化学処理、石油精製、湿式冶金、新エネルギー電池材料製造など、多くの産業分野では、設備や配管が高温高圧下で強アルカリ媒体（例えば、濃度30%を超える水酸化ナトリウム（NaOH）や水酸化カリウム（KOH）など）を扱うことがよくあります。このような運転条件は、シーリングシステムにとって極めて厳しい課題となります。シールの不具合は、生産中断や材料漏洩につながるだけでなく、深刻な安全・環境事故を引き起こす可能性があります。そのため、高圧強アルカリ環境に適したシール要素を選択することは、高い精度と厳密さが求められる技術的判断です。
I. 運転条件の厳しさ：強アルカリと高圧の複合効果
シーリング要素を選択する最初のステップは、動作条件の破壊的な性質を完全に理解することです。
- 化学攻撃:強アルカリ（例：NaOH、KOH）は、ほとんどのポリマー材料に著しい化学的侵食を引き起こし、膨潤、軟化、強度低下、さらには劣化を引き起こします。この腐食作用は、濃度と温度の上昇とともに急激に増大します。
- 身体的圧力:高圧条件（通常10MPa / 100bar以上）では、シーリング材には非常に高い機械的強度、耐押し出し性、そして低い圧縮永久歪みが求められます。軟質材料は高圧下でシール隙間に容易に押し出され、永久的な損傷や漏れを引き起こす可能性があります。
- 熱の影響:プロセス温度または摩擦熱により、アルカリの化学的腐食速度が加速され、同時に材料の機械的特性も低下し、シール不良のリスクがさらに高まります。
- 相乗効果:強アルカリ腐食と機械的高圧の複合的な影響は、単一の要因による影響よりもはるかに大きくなります。材料は耐アルカリ性があっても耐圧性がない場合や、耐圧性があってもアルカリによってすぐに腐食してしまう場合があり、選択範囲が大幅に狭まります。
II. コアの選択：シール材に関する重要な考慮事項
現実的には、あらゆる強アルカリ高圧条件に適した「万能」な材料は存在しません。材料の選択は、媒体濃度、温度、圧力、動的／静的条件といった具体的なパラメータを総合的に判断して行う必要があります。以下は、いくつかの主流材料に関する客観的な分析です。
- パーフルオロエラストマー（FFKM）
- 利点:最高級の選択肢として広く認められています。濃酸、強アルカリ、有機溶剤など、極めて幅広い薬品に対して比類のない耐性を備えています。ほぼ完全にフッ素化された分子構造により、高い化学的不活性を備えています。また、優れた耐高温性（通常、280～300℃以上での連続使用が可能）と良好な機械特性を備えています。
- デメリット:非常に高価で、他のエラストマーの数十倍、あるいは数百倍も高価です。加工も困難です。純粋な強アルカリ用途には「過剰設計」となる可能性があり、費用対効果の分析が必要です。
- アプリケーションシナリオ:高温（150℃以上）、高圧、強アルカリと他の腐食性媒体の混合など、最も過酷な条件に耐えます。多くの重要な用途（例：原子炉メインシール、高温高圧バルブ）の第一候補です。
- ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）
- 利点:「プラスチックの王様」として知られるこの樹脂は、強アルカリを含むほぼ全ての化学薬品に対して不活性です。また、樹脂自体の耐熱性も優れており（-180℃～250℃）、充填剤の改質（ガラス繊維、グラファイト、青銅の添加など）により、機械的強度、耐摩耗性、耐クリープ性を大幅に向上させることができます。
- デメリット:PTFEはエラストマーではなく熱可塑性樹脂であり、コールドフロー（低温流動）を示します。つまり、継続的な圧力下では塑性変形を起こし、シール力が低下します。純粋なPTFEシールでは、この影響を補うために、プリロードや特殊な設計（Vリング、リップシールなど）が必要になることがよくあります。
- アプリケーションシナリオ:静的シール、または低速往復／回転する動的シール。ガスケット、パッキングリング、バルブシートによく使用されます。充填PTFE複合材料は、高圧アルカリポンプやバルブのシールによく使用されます。
