特許 5718695 メカニカルシールの摩耗監視装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5718695

(24)【登録日】2015年3月27日

(45)【発行日】2015年5月13日

(54)【発明の名称】メカニカルシールの摩耗監視装置

(51)【国際特許分類】

   G01M 99/00 20110101AFI20150423BHJP

   F16J 15/00 20060101ALI20150423BHJP

   F16J 15/34 20060101ALI20150423BHJP

【ＦＩ】

   G01M99/00 A

   F16J15/00 E

   F16J15/34 K

【請求項の数】1

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-63682(P2011-63682)

(22)【出願日】2011年3月23日

(65)【公開番号】特開2012-197907(P2012-197907A)

(43)【公開日】2012年10月18日

【審査請求日】2014年1月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100093942

【弁理士】

【氏名又は名称】小杉 良二

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】星野 憲一

(72)【発明者】

【氏名】西山 紀久雄

(72)【発明者】

【氏名】加藤 弘之

(72)【発明者】

【氏名】高東 智佳子

【審査官】 高橋 亨

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１３８８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４２２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３５３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０９９８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３１８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２４０６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１６４２５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｆ１６Ｊ １５／００

Ｆ１６Ｊ １５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプの軸に沿って直列に配置された多段メカニカルシールの摩耗を監視する摩耗監視装置であって、
前記多段メカニカルシールは、第１段シール組立体と第２段シール組立体を備え、該第１段シール組立体および該第２段シール組立体をそれぞれ収容する第１シール室および第２シール室を備えたシールカートリッジに配置され、
該第１段シール組立体は、前記軸とともに回転する第１回転シールリングと、該第１回転シールリングに接する第１静止シールリングとにより第１摺接面を形成し、
該第２段シール組立体は、前記軸とともに回転する第２回転シールリングと、該第２回転シールリングに接する第２静止シールリングとにより第２摺接面を形成し、
前記第１シール室と前記第２シール室とを連通し、さらに前記第２シール室をポンプの外部に連通する第１流路と、
前記第２摺接面を通じて漏洩した液体をポンプの外部に排出する第２流路を備え、
前記第１流路に一定流量の液体を供給し、
前記軸と前記シールカートリッジとの間には、前記第１摺接面を通じて漏洩した液体を前記第２シール室に導くための隙間が形成されており、
前記第１流路を通じてポンプの外部に排出された液体中の摩耗粉の状態を測定する第１測定器と、
前記第２流路を通じてポンプの外部に排出された液体中の摩耗粉の状態を測定する第２測定器と、
前記第１測定器および前記第２測定器で得られた測定結果から前記第１段シール組立体および前記第２段シール組立体の各段の摩耗量を推定する処理装置を備えたことを特徴とする摩耗監視装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メカニカルシールの摩耗監視装置に関し、特にポンプに使用される多段メカニカルシールの摩耗を監視し、さらにメカニカルシールの残存寿命を予測する装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

液体を移送するポンプには、一般に、羽根車の回転によって昇圧された液体の漏洩を防止する軸封機構が備えられている。軸封機構の代表例であるメカニカルシールは、回転側に配置された回転シールリングと静止側に配置された静止シールリングとを互いに密接させることで、液体の漏洩を最小限にする。

【0003】

羽根車の回転に伴って、回転シールリングと静止シールリングとは互いに摺接されるため、これらシールリングは徐々に摩耗してゆく。シールリングが大きく摩耗すると、メカニカルシールのシール機能が低下して、許容量を超えた液体が漏洩してしまう。したがって、シールリングの摩耗を監視して、その寿命を予測し、シール機能が低下する前にシールリングを交換することが必要とされる。

【0004】

ポンプの種類によっては、ポンプ外部への液体の漏洩を厳しく制限することが要求されるものがある。例えば、原子力発電所の冷却水循環システムでは、原子炉を冷却するための一次冷却水用の循環ポンプが使用される。一次冷却水の漏洩は、原子炉や周囲環境に重大な影響を与えてしまうため、冷却水循環システムからの一次冷却水の漏洩は避けなければならない。したがって、この循環ポンプに使用されるメカニカルシールには、極めて高い信頼性が要求される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平４−１２８６４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、メカニカルシールに使用されるシールリングの摩耗を監視し、シールリングの寿命を予測することができるメカニカルシールの摩耗監視装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ポンプの軸に沿って直列に配置された多段メカニカルシールの摩耗を監視する摩耗監視装置であって、前記多段メカニカルシールは、第１段シール組立体と第２段シール組立体を備え、該第１段シール組立体および該第２段シール組立体をそれぞれ収容する第１シール室および第２シール室を備えたシールカートリッジに配置され、該第１段シール組立体は、前記軸とともに回転する第１回転シールリングと、該第１回転シールリングに接する第１静止シールリングとにより第１摺接面を形成し、該第２段シール組立体は、前記軸とともに回転する第２回転シールリングと、該第２回転シールリングに接する第２静止シールリングとにより第２摺接面を形成し、前記第１シール室と前記第２シール室とを連通し、さらに前記第２シール室をポンプの外部に連通する第１流路と、前記第２摺接面を通じて漏洩した液体をポンプの外部に排出する第２流路を備え、前記第１流路に一定流量の液体を供給し、前記軸と前記シールカートリッジとの間には、前記第１摺接面を通じて漏洩した液体を前記第２シール室に導くための隙間が形成されており、前記第１流路を通じてポンプの外部に排出された液体中の摩耗粉の状態を測定する第１測定器と、前記第２流路を通じてポンプの外部に排出された液体中の摩耗粉の状態を測定する第２測定器と、前記第１測定器および前記第２測定器で得られた測定結果から前記第１段シール組立体および前記第２段シール組立体の各段の摩耗量を推定する処理装置を備えたことを特徴とする。

