Presentación Sellos Mecánicos-Ruhrpumpen

Charla Sellos Mecánicos John Crane

27 Nov15

Sellos Mecánicos

C. Ramírez H. Benites

John Crane Perú

1 Teoría Básica de Sellos Mecánicos

C Ramírez H Benites

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Teoría Básica de Sellos Mecánicos M ecánicos Temas a tratar 1.2.3.4.5.-

Dispositivos de Sellado Definición de Sellos Mecánicos Componentes del Sello Mecánico Principios de Funcionamiento Arreglos de Sellos Mecánicos

Dispositivos de Sellado Clasificación de los dispositivos de sellado


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Definición de Sellos Mecánicos Sellos Mecánicos Se definen técnicamente como un dispositivo que previene el escape de un fluido de un recipiente, al cual atraviesa un eje rotativo. El sellado se realiza por el contacto axial de sus caras que se encuentran perpendiculares al eje y en movimiento relativo una respecto a la otra.

Componentes del Sello Mecánico Mec ánico Componentes básicos de un sello mecánico Todos los sellos mecánicos constan de dos elementos básicos: - El elemento rotativo - El elemento estacionario. estacionario. Estos elementos son identificados generalmente como: - Cabezal de sello - As Asie ient nto. o. En bombas centrifugas de proceso se tienen adicionalmente dos elementos adaptadores: - Brida, adapta adapta el asiento a la bomba - Cami Camisa, sa, adapta adapta el sello sello al eje eje


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Componentes del Sello Mecánico Componentes básicos de un sello mecánico

Componentes del Sello Mecánico Cabezal de Sello Es el lado flexible que se acomoda a los movimientos axiales y radiales del equipo. El cabezal de sello es el ensamble de varios componentes. - Anillo primario o Inserto (balanceado, no balanceado). - Sellantes secundarios (Empuje, No empuje). - Sistema de compensación de desgaste (Resortes únicos, múltiples, etc.). - Sistema de arrastre (Componentes metálicos misceláneos).


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Componentes del Sello Mecánico Cabezal de sello

Componentes del Sello Mecánico Anillo Primario Es el anillo de desgaste del cabezal de sello que junto con el asiento produce el sellado primario. Una de las características del anillo primario es que aunque gira solidario con el eje debe también moverse axialmente para acomodarse a la posición del asiento. Se tienen diferentes formas de anillo primario que se adaptan a las condiciones de operación del equipo con las opciones de balanceado hidráulicamente especialmente cuando la presión es elevada y no balanceado para bajas presiones El Anillo primario se fabrica generalmente en Carbón (C), pero cuando el líquido manejado contiene abrasivos se fabrica en Carburo de Tungsteno (TC) o Carburo de Silicio (SiC)


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Componentes del Sello Mecánico



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Componentes del Sello Mecánico Los Elementos Sellantes Secundarios se clasifican en dos grupos: 1. Empuje (Anillos deslizantes)

2. No Empuje (Fuelles)

Componentes del Sello Mecánico Los Elementos Sellantes Secundarios se fabrican en diversos materiales: Fluoroelastomero (FKM) Perfluoroelastomero (FFKM) Nitrilo (NBR) Grafito Flexible Politetrafluoroetileno (PTFE)


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Componentes del Sello Mecánico Los resortes únicos de muelle helicoidal se fabrican en acero inoxidable 316 y los resortes múltiples de muelle helicoidal en Hastelloy C. Los fuelles metálicos para alta temperatura se fabrican en Inconel 718 o AM350 y los de baja temperatura en Hastelloy C-276

Fuelles Metálicos Resortes Helicoidales


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Componentes del Sello Mecánico Sistema de arrastre Es el que se encarga de transmitir el movimiento rotacional desde el eje hasta la cara rotativa. Los materiales de fabricación dependen del producto bombeado, generalmente son acero inoxidable 316 para el manejo de productos que no ataquen químicamente los metales y Hastelloy C para el manejo de productos agresivos

Componentes del Sello Mecánico Asiento El asiento es el anillo de desgaste removible instalado en la brida, si es estacionario o en un adaptador en la camisa, si es rotativo. Este anillo no provee flexibilidad al ensamble del sello, pero guía el acomodamiento del anillo primario del cabezal de sello en los movimientos axiales y radiales del equipo. John Crane fabrica usualmente el asiento en materiales más duros que los del anillo Primario, los mas comunes son Carburo de Silicio “Reaction Bonded” (RBSiC) o Carburo de Silicio Sinterizado (SSiC), pero también se puede usar el Carburo de Tungsteno con unión de Níquel (TC) Los sellantes terciarios sellan los senderos de fugas que se producen al instalar el asiento.


