ポンプのリングの摩耗は、ほとんど前兆が見られません。その兆候は徐々に現れるため、他の原因によるものと誤解されがちです。.
- 同じ吐出圧力における吐出流量は、数か月にわたって徐々に減少していく。.
- デューティ比は変わっていないにもかかわらず、モーターの電流がわずかに低下しています。これは、ポンプが移動させる正味流体量が減少したため、ポンプの作業量が減っているからです。.
- ポンプは特性曲線のより後方の領域で運転されるため、再循環による振動を引き起こす可能性があります。.
- NPSH余裕度が縮小し、以前は問題なく処理できていた流量でもポンプでキャビテーションが発生し始める。.
- 遮断時のポンプ両端の差圧は変化しない――遮断揚程はリングクリアランスに対してあまり敏感ではないため、バルブを閉じた状態での試験はオペレーターを誤解させかねない。.
この最後の点が、トラブルシューティングに多くの時間を費やす原因となっています。技術者はデッドヘッド試験を行い、シャットオフヘッドが正常であることを確認すると、ポンプに問題がないと判断してしまいます。しかし、定格流量での容量試験を行うことで、リングの摩耗が明らかになるのです。.
摩耗リングが劣化するのはなぜですか
リングの摩耗にはいくつかの異なるメカニズムがあり、リング上の摩耗パターンはその原因を特定する手がかりとなります。.
摩耗。. 浮遊物質（砂、スケール、試運転時に残った溶接スラグなど）がリング表面を摩耗させます。この摩耗は円周方向に均一に生じ、内径は同心円状に拡大していきます。.
腐食。. 塩化物、低pHのプロセス水、あるいは異種金属間のガルバニック作用により、リングにピットが生じます。内径は拡大するのではなく粗くなるだけですが、粗い隙間を通る乱流は滑らかな隙間を通る乱流よりも大きいため、漏れは依然として増加します。.
かじりおよび摩擦による接触。. 熱的乱れ、軸受の摩耗、軸のたわみ、あるいは最適効率点から大きく外れた状態での運転により、インペラがリングに接触することがあります。損傷は局所的なもので、多くの場合、片側に擦り跡のようなアーク状の痕が残り、事後のクリアランスはもはや同心ではなくなります。.
キャビテーションによる損傷。. ポンプがNPSH不足の状態で運転されると、吸込口付近で気泡が崩壊し、リング面にピットが生じます。その特徴として、スポンジ状でクレーター状の表面が見られ、通常はケーシングリングで最も損傷がひどくなります。.
空運転および起動時の摩耗。. 短い時間のプライミングなしの運転、あるいはシールフラッシュが確立される前の起動は、数ヶ月間の通常の稼働よりも、わずか数秒で摩耗リングの寿命を大幅に縮めてしまう可能性があります。.
点検および交換の判断
検査は測定作業であり、単なる目視検査ではありません。直径方向のクリアランスとは、ケーシングリングの内径とインペラハブ（またはインペラリング）の外径との差を指し、楕円度を検出するために複数の時計位置で測定されます。.
測定方法
ケーシングリングの内径には内径マイクロメーターを、嵌合するインペラの表面には外径マイクロメーターを使用し、いずれも0°、90°、およびその中間位置の3箇所で測定を行います。 直径方向のクリアランスを算出し、ポンプの断面図に記載されているOEM公表の新品時のクリアランス値と比較する。多くのメーカーは、交換の基準値を新品時のクリアランスの倍数として公表している。KSB社は、省エネ運転における一般的な交換の目安として、クリアランスの2倍を基準としている（KSBのクリアランスに関する指針).
正確な比率は、ポンプのエネルギーレベルや効率低下のコストによって異なるため、一般的なルールを適用するのではなく、各製品の取扱説明書を参照してください。.
交換のタイミング
測定されたクリアランス、摩耗パターン、または水圧試験データがすべて同じ傾向を示している場合は、交換が妥当です。 よくある取り付け上のミスは、インペラリングも摩耗しているにもかかわらず、ケーシングリングのみを交換してしまうことです。この場合、新しいクリアランスは理論上は適切に見えますが、インペラの表面がすでに規定寸法を下回っているため、数週間以内に再びクリアランスが生じてしまいます。必ずペアの両方を測定し、いずれか一方でも材料が摩耗している場合は、両方とも交換してください。.
圧入は取り付け時に重要です。干渉を確認せずに冷間状態でリングを打ち込むと、内径が歪み、取り付け当初から真円度から外れたクリアランスが生じる可能性があります。取扱説明書に従って熱収縮による取り付けを行うか、制御された油圧プレスによる圧入を行うことが、長持ちさせるための正しい方法です。.
よくある質問
効率を高めるために、OEM仕様よりもクリアランスを狭くしてもいいですか？
仕様よりもクリアランスを狭くすると、熱過渡現象、軸のたわみ、および起動時に摩擦が生じやすくなります。効率の向上はわずかである一方、インペラを破壊するガリング現象が発生するリスクは現実的なものです。メーカーがお客様の使用条件向けに高効率仕様を承認していない限り、OEMのクリアランスを維持してください。.
縦型タービンポンプや水中ポンプには、リングは存在しますか？
はい。ボウル型立型ポンプでは、各インペラとボウルの間に段ごとに摩耗リングが使用されています。井戸水を汲み上げる際、その摩耗は多くの場合、砂による摩耗が主な原因となります。そのため、摩耗リングの交換はケーシング単位ではなく、段ごとの交換スケジュールに基づいて行われます。.
摩耗リングは、スロートブッシュやバランスドラムと同じものですか？
いいえ。スロートブッシュはスタッフィングボックス部に設置され、シール側への漏れを制御します。一方、バランスドラムは多段ポンプにおける軸方向の推力を処理します。これら3つはいずれもクリアランス制御部品ですが、ウェアリングは特に、インペラのアイと吸込口との間の前側漏れ経路を制御するものです。.
リングは、交換する代わりにコーティングや再加工を行うことはできますか？
超硬合金スプレーコーティング、酸化クロム、およびレーザークラッディングは、いずれもリング表面の修復や硬化に用いられ、特に大型のポンプやリードタイムの長いポンプで採用されています。リングが高価である場合や生産終了品である場合はコーティングが経済的に有利ですが、市販のリングが在庫として確保されている場合は交換が適しています。.
BEPから大きく外れた状態で運転すると、摩耗リングにどのような影響がありますか？
低流量での連続運転は、インペラのアイ部における吸込再循環や圧力脈動を引き起こし、これにより摩耗リング表面のキャビテーションによるピット形成が加速されます。一方、高流量での運転は軸方向の荷重を増加させ、インペラをケーシングリングに対して軸方向に押しやる可能性があります。いずれの運転条件も、最適効率点付近での運転と比較して、リングの寿命を縮めることになります。.
結論
摩耗リングは、遠心ポンプにおいて意図的に弱点として設計された部分です。これは、薄型の交換可能なクリアランス制御部品であり、インペラやケーシングの代わりに摩耗を受けることで、これらを保護する役割を果たします。一度クリアランスが広がってしまうと、外部に何らかの兆候が現れるはるか以前に、内部再循環によって吐出量、効率、およびNPSHマージンが低下してしまいます。 これを計画的なメンテナンス項目として扱い、直径方向のクリアランスを監視し、硬度差を考慮して材質を合わせ、ケーシングリングとインペラリングはセットで交換してください。.
調達時に再生可能なリングを指定すれば、ポンプは1回の摩耗サイクルで使い捨てになるのではなく、数十年にわたって修復可能な状態を維持できます。.