【0008】

本発明の参考例は、多段メカニカルシールの段間の圧力差を調整するためのコントロールブリードオフ機構と、各段の回転シールリングと静止シールリングとの摺接面を通過した液体を排出するためのシール漏洩通路とを有する多段メカニカルシールの摩耗監視装置であって、前記コントロールブリードオフ機構から排出される液体中の摩耗粉の濃度を連続的に測定する濃度測定器と、前記濃度測定器によって測定された摩耗粉の濃度から、前記多段メカニカルシールの摩耗量を推定する処理装置とを備えたことを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記濃度測定器は、前記液体が通過するフローセルと、前記フローセルを流れる前記液体に光を照射する光源と、前記液体を通過した光の強度を検出する受光素子と、前記受光素子によって検出された光の強度から前記液体中の前記摩耗粉の濃度を決定する濃度分析器とを備えたことを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記処理装置は、前記摩耗粉の濃度を時間に関して積分することにより、前記摺接面の摩耗量を決定することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記処理装置は、決定された前記摩耗量と、予め設定された許容摩耗量とを比較することにより、前記回転シールリングおよび前記静止シールリングの残存寿命を推定することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記コントロールブリードオフ流路および前記シール漏洩通路に接続された粒度分布測定器をさらに備えたことを特徴とする。

【0009】

本発明の他の参考例は、多段メカニカルシールの段間の圧力差を調整するためのコントロールブリードオフ機構と、各段の回転シールリングと静止シールリングの摺接面を通過した液体を排出するためのシール漏洩通路とを有する多段メカニカルシールの摩耗監視装置であって、前記コントロールブリードオフ流路および前記シール漏洩通路に接続された粒度分布測定器を備えたことを特徴とする。

【0010】

上記参考例の好ましい態様は、前記粒度分布測定器は、液体を貯留するためのサンプルセルと、前記サンプルセル内の前記液体に光を照射する光源と、前記液体を通過した光の強度分布を検出する受光素子と、前記光の強度分布を分析して前記液体中の摩耗粉の粒度分布を測定する粒度分布分析器とを備えたことを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記粒度分布から、前記静止シールリングと前記回転シールリングとの摩耗割合を決定する処理装置をさらに備えたことを特徴とする。

【0011】

上記参考例の好ましい態様は、前記粒度分布分析器は、液体中の摩耗粉の体積を測定する機能をさらに有し、前記処理装置は、前記摩耗粉の体積の累積値を算出し、さらに前記摩耗割合と前記摩耗粉の体積の累積値とから、前記静止シールリングの摩耗量と前記回転シールリングの摩耗量を決定することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記処理装置は、前記回転シールリングの摩耗量と、予め設定された許容摩耗量とを比較することにより、前記回転シールリングの残存寿命を推定し、前記静止シールリングの摩耗量と、予め設定された許容摩耗量とを比較することにより、前記静止シールリングの残存寿命を推定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、メカニカルシールを通過した液体に含まれる摩耗粉の濃度または摩耗粉の体積に基づいて、シールリングの摩耗量を正確に推定することができる。さらに、推定摩耗量からシールリングの寿命を予測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】軸封機構を有するポンプの概略構成を示す断面図である。

【図2】２段タンデムメカニカルシールを示す断面図である。

【図3】図２に示す多段メカニカルシールの液体漏洩経路を示す図である。

【図4】図２に示すメカニカルシールの摩耗を監視する摩耗監視装置の一実施形態を示す図である。

【図5】原子炉の一次冷却水に含まれる鉄クラッド微粒子の粒度分布を示すグラフである。

【図6】粒度分布測定器と自動サンプラーとを組み合わせた例を示す図である。

【図7】コントロールブリードオフ流路に接続された連続分析システムと、シール漏洩通路に接続された第１のバッチ式分析システムと、連続分析システムに接続された第２のバッチ式分析システムとを備えた摩耗監視装置の例を示す図である。

【図8】第１段シール組立体の摺接面の摩耗の推移を示すグラフである。

【図9】回転シールリングと静止シールリングが摩耗する様子を説明する図である。

【図10】摩耗粉の濃度の累積値と摩耗量との関係を示すグラフである。

【図11】摩耗量［ｍｍ］と、摩耗粉濃度の累積値［ｇ］と、運転時間［ｈｏｕｒ］との関係を示すグラフである。

【図12】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、２段メカニカルシールの第１段シール組立体の摩耗測定結果を示す図である。

【図13】図１３（ａ）は、図８に示す初期摩耗段階での摩耗粉の粒度分布を示すグラフであり、図１３（ｂ）は、図８に示す安定摩耗段階での摩耗粉の粒度分布を示すグラフであり、図１３（ｃ）は、図８に示す末期摩耗段階での摩耗粉の粒度分布を示すグラフである。