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Componentes del Sello Mecánico Sellantes terciarios Los sellantes terciarios sellan los senderos de fugas que se producen al instalar el asiento en la brida con el sello estacionario. Se tienen cuatro tipos básicos: • O-rings (Elastómeros) • Anillos de sección cuadrada o rectangular (PTFE, Grafito flexible) • Anillos de Copa (Elastómeros) • Empaques o juntas planas (PTFE, Fibras comprimidas)



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Principios de Funcionamiento Película lubricante Las caras de contacto del sello mecánico que se mueven una con respecto a la otra y son empujadas por fuerzas axiales que dan como resultado una presión entre ellas. Esta presión se distribuye en el área de contacto en forma de cuña y se conoce como una "cuña de presión". Para asegurar el correcto desempeño de ambas caras, estas deben estar separadas a una distancia menor a 0.001 mm., en este espacio “la cuña de presión” forma una capa del fluido de proceso, la cual permite lubricar y enfriar las caras evitando un desgaste excesivo de las piezas, esta capa se conoce como “película lubricante” y es el principio de funcionamiento del sellado primario.

Principios de Funcionamiento


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Principios de Funcionamiento Aspectos a cubrir con el sellado primario Al funcionar adecuadamente, el sellado primario debe cubrir dos aspectos: 1. Retención de fluido. 2. Preservación de las superficies deslizantes por medio de la película de lubricación interfacial. La 1. 2. 3. 4. 5. 6.

película de lubricación debe: Estar siempre presente. Ser estable. Estar limpia, libre de abrasivos. Mantener una viscosidad razonable. Estar a temperatura controlada. Tener una presión aceptable

Principios de Funcionamiento Película lubricante


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Principios de Funcionamiento Espesor de la película de lubricación interfacial El espesor de la película dependerá de las condiciones de diseño del sello mecánico, además de la forma y el acabado superficial de las caras de contacto. Si el espesor de la película es mayor al requerido por diseño, las fugas del sello serán visibles, en caso contrario las caras entraran en contacto generando un desgaste excesivo lo que a su vez generara una falla prematura del sello.

Principios de Funcionamiento Espesor de película de lubricación Interfacial ancha


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Principios de Funcionamiento Espesor de película de lubricación Interfacial inexistente.

Principios de Funcionamiento Balanceo hidráulico El término balanceo hidráulico cuando se aplica a sellos mecánicos sirve para describir la relación entre las presiones del fluido que actúan axialmente en las áreas de contacto de las caras. La presión hidráulica P actúa en todas las direcciones. Las fuerza axial debida a la presión hidráulica P actúa axialmente sobre un área denominada área de cierre Ac. La fuerza que actúa sobre el área de cierre Ac se conoce como fuerza de cierre Fc. A esta fuerza se le opone otra fuerza axial llamada fuerza de Apertura que actúa sobre el área anular de contacto entre la cara rotativa y la estacionaria, conocida como área de apertura Aa.


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Principios de Funcionamiento Fuerzas Axiales que intervienen en la cara de los sellos

Principios de Funcionamiento Relación de Balanceo La relación de Balanceo se define como el cociente entre el área de cierre Ac y el área de apertura Aa.


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Principios de Funcionamiento Sello no balanceado En un sello no balanceado, el área de cierre es mayor o igual al área de apertura, lo cual permite que el área de contacto soporte la fuerza de cierre.

Principios de Funcionamiento Sello balanceado El sello balanceado permite aliviar la presión entre las caras al hacer mayor el área de apertura respecto al área de cierre, para lo cual se requiere fabricar un escalón en la camisa o eje.


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Principios de Funcionamiento Sellos de empuje Utilizan como elementos sellantes secundarios, empaques deslizantes que se desplazan axialmente en la camisa o en el eje simultáneamente con los movimientos del anillo primario.

