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씰 재료메탈링/메탈씰 - 메탈링/메탈씰 적용/설치 가이드라인, METAL SEAL INSTALLATION DESIGN
메탈링(메탈씰)은 일반 고무 오링으로 부적합한 극저온-초고온, 극진공-초고압, 가스 등의 고도의 밀봉성능을 요하는 환경과 내부식성 및 내방사능성 등의 특수 환경과 장기간의 수명을 요하는 환경에 적합하여 다양한 산업계에서 사용 중입니다.
메탈링 특성 및 특장점- 사용 온도: 극저온(cryogenic) - 초고온(1200℃)[재질에 따름]
- 사용 압력: 초진공(ultra high vacuum) - 초고압( Mpa)[재질에 따름]
- 기밀성 : 10×E-13 Std cc/sec [실 타입, 코팅 및 온도 등에 따름]
- 내화학성 : 고무 탄성체에 비해 내화학성, 내부식성이 탁월함.
- 수명: 반 영구적 특성을 가짐
- 단점:
- 하드웨어의 가공 정밀도, 표면 처리 품질에 민감함.
- 대부분 1회 사용에 한하며 고정용에 한함
- 고가임
메탈링 형상 -
- CI
CE - Metal C-ring Internal (CI) or External (CE) Pressure Face Seal
- 고압 적합, 낮은 체결력 필요
-
- CA
- Metal C-ring, Radial Seal for Axial Pressure
- 레이디얼 방향 밀봉용으로서 로드(rod)와 보어(bore) 간 간극의 정밀한 관리 필요로 함.
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- CSI
CSE - Spring Energised Metal C-ring, CSE Internal (CSI) or External (CSE) Pressure Face Seal
- 저압 밀폐성과 스프링백 특성이 우수하며,고압에 적합함. 높은 체결력을 요함.
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- CSA
- Spring Energised Metal C-ring, Radial Seal for Axial Pressure
- CSI,CSA와 같이 스프링 에너자이드 씰로서, 레이디얼 방향 밀봉용으로서 로드(rod)와 보어(bore) 간 간극의 정밀한 관리 필요로 함.
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- OI
OE - Metal 0-ring Internal (OI) or OE External (OE) Pressure Face Seal
- 중저압 적합, 중간 체결력, 오링 내부로 매체 침입이 없음.
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- OVI
OVE - Metal O-ring internally (OVI) or externally (OVE) vented Face Seal
- 링의 내부로 매체 압력이 전달되어 OVI, OVE 대비 고압력 적합.
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- OGI
OGE - Metal O-ring gas energized, Radial Seal for Axial Pressure
- 링의 내부에 가스가 차있어 고온 시 가스압에 의한 압축력 효과를 가짐. 중압용.
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- WI
WE - Metal Wire-ring externally (WE) or internally (WI) Face Seal
- 금속 선재 가공, 스프링 백이 매우 적고 높은 체결력을 요함. 소성변형을 크게하여 기밀성 확보 가능. 경제적임.
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- EI
EE - Metal E-ring Internal (EI) or OE External (EE) Pressure Face Seal
- 저압 적합, 낮은 체결력과 큰 스프링 백.
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- UI
UE - Metal U-ring internally (UI) or OVE externally (UE) Face Seal
- 고온 고압에 적합, 낮은 체결력과 큰 스프링백.
※ 대부분의 메이커들은 타입별로 3 종 정도의 자켓 두께를 제공하며, 자켓 두께가 증가할수록 장착 하중의 증가에 따라 밀폐력,내압 성능이 증대됩니다.
※에너자이징 스프링(energizing spring)은 탄성을 보강하고 증가된 탄성은 밀폐력을 증가하며, 거친 표면 조도와 고온, 고압 등에 의한 하드웨어 변형에 대한 적응성을 강화해 줍니다.