【図14】図１４（ａ）は、原子力発電所の運転サイクルを示す図であり、図１４（ｂ）は、原子力発電所の運転時間と、メカニカルシールの推定摩耗量との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、軸封機構を有するポンプの概略構成を示す断面図である。図１に示すように、ポンプは、モータなどの駆動源に連結される軸１と、軸１に固定された羽根車２と、羽根車２を収容するケーシング３と、ケーシング３の開口部を覆うケーシングカバー５と、羽根車２によって昇圧された液体の漏洩を防止する軸封機構８とを備えている。羽根車２が回転することにより、液体はケーシング３の吸込口３ａから吸い込まれ、昇圧された液体は吐出口３ｂから吐き出される。

【0015】

図１に示すポンプの例としては、原子力発電所の一次冷却水の循環に使用されるポンプが挙げられる。このようなポンプは、内部圧力が高く、かつ液体の性質上、ポンプの外部に漏洩する液体をできるだけ少なく制限することが求められる。したがって、図１に示すポンプでは、軸封機構８として多段メカニカルシールが使用されている。多段メカニカルシールは、少なくとも２つのシールを備えており、万が一、１つのシールが故障しても、他のシールが軸封機能を維持できるように構成されている。

【0016】

軸封機構８は、第１段シール組立体１０と第２段シール組立体２０とを備えた２段タンデム型メカニカルシールである。第１段シール組立体１０は第２段シール組立体２０の上流側に配置され、第１段シール組立体１０と第２段シール組立体２０は、軸１に沿って直列に配置されている。第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０は、シールカートリッジ９内に収容されている。

【0017】

図１に示すメカニカルシール８は、第２段シール組立体２０に加わる負荷圧力Ｐ_Ｕが、第１段シール組立体１０に加わる負荷圧力Ｐ_Ｌの約２分の１となるように設計されている（すなわち、Ｐ_Ｕ≒０．５Ｐ_Ｌ）。万が一、第１段シール組立体１０または第２段シール組立体２０のいずれかが故障した場合にもシール機能が維持されるように、第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０のいずれもが全負荷圧力Ｐ_Ｌを封止できるように構成されている。図１に示すポンプでは、２段メカニカルシールが使用されているが、３段以上のメカニカルシールが使用されていてもよい。３段メカニカルシールの場合では、全負荷圧力の３分の１が各段に加わるように設計されるのが通常であるが、各段への負荷圧力の割り当てはこれに限られない。

【0018】

図２は、２段タンデムメカニカルシールを示す断面図である。このメカニカルシール８は、第１段シール組立体１０と、該第１段シール組立体１０の下流側に配置される第２段シール組立体２０と、これら第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０を収容するシールカートリッジ９とを備えている。第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０は、シールカートリッジ９に装着されており、第１段シール組立体１０、第２段シール組立体２０、およびシールカートリッジ９は全体として一体型カートリッジ構造を構成している。第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０は、シールカートリッジ９に形成されている第１シール室１５および第２シール室２５内にそれぞれ配置されている。

【0019】

第１段シール組立体１０は、軸１とともに回転する第１回転シールリング１１と、第１回転シールリング１１に接する第１静止シールリング１２と、第１静止シールリング１２に隣接して配置された第１バックアップリング１３と、第１バックアップリング１３を介して第１静止シールリング１２を第１回転シールリング１１に対して押し付ける第１ばね１４とを有している。同様に、第２段シール組立体２０は、軸１とともに回転する第２回転シールリング２１と、第２回転シールリング２１に接する第２静止シールリング２２と、第２静止シールリング２２に隣接して配置された第２バックアップリング２３と、第２バックアップリング２３を介して第２静止シールリング２２を第２回転シールリング２１に対して押し付ける第２ばね２４とを有している。

【0020】

回転シールリング１１，２１には、硬質材、例えば、セラミックなどが使用され、静止シールリング１２，２２には、軟質材、例えば、カーボングラファイトなどが使用される。バックアップリング１３，２３は、軟質材からなる静止シールリング１２，２２をばね１４，２４で均一に回転シールリング１１，２１に押し付けるために設けられている。なお、シールの種類によっては、回転シールリングに軟質材が使用され、静止シールリングに硬質材が使用されることもある。

【0021】

図３は、図２に示す多段メカニカルシールの液体漏洩経路を示す図である。図３に示すように、多段メカニカルシールには、２つの液体漏洩経路が存在する。図３の右側は、第１の液体漏洩経路を示している。第１の液体漏洩経路は、加圧液体の一部を意図的にポンプ外部に流出させるコントロールブリードオフ機構を通じた経路である。このコントロールブリードオフ機構は、メカニカルシール８の段間の圧力差を調整するために設けられている。２段メカニカルシール８においては、第１段シール組立体１０に加わる負荷圧力Ｐ_Ｌと第２段シール組立体２０に加わる負荷圧力Ｐ_Ｕとの関係がＰ_Ｕ≒０．５Ｐ_Ｌとなるように、段間の圧力差が調整される。