Principios de Funcionamiento Caras de contacto sello de empuje En un sello de empuje las caras de contacto proporcionan el área donde actúan las fuerzas de cierre y apertura. Los sellos balanceados de empuje se recomiendan para el manejo de productos volátiles


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Principios de Funcionamiento Sellos de no empuje Los sellos de no empuje se caracterizan por tener un fuelle que puede ser elastomerico, de PTFE o metal. El sellante secundario no se desplaza axialmente en la camisa o eje.

Principios de Funcionamiento Sello de no empuje con balanceo inherente Los sellos de no empuje con fuelle metálico se definen como inherentemente balanceados a bajas presiones. No requieren de escalón en el eje o camisa, por cuanto no existe un diámetro definido físicamente. El diámetro efectivo de balance se establece por la línea media del fuelle. El balanceo hidráulico no es constante, cambia con las variaciones de la presión, la relación de balanceo se incrementa a mayor presión. Los sellos de fuelle metálico auto balanceados se presentan en dos versiones : • Para baja temperatura con O-ring de elastómero y fuelle de Hastelloy C • Para alta temperatura con empaque de grafoil y fuelle de Inconel 718


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Principios de Funcionamiento Sello de no empuje con balanceo inherente

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Arreglos de Sellos Mecánicos Arreglo de sellos sencillos El arreglo de sellos sencillos está conformado por un solo sello mecánico que puede montarse: - Interiormente - Exteriormente.


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Arreglos de Sellos Mecánicos Sello sencillo de montaje interior El sello se monta en el interior del equipo y se encuentra inmerso en el líquido de operación. La presión hidráulica se produce en el diámetro externo y la atmosférica en el diámetro interno.

Arreglos de Sellos Mecánicos Sello sencillo de montaje Exterior El sello se instala fuera de la caja de sellado. La presión hidráulica se produce en el diámetro interior y la atmosférica en el diámetro externo


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Arreglos de Sellos Mecánicos Arreglo de sellos duales Son arreglos que están compuestos de dos juegos de caras contactantes, y pueden ser dual no presurizado o dual presurizado. Los arreglos de sellos duales no presurizados se usan en el manejo de productos explosivos e inflamables y los arreglos de sellos duales presurizados en el manejo de productos tóxicos, cancerígenos, corrosivos y abrasivos.

Arreglos de Sellos Mecánicos Arreglo dual no presurizado Es un arreglo en el cual el sello interno es lubricado por el fluido bombeado y el sello externo por un fluido amortiguador que recircula con una presión ligeramente mayor a la atmosférica. Debido a que la presión del proceso es mayor que la del fluido amortiguador, las fugas normales van del proceso al fluido amortiguador y de este a la atmósfera.


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Arreglos de Sellos Mecánicos Arreglo dual presurizado En este arreglo se hace recircular un fluido, denominado fluido de barrera, a mayor presión que la del fluido de proceso. En este caso, el fluido de barrera al tener una presión mayor, obliga a que las fugas normales sean dirigidas hacia el proceso y la atmósfera .

Arreglos de Sellos Mecánicos No Cartucho El sello se instala en el equipo por componentes en forma individual, puede incluir camisa y brida


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Arreglos de Sellos Mecánicos Cartucho El sello es una unidad auto contenida de sus componentes que incluye además del sello y el asiento, la brida, la camisa, el collar de arrastre, los espaciadores, etc. El cartucho es pre ensamblado antes de la instalación

2 Sistemas Soporte


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Sistemas Soporte Temas a tratar 1.- Sistemas de Lubricación y Enfriamiento del Sello 2.- Planes API 3.- Clasificación del los Planes API 4.- Planes de Circulación 5.- Planes Auxiliares 6.- Planes para Gases

Lubricación y Enfriamiento Sistemas de Lubricación y Enfriamiento del sello La selección de un sello con materiales y características de diseño adecuados no garantiza su buen funcionamiento. Es necesario instalar sistemas para lubricar las caras de contacto del sello y extraer el calor que en ellas se genera por el deslizamiento de una contra la otra..


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Planes API Método La American Petroleum Institute (API) conjuntamente con la American Society of Mechanical Engineers (ASME) y la International Standards Organization (ISO) crearon un sistema con números para los diferentes métodos de lubricación y protección a los sellos mecánicos, conocidos comúnmente como “Planes API”. Cada organización adoptó una designación ligeramente diferente para los planes.

