메탈오링 METAL O-RING

금속 재질인 메탈링(Metal Ring)은 탄성체재질로는 적용이 불가능한 극저온, 고온, 초고압, 가스 등의 고도의 밀봉 성능을 요하는 환경과 내부식성, 내화학성, 내방사능성 을 요구하는 특수환경과 장기간의 성능을 요구하는 환경에 사용 됩니다.

화학공업, 원자력, 반도체, 군수장비, 핵반응기, 자동차 엔진등에 적용됩니다.

종류로는 Metal O-Ring, Metal C-Ring, Metal E-Ring, Spring C-Ring, Boss Seal등이 있으며, Tube type, Wire type Stainless Steel 이나 고온의 합금을 재료로 제작됩니다.

Metal Ring은 금속튜브를 원형로 벤딩하여 이음매 부위를 정밀하게 용접한 형태의 가스켓입니다. 휘발성가스 및 진공 라인에 사용되며 밀봉성을 높이기 위해 표면에 불소수지 코팅 및 은도금 코팅처리를 할 수 있습니다.

금속재질인 Metallic seal은 탄성체 적용이 불가능한 극저온, 고온,초고압, 초내화학성이 요구되는 화학공업, 원자력, 반도체, 군수산업, 핵반응기, 자동차엔진등에 적용됩니다.

 

특징

① 주재료가 스텐레스강이므로 극저온에서 초고온(1200℃)까지 온도범위가 넓습니다. 

- 적용 재질에 따름

② 사용압력의 범위가 넓습니다 : 초고압과 초진공에서도 사용 가능합니다

- Alloy X-750 / 718 , 304SS / 321SS , Vented / non-Vented type

③ 채부력이 다른 금속가스켓에 비교하여 매우 적고 또 스페이스가 적어도 가능하므로  콤팩트한 설계를 할 수 있습니다

④ 내약품성이 좋습니다

⑤ 파형 이외의 특수형상도 제작이 가능합니다

⑥ 기밀성 높음 - seal type, 코팅 및 온도에 따름

⑦ Tube형태로 제작되어 링 내부는 공간으로 되어 있음.

형태의 특성상 다른 Metallic Gasket보다 복원력 및 반발 탄성이 뛰어나 밀폐성이 우수하고, 체결력을 적게 할 수있습니다. 따라서 진공장치 Cryostats, 액화가스용 압력용기, 고온하의 엔진부 고압의 압출기를 위시하여 원자력용 기기 우주개발이나 해양개발의 관련기기 등의 고정용 가스켓에 사용됩니다.

 

단점

① HARD WARE의 가공 정밀도, 표면처리품질에 민감함.

② 대부분 1회 고정용에 한함

③ 단가가 비쌈.

 

Metal Ring type

		Metal C-ring Internal (CI) or External (CE) Pressure Face Seal	고압 적합, 낮은 체결력 필요
		Metal C-ring, Radial Seal for Axial Pressure	레이디얼 방향 밀봉용으로서 로드(rod)와 보어(bore) 간 간극의 정밀한 관리 필요로 함.
		Spring Energised Metal C-ring, CSE Internal (CSI) or External (CSE) Pressure Face Seal	저압 밀폐성과 스프링백 특성이 우수하며,고압에 적합함. 높은 체결력을 요함. 에너자이징 스프링(energizing spring)은 탄성을 보강하고 증가된 탄성은 밀폐력을 증가하며, 거친 표면 과 고온, 고압 등에 의한 하드웨어 변형에 대한 적응성이 높음.
		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.
		Metal 0-ring Internal (OI) or OE External (OE) Pressure Face Seal	중저압 적합, 중간 체결력, 오링 내부로 매체 침입이 없음.
		Metal O-ring internally (OVI) or externally (OVE) vented Face Seal	링의 내부로 매체 압력이 전달되어 OVI, OVE 대비 고압력 적합.
		Metal O-ring gas energized, Radial Seal for Axial Pressure	링의 내부에 가스가 차있어 고온 시 가스압에 의한 압축력 효과를 가짐. 중압용.
		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.
		Metal E-ring Internal (EI) or OE External (EE) Pressure Face Seal	저압 적합, 낮은 체결력과 큰 스프링 백
		Metal U-ring internally (UI) or OVE externally (UE) Face Seal	고온 고압에 적합, 낮은 체결력과 큰 스프링백.

구조

Metal O-Ring은 플랜지 홈에 장착해서 힘을 가하고, 그 반발력으로 유체를 씰링합니다.

Tube의 종류에 의해 유체압력이 고압일 경우 오링의 유체측에 구멍을 뚫어 중공부로 유압을 유입시켜 밀폐력을 증가 시킵니다.

	Plain Type : NP 일반 범용타입으로 진공, 중저압용으로 사용 진공 7MPa(70kgf) temp. : -982℃
	Self Energizing Type : SE 고압용으로 시스템압력에 의해 밀폐력 증가함 7MPa(70kgf)-300MPa(3000kgf) temp. : -982℃
	Pressure Field Type : PF 600PSI(41bar)의 불활성 가스로 채움. 높은 온도에서 가스 압력은 튜브의 강도 손실과 특정 압력을 상쇄하기 위해 증가함. temp. :425-1093℃

링형 개스킷은 플랜지 볼트 내부와 파이프 보어 주변에 배치 및 설치됩니다. 볼트 구멍이 없으며 플랜지 위에 바로 놓을 수 있기 때문에 일반적으로 돌출면 플랜지에 사용됩니다. 구성 상 조인트를 분해하지 않고 설치할 수 있습니다

성능

▶ 하중변위특성(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

 

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 수단입니다.

 

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(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 높이간의 차이로서 눌렸다 다시 탄성이 회복된 단면의 높이를 의미합니다.

유효 스프링 백 (effective spring back): 장착 높이 시의 하중 대비 20-25% 수준의하중에 해당하는 스프링 백의 량을 의

                                               미합 니다. 대개 하중이 이 이하로 내려가면 밀 폐 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.

 

▶ 누설률(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	1×E-13 to 1×E-2
Metal C-ring	1×E-12 to 1×E+0
Metal O-ring	1×E-11 to 1×E+1
Metal Wire ring	1×E-11 to 1×E-6
Metal U-ring	1×E-4 to 1×E+3
Metal E-ring	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 seal순으로 좋습니다.

 

▶ Failure mode

피로 파괴(fatigue)

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 등입니다.

 

응력 이완(stress relaxation)

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

 

▶ 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.

 

▶ 한눈에 보는 메탈링 선택법

 

▶ 특정 및 표준 응용 분야를위한 표준 금속 씰

• ECI : MS-33649 유체 연결 용 보스 씰 : 보스 및 MS-33514 / 33656 피팅 엔드

• EEI : AS1895 플랜 지용 금속 E- 링

• EON : 항공 우주 표준 용 금속 O-Ring

 

주문 및 문의 ▼▼▼ 010-5483-8171 김치완 이사 , kcw4082@daum.net T : 055-382-8171, F : 055-382-8172, 업무중 애로사항도 문의주시면 성심껏 답변 드리겠습니다.