【0022】

図２に示すように、コントロールブリードオフ機構は、ポンプ１の外部に連通するコントロールブリードオフ流路３０と、第１シール室１５と第２シール室２５とを連通する第１段減圧セル３１と、第２シール室２５とコントロールブリードオフ流路３０とを連通する第２段減圧セル３２とを有している。

【0023】

第１シール室１５内の液体（全圧Ｐ_Ｌ）の一部は、第１段減圧セル３１を通じて第２シール室２５に流入し、さらに第２シール室２５内の液体（圧力Ｐ_Ｕ）のほぼ全量は第２段減圧セル３２を流れ、コントロールブリードオフ流路３０を通じてポンプ１の外部に流出する。コントロールブリードオフ流路３０を通じて漏洩する液体の流量Ｑｂを、以下、コントロールブリードオフ流量と呼ぶ。このコントロールブリードオフ流量Ｑｂは、第２段シール組立体２０の潤滑を維持し、かつ第２段シール組立体２０での発熱を除去するのに必要な流量とされる。例えば、沸騰水型原子炉用の主循環ポンプの場合、全負荷圧力Ｐ_Ｌは約７ＭＰａであり、コントロールブリードオフ流量Ｑｂは約３Ｌ／ｍｉｎである。

【0024】

図３の左側は、第２の液体漏洩経路を示している。この第２の液体漏洩経路は、第１段シール組立体１０の摺接面（すなわち、第１回転シールリング１１と第１静止シールリング１２との接触面）、および第２段シール組立体２０の摺接面（すなわち、第２回転シールリング２１と第２静止シールリング２２との接触面）を通じた漏洩経路である。液体は、第１段シール組立体１０の摺接面および第２段シール組立体２０の摺接面を通じてわずかに漏洩し、シール漏洩通路３５を通じてポンプ１の外部に排出される。このシール漏洩通路３５を流れる液体の流量を、以下、シール漏洩流量Ｑｓと呼ぶ。このシール漏洩流量Ｑｓは、ポンプ１の運転状態により０〜１．５Ｌ／ｍｉｎの範囲内で変化する。ポンプの定常運転時では、シール漏洩流量Ｑｓは数ｃｃ／ｍｉｎと少量である。

【0025】

図３から分かるように、第１段シール組立体１０の摺接面から第２シール室２５に漏洩した液体は、第１段減圧セル３１を通じて第２シール室２５に流入する液体（コントロールブリードオフ流）と合流する。さらに、第２シール室２５内の液体の一部は、第２段シール組立体２０の摺接面およびシール漏洩通路３５を通じてポンプ１の外部に排出され、残余は、第２段減圧セル３２およびコントロールブリードオフ流路３０を通じてポンプ１の外部に排出される。

【0026】

したがって、シール漏洩通路３５から外部に排出された液体には、第１段シール組立体１０の摺接面および第２段シール組立体２０の摺接面の両方で生じた摩耗粉が含まれる。一方、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体には、主として第１段シール組立体１０の摺接面で生じた摩耗粉が含まれる。したがって、シール漏洩通路３５から排出された液体と、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体の性状を分析することにより、第１段シール組立体１０の摺接面および第２段シール組立体２０の摺接面の摩耗状態を推定することができる。

【0027】

次に、メカニカルシールから排出される液体の性状に基づいてメカニカルシールの摺接面の摩耗を監視する摩耗監視装置について説明する。図４は、図２に示すメカニカルシールの摩耗を監視する摩耗監視装置の一実施形態を示す図である。摩耗監視装置は、コントロールブリードオフ流路３０に接続された連続分析システム４０と、シール漏洩通路３５に接続されたバッチ式分析システム６０と、連続分析システム４０とバッチ式分析システム６０とから得られる測定結果から、メカニカルシールの摩耗量を決定する処理装置７０とを備えている。

【0028】

連続分析システム４０は、コントロールブリードオフ流路３０から連続的に排出される液体中に混入する摩耗粉の濃度を測定する濃度測定システムである。一方、バッチ式分析システム６０は、シール漏洩通路３５から間欠的に排出される液体を回収して、その液体中に混入する摩耗粉の粒度分布を測定する粒度分布測定システムである。

【0029】

図４に示すように、連続分析システム４０は、導入ライン３７を介してコントロールブリードオフ流路３０に接続される濃度測定器４１を備えている。この濃度測定器４１は、液体が流れるフローセル４２と、フローセル４２を流れる液体に光を照射する光源４３と、液体を通過した光の強度を検出する受光素子４４と、受光素子４４によって検出された光の強度に基づいて液体中の摩耗粉の濃度を決定する濃度分析器４５とを備えている。このような光学式濃度測定器４１としては、紫外・可視吸光を利用する測定器、赤外吸光を利用する測定器、蛍光発光を利用する測定器、レーリー散乱を利用する測定器、ラマン散光を利用する測定器、屈折率を利用する測定器を使用することができる。

【0030】

濃度測定器４１の上流側にはフィルター５０が配置されており、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体は、フィルター５０を通じてフローセル４２に導入される。このフィルター５０は、液体に本来含まれる粒子を除去するために設けられている。例えば、原子炉の一次冷却水には、図５に示すように、粒径２μｍ〜１２μｍの鉄クラッド微粒子が含まれる。したがって、この場合は、フィルター５０は、粒径２μｍ以上の粒子を捕捉する機能を有することが好ましい。また、フィルター５０には、鉄を含有する粒子を捕捉するためのマグネットフィルターを組み込んでもよい。