Planes API Desarrollo Los planes API se desarrollaron inicialmente para la norma API 610, Con creación de la norma API 682, se han agregado nuevos números de los sistemas y otros han sufrido modificaciones (especificadas en las normas API 682, 2da, 3ra Edición y 4ta Edición).


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Planes API Usos Los planes API, aunque son muy importantes para los sellos mecánicos, generalmente su funcionamiento es desconocido por los usuarios Los planes API se utilizan para proveer al sello del ambiente apropiado dependiendo del tipo de equipo usado y del medio al que el sello estará expuesto.

Clasificación de los Planes API Tipos de Planes API Los diferentes tipos de planes API se pueden agrupar como: - Planes de circulación - Planes auxiliares - Planes para gas.


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Clasificación de los Planes API Descripción de los Planes API

•

Planes de circulación lubrican y enfrían las caras del sello 



Evitar el roce en caras de contacto. Lubricación

Disipar el calor generado en caras de contacto . Enfriamiento

• •

Planes auxiliares protegen los sellos y controlan las emisiones Planes para gas lubrican, protegen y controlan las emisiones en los sellos secos.

Planes de Circulación Lubricación y Enfriamiento


API

ANSI

ISO

DESCRIPCIÓN GENERAL

01

7301

1

Recirculación interna desde la descarga de la bomba.

02

7302

0

Cavidad cerrada, sin recirculación.

11

7311

2

Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por un orificio.

12

7312

--

Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por un orificio y un filtro en “Y”.

13

7313

7

Recirculación de la cavidad de sellado a la succión de la bomba.

14

7314

--

Circulación desde la descarga a la cavidad de sellado pasando por una placa orificio. Así mismo, circulación desde la caja de sellado a la succión.

21

7321

--

Circulación desde la descarga pasando por un orificio y un enfriador a la cavidad de sellado.

22

7322

--

Circulación desde la descarga pasando por un filtro en “Y”, orificio y enfriador a la cavidad de sellado.

23

7323

6

Recirculación desde un anillo de bombeo ubicado en la cavidad del sello pasando por un enfriador y regresando a la cavidad.

31

7331

4

Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por un separador ciclónico.

32

7332

8

Inyección de fuente externa a la cavidad de sellado.

41

7341

--

Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por separador ciclónico y un enfriador.

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Planes de Circulación Descripción Planes de Lubricación y Enfriamiento FLUIDO BOMBEADO

FUNCIÓN

PLANES API

Fluido Limpio

Lubricación

01, 11, 12, 13, 14

Fluidos a Temperatura

Lubricación y Enfriamiento

02, 21, 22, 23

Fluidos Abrasivos

Lubricación

03, 31, 32

Fluidos Abrasivos a Temperatura

Lubricación y Enfriamiento

41

Planes de Circulación Fluidos Limpios Son todos aquellos que no solo están exentos de impurezas o suciedades, sino que también son capaces de lubricar y enfriar al sello mecánico, por tanto, lo único que se requiere es proporcionarle al fluido limpio una circulación hacia el sello. Los Planes para líquidos limpios son: - Plan 01 - Plan 11 - Plan 12 - Plan 13 - Plan 14


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Planes de Circulación Fluidos Limpios

Planes de Circulación Fluidos a Alta Temperatura Son todos aquellos donde la temperatura es la condición problema. Cuando a la temperatura de bombeo el líquido no es estable y tiende a vaporizarse al llegar a las caras de contacto, se crean tres problemas básicos: - Perdida de lubricación interfacial - Descomposición del producto - Inseguridad. Los Planes para líquidos a temperatura son: - Plan 02 - Plan 21 - Plan 22 - Plan 23


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Planes de Circulación Fluidos a Alta Temperatura

Planes de Circulación Fluidos Abrasivos Son todos aquellos que contienen partículas que efectúan una acción erosiva o abrasiva entre las caras y aceleran su desgaste. Para combatir una condición abrasiva debe conocerse ante todo el origen del abrasivo. Se conocen cuatro categorías distintas: - Térmica. - Por Contacto Atmosférico. - Inherentes. - Sólidos en suspensión. Los Planes API para líquidos abrasivos son: - Plan 03 - Plan 31 - Plan 32


