창립자와의 대화

기계식 씰 장수의 비밀을 공개합니다

산업 장비의 운전 시스템에서 기계식 씰은 무명의 영웅과 같다. 유체 운반 장비의 샤프트 끝을 조용히 보호하며, 매체의 누출을 방지하여 생산 안전성을 확보하고 마찰 손실을 줄여 에너지 효율을 향상시킨다. 겉보기에 작아 보이는 이 부품은 화학 공정, 에너지, 수처리 등 핵심 산업 분야의 안정적인 가동에 직접적으로 연결되어 있으며, 그 기술 수준은 설비 제조의 정밀도와 고도화 수준을 나타내는 주요 지표로 간주된다.

장쑤성 골든이글 플루이드 머신리 코리포레이션의 설립자인 탕한취안 씨는 1976년 이래로 50년 동안 이 분야에 헌신해 왔습니다. 수십 년 간의 끈질긴 노력 끝에, 그는 국내 기계식 씰이 모방에서 독자적인 혁신으로 발전하는 전 과정을 직접 목격하였습니다. 오늘날 우리는 동 회장을 초청하여 기계식 씰의 기본 원리부터 실무 경험까지 그 효과성에 대해 살펴보고, 이 핵심 부품의 '장수 비결'을 밝혀보고자 합니다.

기자 : 동 회장님, 기계식 씰 산업에서 50년이라는 긴 세월을 보내오셨는데요, 이 산업의 발전과 변화를 직접 지켜보셨습니다. 기초부터 시작해서 액체 매체에서 작동할 때 기계식 씰의 수명을 연장하는 데 가장 중요한 요소는 무엇입니까?

동 회장 : 궁극적으로는 액체 필름의 유지 여부에 달려 있습니다. 기계식 씰의 동적 및 정지 링 마찰면 사이에는 매체에 의해 형성된 액체 필름이 핵심적인 윤활을 제공합니다. 이 필름은 보호층 역할을 하는데, 만약 이 필름이 없거나 불안정해진다면 씰은 금방 고장납니다. 골든이글(Golden Eagle)은 설계 및 생산 과정 전반에 걸쳐 액체 필름의 안정성을 핵심 지표로 삼고 있습니다.

기자 : 이러한 마찰면 사이의 윤활 상태는 어떻게 구분되며, 각각 씰 수명에 어떤 영향을 미칠까요?

동 회장 : 당사의 실무 경험과 연구에 따르면, 주요한 상태는 네 가지입니다:

건조 마찰 : 가장 나쁜 상황으로, 마찰면에 액체가 전혀 유입되지 않고 먼지와 산화층만 남아 있는 상태입니다. 이로 인해 즉각적인 발열과 마모가 발생하며 빠르게 누유가 일어납니다. 제 경력 초기에는 부적절한 설치로 인해 건조 마찰이 발생하여 큰 손실을 겪은 사례를 많이 접했습니다.

경계 윤활 : 이론적으로, 밀봉면은 결코 완전히 매끄럽지 않다. 평평해 보이는 표면에도 미세한 봉우리와 골짜기가 존재한다. 압력 하에서 밀봉 유체 또는 매체가 틈새로 유입되면, 이는 골짜기를 채우지만 봉우리는 채우지 못한다. 골짜기는 윤활의 혜택을 받지만, 봉우리는 직접적인 접촉과 마찰을 경험하여 적당한 마모와 열 발생을 초래한다.

 

반유체 윤활 : 이것이 이상적인 상태이다. 홈 가공을 통해 단면에 ‘거시적 딤플(거시적 오목부)’을 형성함으로써 얇지만 안정적인 액체 필름을 유지할 수 있다. 이를 통해 마찰 계수를 줄이고 효과적인 밀봉을 보장한다.

 

완전 유체 윤활 : 마찰이 전혀 없다는 점에서 이상적으로 보일 수 있으나, 지나치게 큰 간격으로 인해 누출이 발생하게 되어 오히려 바람직하지 못하다.

기자 : 따라서 반유체 윤활이 달성해야 할 이상적인 상태로 보인다. 이를 실현하기 위해 고려해야 할 요소들은 무엇인가?

동 회장 : 포괄적인 접근이 필수적입니다. 매체의 물성은 기본적인 요소인데, 예를 들어 점도가 높은 매체는 점도가 낮은 매체보다 액체막을 형성하기가 더 쉽습니다. 또한 압력, 온도 및 슬라이딩 속도 역시 중요한 요소입니다. 지나친 압력은 액체막을 파열시킬 수 있으며, 높은 온도는 매체를 기화시킬 수 있고, 높은 속도는 마찰열을 더욱 심화시킬 수 있습니다.