- エチレンプロピレンジエンモノマー（EPDM）
- 利点:熱水、蒸気、希酸、希アルカリに対する耐性が非常に優れており、低コストです。特に水蒸気に対する耐性は抜群です。
- デメリット:油、石油系作動油、およびほとんどの炭化水素溶剤に対する耐性が非常に低い。耐熱温度は通常、FKMおよびFFKMよりも低く（一般的に150℃を超えない）、高温の高濃度アルカリでは長期耐久性が低下します。
- アプリケーションシナリオ:中低圧、中温（例：80～100℃未満）のアルカリ溶液、温水、蒸気システム用のシールです。費用対効果の高い選択肢ですが、運転中に油性媒体が存在しないようにする必要があります。
- フッ素エラストマー（FKM/Viton®）
- 注: これは細心の注意を要する選択です。標準的なFKMタイプは、高温の強アルカリに対する耐性が非常に低いです。強アルカリはFKM分子と脱フッ化水素反応を引き起こし、架橋構造を破壊し、硬化、脆化、ひび割れを引き起こします。
- 例外:耐アルカリ性に優れた特殊FKMグレード（GLT、GFLTタイプなど）があり、モノマーや硬化システムを調整することで耐アルカリ性を大幅に向上させることができます。ただし、選定前に材料サプライヤーから詳細な適合性データや試験報告書を入手し、検証を行うことが不可欠です。
- アプリケーションシナリオ:特定の温度および濃度範囲内でのアルカリのシールには、認定された特殊耐アルカリ性FKMグレードのみを使用してください。標準FKMが適切であると想定しないでください。
III. デザインと実践：素材を超えた選択
シールの成功は、材質だけでなくシステムエンジニアリングにも依存します。
- シールタイプ:
- 静的シール:Oリングと押し出し防止リングの組み合わせは、高圧用途によく用いられるソリューションです。押し出し防止リング（通常はPTFE、PEEK、またはその他の高強度材料で作られます）は、柔らかいエラストマーが隙間に押し出されるのを効果的に防ぎます。
- ダイナミックシール:「ガイドリング／ベアリングリング＋プライマリシール（例：PTFEベースまたはFFKMベースのスプリング式シール）」といった複合シールが必要になる場合があります。スプリング式シールは、摩耗や圧力変動を補正し、継続的かつ安定したシール力を提供します。
- 互換性チャートは慎重に使用してください:常に最新の信頼できる耐薬品性チャート（Greene Tweed、Parker、Simritなどの信頼できるシールメーカーが発行するものなど）を使用してください。これらのデータは多くの場合、実験室での静的浸漬試験に基づいており、実際の動的高圧条件とは異なる場合がありますのでご了承ください。
- プロトタイプテスト:重要な用途では、徹底した模擬運転試験の実施が不可欠です。管理された条件下でシール材の長期性能を検証することが、リスクを軽減する最も確実な方法です。
結論
強アルカリ高圧条件に適したシーリング要素の選択は、化学的適合性、機械的特性、および総コストのバランスをとる意思決定プロセスです。
- FFKM は優れたパフォーマンスを提供しますが、コストが最も高く、最も過酷な条件に適しています。
- 改質 PTFE 複合材料は、耐薬品性と耐押し出し性に優れており、高圧静的シールおよび低速動的シールの好ましい選択肢です。
- EPDM は、弱アルカリ性の条件では非常にコスト効率の高い選択肢となります。
- FKM は特殊な耐アルカリグレードで、厳密に検証されている必要があります。
実のところ、リスクのない選択などありません。最終的な決定は、詳細な運用分析、信頼できるサプライヤーのデータ、そして可能であれば実地試験による確認に基づいて行うべきです。安全で信頼性が高く、漏れのない運用こそが、シール選定における究極の目標です。
投稿日時: 2025年8月29日