【0031】

コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体は、フローセル４２内を流れる。フローセル４２には透明窓４６が設けられており、光源４３からの光ビームは、この透明窓４６を通じて液体に照射される。液体を通過した光の強度は、受光素子４４によって検出される。光の強度は、液体中に混入する摩耗粉の濃度に依存して変化する。すなわち、液体中の摩耗紛に光を当てると、光の一部は吸収され、または摩耗紛から光が発せられ、または光が散乱あるいは屈折する。結果として、摩耗粉の濃度によって光の強度が変化する。したがって、液体中の摩耗粉の濃度は、液体を通過した光の強度から推定することができる。

【0032】

濃度分析器４５は受光素子４４に接続されており、光の強度の検出信号は受光素子４４から濃度分析器４５に送られるようになっている。この濃度分析器４５には、液体中の摩耗粉の含有量と、液体を通過した光の強度との関係を示すテーブルまたは関係式が予め記憶されている。したがって、濃度分析器４５は、受光素子４４から送られてくる光の強度の検出値から、液体に含まれる摩耗粉の含有量を連続的に決定することができる。より具体的には、濃度分析器４５は、光の強度に基づいて、単位時間当たり（例えば、１時間当たり）の摩耗粉の濃度を算出する。例えば、摩耗粉の濃度は、１時間毎に排出される液体中に含まれる摩耗粉の質量［ｇ／ｈ］として定義される。

【0033】

摩耗粉濃度の測定に必要な液体の流量は、濃度測定器のタイプによって異なる。このため、フローセル４２を流れる液体の流量を調整するために、濃度測定器４１をバイパスするバイパスライン５１が設けられている。このバイパスライン５１は導入ライン３７から分岐しており、液体の一部がバイパスライン５１を通って濃度測定器４１をバイパスするようになっている。バイパスライン５１にはバイパス弁５２が設けられており、濃度測定器４１をバイパスする液体の流量は、バイパス弁５２によって調整される。したがって、フローセル４２を流れる液体の流量は、バイパス弁５２の開度によって調整することができる。

【0034】

バッチ式分析システム６０は、シール漏洩通路３５から間欠的に排出される液体中に混入する摩耗粉の体積と粒度分布とを測定する粒度分布測定器６１を備えている。この粒度分布測定器６１は、液体を貯留するためのサンプルセル６２と、サンプルセル６２内の液体に光を照射する光源６３と、液体を通過した光の強度分布を検出する受光素子６４と、受光素子６４によって検出された光の強度分布を分析して液体中の摩耗粉の体積および粒度分布を決定する粒度分布分析器６５と備えている。

【0035】

シール漏洩通路３５から排出された液体は、切換弁６８を通じてサンプルセル６２に導かれるようになっている。サンプルセル６２は移動可能となっており、液体が貯留されたサンプルセル６２は、光源６３と受光素子６４との間の測定位置に運ばれる。サンプルセル６２が上記測定位置にあるときは、シール漏洩通路３５から排出された液体は、切換弁６８を通じて貯留部７２に移送されるようになっている。

【0036】

粒度分布測定器６１は、液体に光を照射し、液体を通過した光を分析することにより、液体中の摩耗粉の粒度分布を測定する。粒度分布測定器６１は、液体サンプリングによるバッチ分析を行うので、液体に含まれる摩耗粉の体積と、その粒度分布とを測定することができる。このような光学式粒度分布測定器６１としては、レーザー光散乱回折法を利用する測定器や、動的光散乱を利用する測定器を使用することができる。

【0037】

シール漏洩通路３５から排出された液体は、第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０の両方で発生した摩耗粉を含んでいる。このため、バッチ式分析システム６０で得られた測定結果からは、第１段シール組立体１０または第２段シール組立体２０のどちらがより摩耗しているかを特定することができない。そこで、シール漏洩通路３５から排出された液体のみならず、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体もバッチ式分析システム６０によって分析される。

【0038】

バッチ式分析システム６０の粒度分布測定器６１は、連続分析システム４０を介してコントロールブリードオフ流路３０にも接続されている。具体的には、図４に示すように、コントロールブリードオフ流路３０からの液体は、濃度測定器４１を通過した後、切換弁５５の操作によってバッチ式分析システム６０に導入されるようになっている。この切換弁５５は、液体を貯留部５７またはバッチ式分析システム６０のいずれかに選択的に導くための弁である。

【0039】

バッチ式分析システム６０にはサンプルセル６７が設けられており、連続分析システム４０からの液体（すなわち、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体）は、このサンプルセル６７内に貯留される。サンプルセル６７は粒度分布測定器６１に運ばれ、ここで液体中の摩耗粉の粒度分布が測定される。サンプルセル６７が粒度分布測定器６１の測定位置にある間は、液体は切換弁５５を通じて貯留部５７に導かれるようになっている。

