Introducción En la actual industria cada vez encontramos mas procesos para obtener un determinado producto, y para la obtención de esté por lo general siempre se tiene que trasladar un elemento elemento en estado líquido o gaseoso gaseoso de un lugar a otro y es ahí ahí donde nos encontramos con serios problemas al tratar de evitar que haya desperdicios de fluidos que muchas veces resulta ser un producto terminado. Los estudios realizados a través de los años para solucionar los problemas problemas de fugas nos dan como resultado una clasificación de elementos para obtener un sellado óptimo, entre ellos podemos mencionar las empacaduras, sellos mecánicos y sellos de gas. Un sello mecánico es un dispositivo que permite unir sistemas o mecanismos, evitando la fuga de fluidos, conteniendo la presión, o no permitiendo el ingreso de contaminación. Un sello mecánico tiene una parte estática y una parte dinámica. La parte dinámica o rotativa es la que gira en conjunto con el eje. Allí se encuentra la pista rotativa. La parte estática es la que queda sujeta a las partes fijas del equipo y en donde se aloja la pista estacionaria. Los sellos de gas son similares a un sello lubricado con líquido, con la diferencia de que en el sello mecánico de gas las caras operan sin contacto entre sí debido a una película de gas. A continuación se desarrollaran los siguientes puntos acerca de los sellos mecánicos y de gas: Definición de sello mecánico, función de los sellos mecánicos clasificación de los sellos mecánicos, algunos tipos de sellos mecánicos, materiales para la construcción de sellos mecánicos, fallas en los sellos mecánicos, mecánicos, control ambiental para los sellos mecánicos, sellado de gases, sellos mecánicos lubricados con gas, entro otros temas a explicar.
SELLOS MECANICOS Y DE GAS
SELLADO DE EJES ROTATORIOS En las plantas como por ejemplo las petroquímicas, petroquímicas, el bombeo de fluidos debe realizarse eficientemente, reduciendo al mínimo los costes costes y evitando riesgos. Para que esto sea posible, deben reducirse al al máximo las fugas de fluido. Así se evita la aparición de depósitos e incrustaciones, se previene el riesgo de explosiones, etc. El eje de algunos equipos (bombas, compresores, ventiladores, agitadores, agitadores, etc.) separa dos medios (normalmente, (normalmente, el fluido que se impulsa impulsa y la atmósfera). atmósfera). Para ´prevenir fugas, o evitar la entrada de aire, se emplean dispositivos de sellado. La figura s que se a continuación muestra el eje de una bomba centrífuga, sin dispositivo de sellado.
Ausencia de dispositivos de sellado.
Existe un espacio entre el eje y la carcasa, ya que en caso contrario, c ontrario, el desgaste de ambos elementos sería excesivo. Por esta holgura se fuga el fluido. Para evitar las fugas se emplean: empaquetaduras. Cierres mecánicos. cierres o sellos de gas entre otros .
SELLO MECÁNICO Esencialmente el sello mecánico consiste de dos superficies superficies anulares de rozamiento que están empujándose una contra contra otra. Una superficie de rozamiento está fija a la parte estática de la máquina, mientras que la otra esta fija al rotor y gira junto con este. El fluido a ser sellado penetra entre ambas superficies de rozamiento formando una película de lubricación la cual fluye entre las superficies constantemente. La presión a sellar se reduce linealmente a través de las superficies de rozamiento. En su forma más simple, simple, un sello mecánico consiste de un anillo fijo sobre sobre el rotor, el cual es empujado contra la carcasa de la máquina (figura A).10
Versión simple de un sello axial 1 – Fluido a sellar 2 – Anillo 3 – Carcasa de la máquina 4 – Separación de sellado 5 – Fuerza axial 6 – Fuga
Existe un gran ajuste (holguras (holguras de cien milésima de milímetro) entre entre el anillo de grafito (estático) y el anillo de metal (rotatorio) evita las fugas de fluido. Mostrada en la siguiente figura:
El grafito actúa como lubricante y asegura que no se produce un desgaste excesivo. El grafito del anillo estático puede sustituirse por teflón, que tienen gran resistencia y buenas propiedades lubricantes. El material de los resortes y del anillo rotatorio se elige en función de las temperaturas y del ataque químico que deben soportar.
FUNCIÓNDE LOS SELLOS MECÁNICOS Los sellos mecánicos impiden el escape de todos los tipos de fluidos, sean gases o líquidos, a lo largo de un eje o árbol rotatorio que se extiende a lo largo de una carcasa o una cubierta. Las extensas aplicaciones de estos sellos en la industria de procesos químicos (IPC) van desde la contención de fluidos criogénicos hasta fluidos de alta temperatura para transferencia de calor. Los equipos en los que se utilizan sellos mecánicos son las bombas centrífugas rotatorias, compresores centrífugos, de flujo axial y rotatorios y en los agitadores.