메탈링 재질 | Material | Temperature range | Preferred seal type | Optional seal type |
|---|---|---|---|
| SS321 | Cryogenic to 371 ℃ (700 °F) | O-ring | |
| Alloy 718 | Cryogenic to 537 ℃ (1200 °F) | C-ring / E-ring / U-ring | O-ring, SEC-ring |
| Alloy 750 | Cryogenic to 593 ℃ (1100 °F) | Spring Energized C-ring | C-ring, O-ring, E-ring, U-ring |
| Aluminum Alloy 1100 | Cryogenic to 649 ℃ (1200 °F) | Wire-ring | |
| Nickel | Cryogenic to 1204 ℃ (2200 °F) | Wire-ring |
* Nace approved: Spring Energized C-ring X718/X718, X750/X718 (Jacket/Spring)
메탈링 코팅 | Material | Thickness (mm) | Temperature | Load capacity | Groove finish |
|---|---|---|---|---|
| PTFE | 0.025/0.075 [0.001/0.003"] | Cryogenic to 260 ℃ (500 °F) | 803 kgf/cm² | 0.4 to 0.8 Ra(16-32 RMS) |
| Silver | 0.025/0.050 [0.001/0.002"] | Cryogenic to 260 ℃ (500 °F) | not limited | 0.4 to 1.6 Ra(16-63 RMS) |
| Gold | 0.025/0.050 [0.001/0.003"] | Cryogenic to 800 ℃ (1470 °F) | not limited | 0.4 to 1.6 Ra(16-63 RMS) |
| Nickel | 0.025/0.075 [0.001/0.003"] | Cryogenic to 1204 ℃ (2200 °F) | not limited | 0.4 to 1.6 Ra(16-63 RMS) |
| None | - | - | - | < 0.8 Ra(32 RMS) |
메탈링 성능 하중-변위 특성(load-deformation curve)
메탈 와이어링을 제외한 모든 메탈링(메탈씰)은 장착 시 소성 변형(plastic deformation)과 탄성 변형(elastic deformation) 됩니다.
[※와이어링은 소성 변형만 발생]
각각의 변형이 씰의 밀폐기능에 기여하는 바는,
◆ 소성 변형: 씰과 하드웨어 간의 접촉 면적을 늘리고 하드웨어 면의 표면 상의 미세한 굴곡(표면 조도)과 가공 마크(tool mark)를 메꾸어 줍니다. 또한 압축량이 증가할수록 압축력의 증가가 누그러지므로 그루브 높이의 공차 관리에 여유를 줄 수 있습니다. 표면에 연한 재질 또는 코팅처리는 이러한 소성 변형의 잇점을 활용할 수 있는 효과적 수단들입니다.
◆ 탄성 변형: 탄성 변형은 탄성 회복(elastic recovery) 또는 스프링 백(springback)을 발생하는 요인으로서 열 싸이클(thermal cycle)이나 플랜지 회전(flange rotation), 시스템 압력의 증가 또는 크리프(creep)등에 의해 그루부 높이가 증가하여 압축량이 줄어들 경우 밀봉 성능을 유지토록 해 줍니다.
※ 작동 높이(장착 높이)(installation height): 링의 장착된 상태에서의 하중으로서 그루브 높이와 동일합니다.
※ 스프링 백(spring back): 최대 압축 시의 링의 단면 높이(장착 높이 즉 그루부 높이에 해당)와 압축력이 완전히 해재된 상태에서의 링의 높이 간의 차이로서 눌렸다 다시 탄성이 회복된 단면의 높이를 의미합니다.
※ 유효 스프링 백 (effective spring back): 장착 높이 시의 하중 대비 20-25% 수준의 하중에 해당하는 스프링 백의 량을 의미합니다. 대개 하중이 이 이하로 내려가면 밀폐 성능을 발휘할 수 없다고 봅니다.
Y0 : 누설량이 최대 요구 누설량 이하가 되는 하중점
Y2 : 최적 압축량에 이르기 위한 하중
Y1 : 압축을 해제 시, 누설량이 최대 요구 수준 이상이 되는 하중점( 보통 Y2의 20-25% 수준/Parker)
e2 : 최적 압축량
ec : 링의 파손을 유발하는 압축량
다음 그림은 메탈링(메탈씰)의 단면 형상 별 하중 특성의 한 예입니다.
압축 하중의 크기는,
Wire>Spring energized C-ring>O-ring>C-ring>E-ring의 순서로 큽니다.
누설율(leak-rate)
메탈링(메탈씰)의 밀폐율(누설율의 반대)은 일반 고무 오링이나 테프론 씰에 비해 탁월하게 높습니다. 따라서 초고진공 환경이나 초고압에서 우수한 성능을 보입니다.
일반적으로 누설율 시험은 헬륨 가스를 사용하여 진행되며 헬륨 가스 실험 결과에 대하여 여타의 가스는 다음과 같은 비율을 곱하여 적용합니다.
산소:0.35 질소:0.37 수소:1.42 공기:0.35
(※수소의 경우 헬륨 분자보다 작으므로 누설이 더 큽니다.)
메탈링(메탈씰)의 단면 형상 별, 도금 및 가공 조건에 따른 누설율(leak rate)은 다음 표와 같습니다.