【0040】

図６は、粒度分布測定器６１と自動サンプラー７５とを組み合わせた例を示す図である。この例では、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体と、シール漏洩通路３５から排出された液体は、いずれも自動サンプラー７５に導入されるようになっている。この自動サンプラー７５は、液体を貯留する容器７６と、容器７６内の液体を攪拌し、さらに容器７６と粒度分布測定器６１のサンプルセル６２との間で液体を循環させる循環ポンプ７７と、容器７６内の液体の液面位置を検出する液面センサー７８を備えている。シール漏洩通路３５から排出される液体の流量は少ないので、液体が容器７６内に蓄積されたことが液面センサー７８により検知されるようになっている。

【0041】

シール漏洩通路３５から排出された液体は、切換弁６８を通じて容器７６に導かれる。一方、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体は、濃度測定器４１を通過し、さらに切換弁５５を通じて容器７６に導かれるようになっている。粒度分布測定器６１のサンプルセル６２と容器７６とは移送ライン８１および戻りライン８２で接続されている。容器７６内の液体は、移送ライン８１を通じてサンプルセル６２に移送され、サンプルセル６２内の液体は、戻りライン８２を通じて容器７６に戻される。容器７６には、容器７６内の液体を排出するためのドレイン７９が設けられている。

【0042】

２つの切換弁５５，６８を交互に操作することにより、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体、またはシール漏洩通路３５から排出された液体のいずれかが自動サンプラー７５の容器７６に導かれる。したがって、コントロールブリードオフ流路３０からの液体、およびシール漏洩通路３５からの液体の両方を粒度分布測定器６１で交互に分析することができる。

【0043】

図７は、コントロールブリードオフ流路３０に接続された連続分析システム４０と、シール漏洩通路３５に接続された第１のバッチ式分析システム６０Ａと、連続分析システム４０に接続された第２のバッチ式分析システム６０Ｂとを備えた摩耗監視装置の例を示す図である。連続分析システム４０の構成および配置は、上述の例と同じである。第１のバッチ式分析システム６０Ａおよび第２のバッチ式分析システム６０Ｂの基本的構成は、図６に示すバッチ式分析システム６０と同じである。

【0044】

この例では、図６に示す切換弁５５，６８および貯留部５７，７２に相当する要素は設けられていない。シール漏洩通路３５から排出された液体中の摩耗粉の体積および粒度分布は、第１のバッチ式分析システム６０Ａによって測定され、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体中の摩耗粉の体積および粒度分布は、第２のバッチ式分析システム６０Ｂによって測定される。

【0045】

次に、上述したメカニカルシール８の摩耗監視装置によるシール寿命の決定方法について説明する。図８は、第１段シール組立体１０の摺接面の摩耗の推移を示すグラフである。図８に示すグラフの縦軸は、液体中の摩耗粉濃度Ｃ［ｇ／ｈ］を表し、横軸はメカニカルシール（またはポンプ）の運転時間［hour］を表している。図８から分かるように、メカニカルシールの摩耗は、摩耗が比較的大きい初期摩耗段階と、摩耗が少ない安定摩耗段階と、摩耗が徐々に増加する末期摩耗段階とに分けられる。

【0046】

第１段シール組立体１０の摺接面で生じた摩耗粉のほとんどは、コントロールブリードオフ流路３０から液体とともに排出され、一方、第２段シール組立体２０の摺接面で生じた摩耗粉は、コントロールブリードオフ流路３０からは排出されない。したがって、連続分析システム４０によりコントロールブリードオフ流路３０からの液体を分析することにより、第１段シール組立体１０の摩耗量を推定することができる。

【0047】

図９は、回転シールリング１１と静止シールリング１２が摩耗する様子を説明する図である。図９に示すように、摺接面の摩耗量Ｗは、静止シールリング１２および回転シールリング１１のすり減った厚さ［ｍｍ］として定義される。第１段シール組立体１０の摩耗量Ｗは、摩耗粉の濃度Ｃ［ｇ／ｈ］を時間に関して積分して濃度Ｃの累積値Ｃｔ［ｇ］を求め、予め用意された累積値Ｃｔ［ｇ］と摩耗量［ｍｍ］との関係から決定することができる。

【0048】

図１０は、摩耗粉の濃度の累積値と摩耗量との関係を示すグラフである。図１０において、縦軸は、シールリングの摺接面の摩耗量［ｍｍ］を表し、横軸は、摩耗粉の濃度の累積値［ｇ］を表している。図１０に示すように、シールリングの摺接面の摩耗量は、摩耗粉の濃度の累積値に比例する。この摩耗量と摩耗粉の濃度の累積値との対応関係は、実測により予め取得することができる。シールリングの摺接面の摩耗量と摩耗粉の濃度の累積値との関係を示すテーブルまたは関係式は、処理装置７０に予め記憶されている。したがって、処理装置７０は、連続分析システム４０によって測定された単位時間当たりの摩耗粉濃度［ｇ／ｈ］を時間に関して積分して摩耗粉の濃度の累積値Ｃｔを求め、得られた累積値Ｃｔから第１段シール組立体１０の摺接面の摩耗量を推定することができる。