골든이글(Golden Eagle)은 고객 선정 과정에서 이러한 파라미터들에 대해 상세한 계산을 수행합니다. 또한 마감면 압력 조절, 윤활 구조 설계, 마찰면의 가공 정밀도 등의 요소들도 최적화되어야 합니다. 예를 들어 과거에는 표면 거칠기 Ra0.8 정도가 허용되었지만, 현재 당사는 정밀 연마 기술로 Ra0.02까지 달성하여 액체막 유지 성능을 크게 향상시켰습니다.

기자 : 윤활 구조에 대해 언급하셨는데, 골든이글이 이 분야의 개선에 상당한 기술 역량을 보유하고 있다는 소문을 들었습니다. 좀 더 자세히 설명해주실 수 있겠습니까?

동 회장 : 물론입니다. 구조 설계는 우리 회사의 핵심 역량 중 하나입니다.

이심 엔드면 : 동적 링 또는 정지 링의 중심을 축에서 약간 오프셋함으로써 회전 중 윤활제가 마찰면으로 끌어들여진다. 그러나 이심의 정도는 정밀해야 하며, 과도한 오프셋은 고압에서 불균일한 마모를 유발하고, 고속 운전 시 원심력에 의한 진동을 피하기 위해 신중한 설계가 필요하다. 우리는 초기에 화학 펌프 씰에서 이를 어려운 방법으로 배웠으며, 이후 유한 요소 해석을 통해 해결할 수 있었다.

엔드면 그루빙 : 고압, 고속 조건에서 그루빙은 마찰열로 인해 발생하는 액체 필름의 파손을 효과적으로 완화시킵니다. 그루브 배치는 매우 중요합니다. 외부 가압식 씰의 경우 이물질의 유입을 방지하기 위해 고정 링에 그루브를 설치해야 하며, 내부 가압식 씰의 경우에는 원심력이 이물질을 배출하므로 회전 링에 설치하는 것이 바람직합니다. 또한 그루브의 형태, 개수 및 깊이도 중요한데, 지나치게 많거나 깊으면 누유가 증가할 수 있습니다. 당사의 쐐기형 그루브는 기존의 직사각형 설계 대비 윤활 효율을 30% 향상시켰습니다.

 

유정압 윤활 : 이 방식은 독립된 유체 공급원(예: 유압 펌프)을 사용하여 압력을 받은 윤활제를 직접 마찰면에 공급함으로써 윤활과 매체 압력에 대한 저항을 동시에 제공합니다. 이러한 설계는 고압 반응 케틀에서 일반적으로 사용됩니다.

기자 : 기체 매체에서 작동하는 기계식 씰의 윤활 문제는 더욱 복잡한가요?

동 회장 : 실제로 이러한 조건들은 더 까다롭습니다. 이러한 상황에서는 윤활이 부족하거나, 열을 효과적으로 분산시키기 어려우며, 누출이 발생하기 쉬운 문제가 자주 나타나므로 안정적인 작동을 보장하기 위해 특수한 설계가 필요합니다. 우리는 일반적으로 마이크론 수준의 홈 패턴(예: 나선형 또는 T자형 홈)을 활용하는 드라이 가스 씰을 사용하여 유체역학적 효과를 발생시키고, 이를 통해 가스를 극도로 얇은 필름(약 3~5μm)으로 압축시켜 비접촉 방식의 작동을 구현합니다. 한 가스 압축기 제조업체의 리트로핏 프로젝트에서 이러한 접근 방식을 통해 씰 수명을 기존 3개월에서 18개월로 연장할 수 있었습니다.

기자 : 이러한 혁신 뒤에는 많은 시행착오가 있었습니까?

동 회장 : 물론입니다. 1980년대 정유소 펌프의 씰을 개발하면서 우리는 마감면에 홈을 파는 기술을 실험했습니다. 초기에는 홈이 너무 많으면 과도한 누수가 발생했고, 너무 적으면 건조 마찰이 생겼습니다. 최적의 조건을 찾기까지 20회 이상의 시험이 필요했습니다. 오늘날 젊은 엔지니어들은 컴퓨터 시뮬레이션의 도움을 받아 시행착오를 크게 줄일 수 있습니다. 하지만 저는 항상 실험실 데이터와 현장 조건 사이의 갭을 실무 경험으로만 메울 수 있다고 강조합니다. 바로 이러한 이유로 골든이글(Golden Eagle)은 산업계에서 탄탄한 입지를 유지해 올 수 있었습니다. 우리는 이론과 실무 모두를 소중히 여기기 때문입니다.

오늘 동 의장과의 대담을 통해 액체막 윤활 원리에서 윤활을 향상시키는 구조 설계에 이르기까지 기계식 씰의 수명 뒤에 숨겨진 논리를 확인할 수 있었습니다. 다음 인터뷰에서 동 의장은 화학 공정, 제약, 석유 정제 및 신소재 등 다양한 산업 분야에서 기계식 씰의 선택 전략과 고장 예방 조치에 대한 실용적 적용 사례를 더 깊이 탐구할 예정입니다. 계속 지켜봐 주세요!