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Planes de Circulación Fluidos Abrasivos

Planes de Circulación Fluidos Abrasivos a alta Temperatura Son todos aquellos líquidos a altas temperaturas que contienen partículas abrasivas en forma de sólidos en suspensión. El Plan para líquidos abrasivos a alta temperatura es - Plan 41


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Planes de Circulación Fluidos Abrasivos a alta Temperatura

Planes Auxiliares Protección y Control de Emisiones API

ANSI

ISO


52

7352

10

Circulación forzada en un reservorio no presurizado externamente.

53A*

7353

11

Circulación forzada en un reservorio presurizado externamente.

53B*

----

--

Circulación forzada presurizada externamente en un reservorio tipo acumulador de vejiga. Se conocía como plan 53 modificado.

53C*

----

12

Circulación forzada presurizada externamente en un reservorio tipo pistón. Se conocía como plan 53 modificado.

54

7354

9

Circulación de fluido limpio presurizado de fuente externa.

61

7361

--

Conexiones lado atmosférico taponadas.

62

7362

08b

Fluido para sofoque (Quench) de fuente externa.

65 **

7365

--

Recolector de fugas líquidas en sellos sencillos.

Planes renumerados como resultado de la norma API 682 (2da Edición). ** Planes renumerados como resultado de la norma API 682 (3ra Edición).

*


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Planes Auxiliares Fluidos Peligrosos Todos aquellos líquidos que por su condición ofrecen riesgos materiales y/o humanos se categorizan como peligrosos y varían su peligrosidad dependiendo de la dosis o concentración en que son manejados, por lo que el sistema de sellado a aplicar depende del grado de peligrosidad de dicho fluido. Generalmente el sistema de sellado es un arreglo dual no presurizado líquidos peligrosos de baja concentración y presurizado para líquidos peligrosos de alta concentración. Los Planes para líquidos Peligrosos son los planes auxiliares: - Plan 52 - Plan 53A - Plan 53B - Plan 53C - Plan 54 - Plan 55

Planes Auxiliares Fluidos Peligrosos


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Planes Auxiliares Manejo de Emisiones Cuando se tienen arreglos de sellos sencillos, en algunos casos se requiere contar con un sistema que permita realizar el sofoque, lavado y/o el control de emisiones de las fugas normales. Estos planes auxiliares son: - Plan 61 - Plan 62 - Plan 65A - Plan 65B - Plan 66A - Plan 66B

Planes Auxiliares Manejo de Emisiones


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Planes para Gases Lubricación, Protección y Control en Sellos secos API

ANSI

ISO


71*

----

--

Conexiones taponadas. Usualmente para planes 72, 75, 76.

72*

7372

--

Gas amortiguador externo para sellos contenedores secundarios.

74*

----

--

Gas de barrera presurizado para sellos duales de gas.

75*

----

--

Drenaje para el condensado de las fugas en sellos contenedores secundarios.

76*

----

--

Drenaje para fugas no contenedores secundarios.

condensadas

en

sellos

* Nuevos planes según la norma API 682 (2da Edición) Los estándares ISO y ASME no están sincronizados con los estándares del nuevo API .

Planes para Gases Manejo de Fluidos Gaseosos En la actualidad se cuenta con sellos mecánicos que pueden operar con fluidos gaseosos para la lubricación y Protección. Estos sellos pueden ser de caras contactantes o no contactantes, presurizados o no presurizados, con o sin inyección de gas. Los Planes para fluidos gaseosos son los siguientes planes auxiliares: - Plan 71 - Plan 72 - Plan 74 - Plan 75 - Plan 76


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Planes para Gases Manejo de Fluidos Gaseosos En la actualidad se cuenta con sellos mecánicos que pueden operar con fluidos gaseosos para la lubricación y Protección. Estos sellos pueden ser de caras contactantes o no contactantes, presurizados o no presurizados, con o sin inyección de gas. Los Planes para fluidos gaseosos son los siguientes planes auxiliares: - Plan 71 - Plan 72 - Plan 74 - Plan 75 - Plan 76

Planes para Gases Manejo de Fluidos Gaseosos


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