【0049】

図１１は、摩耗量［ｍｍ］と、摩耗粉濃度の累積値Ｃｔ［ｇ］と、運転時間ｔ［ｈｏｕｒ］との関係を示すグラフである。図１１のグラフにおいて、左側の縦軸はシールリングの摺接面の摩耗量を表し、右側の縦軸は摩耗粉濃度の累積値を表し、横軸はメカニカルシール（またはポンプ）の運転時間を表す。図１１から分かるように、運転時間ともに、摩耗粉濃度の累積値および摩耗量は増加する。したがって、得られた摩耗量から、回転シールリングおよび／または静止シールリングの寿命を決定することが可能である。すなわち、処理装置７０は、摩耗量が所定のしきい値（許容摩耗量）に達したときに、回転シールリングおよび／または静止シールリングがその寿命に達したと判断することができる。さらに、現在の摩耗量と、しきい値（許容摩耗量）との比較から、回転シールリングおよび／または静止シールリングの残存寿命を推定することも可能である。

【0050】

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、２段メカニカルシール８の第１段シール組立体１０の摩耗測定結果を示す図である。この２段メカニカルシールは、原子炉の一次冷却水の循環に使用されるポンプ内に設置されたものであり、ポンプの運転時間は約９０００時間であった。静止シールリングはカーボン製であり、回転シールリングはセラミック製であった。

【0051】

図１２（ｂ）に示すように、静止シールリングの算術平均粗さＲａは約２μｍであり、最大高さＲｙは約１２μｍであった。一方、回転シールリングの算術平均粗さＲａは約０．０３μｍであり、最大高さＲｙは約０．４μｍであった。この測定結果から、回転シールリングの摩耗量は、静止シールリングの摩耗量に比べてかなり少ないことが分かる。また、摩耗粉の粒径は、算術平均粗さＲａ以下と想定されるため、測定結果から、静止シールリングから発生する摩耗粉の粒径は２μｍ以下、回転シールリングから発生する摩耗粉の粒径は０．０３μｍ以下であることが分かる。

【0052】

図４に示すように、濃度測定器４１の上流側にはフィルター５０が設置されているので、粒径２μｍ以上の粒子はフィルター５０によって液体から除去される。したがって、濃度測定器４１で測定される粒子は、炉水に本来含まれていたものではなく、第１段シール組立体１０で発生した摩耗粉である。上述した実施形態では、摩耗粉の全成分の濃度を測定しているが、摩耗粉の特定の成分の濃度を測定するようにしてもよい。その場合は、回転シールリング１１の摩耗粉の濃度と、静止シールリング１２の摩耗粉の濃度を別々に測定することができる。

【0053】

図１３（ａ）は、図８に示す初期摩耗段階での摩耗粉の粒度分布を示すグラフであり、図１３（ｂ）は、図８に示す安定摩耗段階での摩耗粉の粒度分布を示すグラフであり、図１３（ｃ）は、図８に示す末期摩耗段階での摩耗粉の粒度分布を示すグラフである。図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）に示すグラフは、コントロールブリードオフ流路３０から排出される液体中の摩耗粉の粒度分布を測定した結果を示すグラフであり、縦軸は液体中の粒子の相対量（体積％）を表し、横軸は粒径を表している。

【0054】

上述したように、静止シールリングから発生する摩耗粉の粒径は２μｍ以下、回転シールリングから発生する摩耗粉の粒径は０．０３μｍ以下と想定される。すなわち、静止シールリングから発生する摩耗粉の粒径は、回転シールリングから発生する摩耗粉の粒径の約７０倍であり、両者の粒径には大きな差異がある。したがって、それぞれのピーク粒径は、図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）に示すように、粒度分布上に明確に現れる。

【0055】

図１３（ｂ）内の符号ｖ１は、静止シールリングから発生する摩耗粉のピーク粒径ｄ１での体積％を示し、符号ｖ２は、回転シールリングから発生する摩耗粉のピーク粒径ｄ２での体積％を示している。体積％ｖ１，ｖ２は、粒度分布測定器６１によって測定される。図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）から分かるように、初期摩耗段階、安定摩耗段階、および末期摩耗段階の各段階において、ピーク粒径ｄ１での体積％と、ピーク粒径ｄ２での体積％との比は、概ねｖ１：ｖ２である。したがって、処理装置７０は、測定された体積％ｖ１，ｖ２から、サンプル液採取時の静止シールリングと回転シールリングとの摩耗割合ｖ１：ｖ２を求めることができる。

【0056】

バッチ式分析システム６０は、上述したように、粒度分布のみならず、液体中に含まれる摩耗粉の体積も測定する。この液体中の摩耗粉の体積は、回転シールリングと静止シールリングの摺接面の摩耗量に概ね比例する。したがって、バッチ式分析システム６０によって測定された摩耗粉の体積から、シールリングの摺接面の摩耗量を推定することも可能である。

【0057】

粒度分布測定器６１は、液体中の摩耗粉の体積をサンプルセル単位で測定する。したがって、摩耗粉の体積の累積値から、静止シールリングと回転シールリングの摺接面の摩耗量を求めることができる。処理装置７０には、摩耗粉の体積と、摺接面の摩耗量との関係を示すテーブルまたは関係式が予め記憶されている。処理装置７０は、粒度分布測定器６１によって測定された摩耗粉の体積を積算して、摩耗粉の体積の累積値を求め、さらに、得られた累積値から、静止シールリングと回転シールリングの摺接面の摩耗量「ｍｍ」を決定する。