- Spring Energized Metal C-ring :
- Metal C-ring :
- Metal O-ring :
- Metal Wire ring :
- Metal U-ring :
- Metal E-ring :
- 1×E-13 to 1×E-2
- 1×E-12 to 1×E+0
- 1×E-11 to 1×E+1
- 1×E-11 to 1×E-6
- 1×E-4 to 1×E+3
- 1×E-4 to 1×E+3
동일한 형상의 단면이라도 링의 표면 가공 상태에 따라 밀폐성능(seal performance)은 차이가 크게 나타나는데 일반적으로,
밀폐성능은
Polishing+Plating > Plating > Polishing > Unpolished Bare seal의 수순으로 좋습니다.
Failure mode
피로(fatigue)는 메탈링(메탈씰)의 파손의 주요 원인입니다.
피로에 영향을 주는 하중은 압력 싸이클, 압력에 의한 그루브 깊이 변화로 인한 압축량 사이클이 결합된 것입니다.
하중 변화와 압축량 변화로 인한 피로에 대응하는 방법은 스프링 백의 증대와 단면 형상 및 열처리 등입니다다.
고온에서 스트레스를 받은 메탈 요소는 응력 이완(steress relaxation)이라는 영구 변형(permanent deformation)을 받게 됩니다. 크리프(creep)와 달리 응력 이완은 보통 100 시간 정도의 단기간에 진행하는 것이 특징입니다. 따라서 고온 작동하는 시스템에서는 응력 이완을 고려해 주어야 합니다. 응력 이완을 받은 메탈링(메탈씰)은 압축 하중과 스프링 백에 의한 밀폐 기능에 역 영향을 주게 됩니다. 응력 이완에 대해 형상, 재질 및 열처리 등의 대응 방법이 있습니다.
하드웨어 설계 표면 조도(surface roughness) 높은 압축력[ 단면형상, 두께 증가], 도금 등으로 거친 표면을 상쇄할 수 있으나 표와 같은 수준의 표면 조도가 지켜지는 것이 필요한 조치입니다. 더불어 무방향(random) 또는 방사방향(radial)의 가공 마크를 피하고 원형(circular)을 유지하도록 해주어야 합니다.
한편 권장 표면 조도 이하의 지나치게 메끄러운 표면은 밀폐성능을 저해할 수 있으므로 피해야 합니다. 표면 상의 미세한 굴곡이 메탈링(메탈씰)의 표면과 접촉하므로 밀폐력을 유지하기 위하여 적정한 수준의 굴곡이 필요하기 때문입니다.
- dynamic Axial:
- Vacuum:
- Helium Gas, Hydrogen Gas, Freon:
- Air , Nitrogen Gas, Argon, Natural Gas
- Fuel(aircraft and automotive)
- Water,Hydraulic Oil,Crude Oil,Sealants:
- Ra 0.1 - 0.2 μm
- Ra 0.2 - 0.4 μm
- Ra 0.2 - 0.4 μm
- Ra 0.4 - 0.8 μm
- Ra 0.4 - 0.8 μm
- Ra 0.4 - 1.6 μm
표면 경도(surface hardness)최소 35 Rc ( 운동용 시 60 Rc)
※ 압축압력이 35 N/mm 이상에서는 표면 경도의 영향이 더욱 큼.
표면 평면도(surface flatness)표와 같은 표면 평면도가 유지되도록 해야하며, 하드웨어 접촉 표면의 누적 평면도는 메탈링의 자유고(free height)의 4% 이내에서 관리해 주어야 합니다.
- C-ring
- O-ring
- E-ring
- U-ring
- Wire-ring
- S.E.C-ring
- 0.002"
- 0.001"
- 0.004"
- 0.002"
- 0.001"
- 0.003"
- 0.004"
- 0.002"
- 0.007"
- 0.004"
- 0.002"
- 0.005"
장착하중( installation load demanded) 
씰 장착용 볼트의 하중은 씰 압축 압력과 작동 중 발생하는 시스템 압력을 견딜 수 있도록 충분한 사이즈, 강도 및 수량을 고려해야 합니다.
특히 메탈 씰의 경우 일반 고무 오링이나 씰에 대비하여 훨씬 큰 압축압력을 요하므로 밀폐력과 내구성 확보에 매우 중요한 요소입니다. 따라서 볼트의 강성 뿐 아니라 플랜지 두께와 강도를 충분히 확보해 주어야 합니다.