【0058】

シール漏洩通路３５から採取された液体には、第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０の両方の摺接面で発生した摩耗粉が含まれている。一方、コントロールブリードオフ流路３０から採取された液体には、第１段シール組立体１０の摺接面で発生した摩耗粉のみが含まれている。したがって、コントロールブリードオフ流路３０から排出された液体に含まれる摩耗粉の体積の累積値から、第１段シール組立体１０の摩耗量を推定することができる。

【0059】

さらに、第１段シール組立体１０の摩耗量と、静止シールリング１２と回転シールリング１１との摩耗割合ｖ１：ｖ２とから、各シールリングの摩耗量を算出することができる。具体的には、処理装置７０は、第１段シール組立体１０の静止シールリング１２の摩耗量および回転シールリング１１の摩耗量を次のようにして求める。
静止シールリングの摩耗量＝第１段シール組立体の摩耗量×ｖ１／（ｖ１＋ｖ２）
回転シールリングの摩耗量＝第１段シール組立体の摩耗量×ｖ２／（ｖ１＋ｖ２）

【0060】

処理装置７０は、さらに、得られた回転シールリング１１の摩耗量と所定のしきい値（すなわち、許容摩耗量）とを比較することにより、回転シールリング１１の残存寿命を推定するようになっている。同様に、処理装置７０は、得られた静止シールリング１２の摩耗量と所定のしきい値（すなわち、許容摩耗量）とを比較することにより、静止シールリング１２の残存寿命を推定するようになっている。

【0061】

第２段シール組立体２０の摩耗量は、第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０の全体摩耗量から、第１段シール組立体１０の摩耗量を差し引くことにより求められる。すなわち、バッチ式分析システム６０は、シール漏洩通路３５から排出された液体中に含まれる摩耗粉の体積を測定し、処理装置７０は、摩耗粉の体積の累積値を算出して全体摩耗量を決定し、さらに全体摩耗量から第１段シール組立体１０の摩耗量を差し引くことにより、第２段シール組立体２０の摩耗量を得る。

【0062】

第２段シール組立体２０においても、ピーク粒径ｄ１での体積％とピーク粒径ｄ２での体積％との比は、概ねｖ１：ｖ２と想定される。したがって、処理装置７０は、算出された第２段シール組立体２０の摩耗量と、静止シールリング２２と回転シールリング２１との摩耗割合ｖ１：ｖ２から、第２段シール組立体２０の回転シールリング２１の摩耗量と静止シールリング２２の摩耗量を算出することができる。

【0063】

このように、処理装置７０は、連続分析システム４０からの測定データにより第１段シール組立体１０の摩耗量をリアルタイムで求め、バッチ式分析システム６０からの測定データにより、第１段シール組立体１０および第２段シール組立体２０の静止シールリングの摩耗量および回転シールリングの摩耗量をバッチで求めることができる。なお、液体中に含まれる摩耗粉はサブミクロンサイズの粒子であるので、バッチ式分析システム６０による粒度分布の測定においては、ポリエチレングリコールなどのナノ粒子の凝集を防止する添加剤を液体に加えてもよい。

【0064】

次に、上述した摩耗監視装置を用いたシールリング交換時期の設定方法を説明する。図１４（ａ）は、原子力発電所の運転サイクルを示す図である。燃料寿命の観点から１運転サイクルは約１年に設定されている。そのため、循環ポンプに使用されるメカニカルシールは、少なくとも１年の連続運転が可能であるように設計されている。

【0065】

ポンプ運転においては、主として第１シール室１５内の圧力Ｐ_Ｌと第２シール室２５内の圧力Ｐ_Ｕ（図２参照）、及びシール漏洩通路３５から排出される液体の流量Ｑｓが監視される。従来では、これらＰ_Ｌ，Ｐ_Ｕ，Ｑｓのうち少なくとも１つが予め設定された値に達したときにポンプの運転が停止され、そして、メカニカルシールが分解、点検され、新たなシールリングに交換される。シールリングの摩耗量および摺接面は、メカニカルシールを分解するまで評価することができない。このため、たとえシールリングの状態が良好であっても、１サイクル毎にシールリングが交換される。

【0066】

本実施形態に係る摩耗監視装置は、シールリングの摩耗量を合理的に推定することができるため、図１４（ｂ）に示すように、推定摩耗量が許容摩耗量に対して十分少なければ、シールリングを交換することなく多サイクル運転が可能である。すなわち、ある運転サイクル終了時におけるシールリングの残存寿命Ｔｒが、次の運転サイクルの運転時間Ｔｃ以下の場合にのみシールリングを交換すればよい。このような運転管理により、シールリングの交換コストの低減、シールリング交換時の廃棄物の低減、さらにシールリング交換作業時の被爆線量の低減など様々な好ましい効果を得ることができる。

【0067】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0068】

１ 軸
２ 羽根車
３ ケーシング
８ 軸封機構（メカニカルシール）
９ シールカートリッジ
１０ 第１段シール組立体
２０ 第２段シール組立体
３０ コントロールブリードオフ流路
３５ シール漏洩通路
４０ 連続分析システム
４１ 濃度測定器
４２ フローセル
４３ 光源
４４ 受光素子
４５ 濃度分析器
６０ バッチ式分析システム
６１ 粒度分布測定器
６２ サンプルセル
６３ 光源
６４ 受光素子
６５ 粒度分布分析器
７０ 処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】