CLASIFICACIÓNDE LOS SELLOS MECÁNICOS
Los sellos mecánicos se clasifican por el tipo de montaje, sea interno o externo y si son equilibrados (balanceados) o desequilibrados.
Si el anillo primario montado está montado en el recipiente para el líquido, se denomina sello interno; si está montado en el exterior, se denomina sello externo.
Sellos internos Los sellos internos se instalan con todos los componentes selladores expuestos al líquido de proceso, es decir, al líquido que circula por la bomba.
La siguiente figura muestra un sello mecánico interno. El cierre se produce por el gran ajuste que se produce entre el anillo sellador giratorio y el anillo sellador estático. Además, el sello incorpora dos juntas (anillos), que contribuyen al cierre.
Fig. 8: Sello mecánico interno. La junta tórica inferior está comprimida contra el anillo sellador giratorio, debido a la acción de los resortes y evita que la fuga de líquido entre el eje y el anillo sellador giratorio. La otra junta tórica evita la fuga de fluido entre el anillo sellador estático y la carcasa. Las ventajas que presenta esta disposición son:
Capacidad de sellado contra presiones elevadas, puesto que la presión del fluido se ejerce en la misma dirección que la fuerza del resorte. Protección de las partes selladoras contra daños mecánicos externos/ ya que no están expuestos al exterior. Reducción de la longitud externa del eje.
Cuando se trabaja con sólidos abrasivos se recurre a los sellos internos dobles mostrado en la siguiente figura. En este caso, circula a través de ellos un fluido que los protege.
Fig. 9: Sello interno doble.
Sellos externos El principio de funcionamiento es el mismo que en los sellos internos, sólo se diferencian en que los componentes selladores están protegidos del fluido del proceso.un ejemplo de este es mostrado en la siguiente figura
Fig. 10: Sello mecánico externo.
Ventajas de los sellos externos
Necesitan materiales de construcción menos resistentes que los sellos internos, ya que están aislados de los fluidos de proceso. La instalación y el ajuste resultan sencillos, ya que las piezas ocupan una posición más accesible. El tamaño de la estopera no es un factor limitante a la hora de elegir el sello.
Sellos balanceados y no balanceados La fuerza hidráulica gobierna un parámetro importante, el “balancing ratio” o coeficiente
de balance del sello. Este coeficiente es el cociente entre el area total donde se ejerce la presión del fluido a sellar, y el area de contacto entre ambas caras rotantes del sello. En condición despresurizada, el resorte mantiene en contacto ambas caras del sello. En condición dinámica, el fluido a sellar penetra entre las caras e intenta abrirlas. La presión del fluido es reducida linealmente en la superficie de contacto hasta, usualmente, la presion atmosférica. La fuerza de cierre que actuá sobre las caras de sello, es la suma de la fuerza de resorte o resortes y de la fuerza hidráulica generada por el fluido mismo. La fuerza de cierre es contractuada por una fuerza de apertura que actua entre las caras del sello. En presiones de 20 bar o superiores, la fuerza hidráulica es tan grande que la película de líquido entre las caras del sello no llega a estabelcerse nunca, generando trabajo en seco y desgaste prematuro. Esto se soluciona reduciendo al area sobre la cual actua la presion del producto sellado en realcion al area de contacto de las caras. El factor de empuje se
define como la relacion entre el area hidraulica y el area de contacto de las caras.En el rango de presiones bajas a medias, podemos utilizar sellos no balanceados, con factor de empuje cercano o levemente superior a uno . Para presiones altas, debemos asegurarnos que se establezca la película de líquido entre las caras del sello. Usamos entonces un sello balanceado, con factor de empuje menor a uno.
a)Sello mecánico No Balanceado (Ah = A; K=1) b) Sello Balanceado (Ah
en la misma posición. Lo que sí se mueve para recuperar tension, o absorver vibraciones, etc, es un fuelle que puede ser metálico, elastomérico o de de PTFE (Telfon).
TIPOS DE SELLOS MECÁNICOS MÁS COMUNES
Monoresortes El sello más simple y económico, de uso genérico. El resorte cónico se ajusta el eje y compensa errores de posicionamiento mejor que otras configuraciones. Otra ventaja incluye el no trabarse cuando el producto bombeado tiene cierto grado de viscosidad y/o sólidos menores. Este sello hay que pedirlo en base al sentido de giro del eje, horario u antihorario, de lo contrario se abre y deja de sellar. Su principal desventaja es que marca el eje. Su rango de trabajo no supera los 10 Bar de presión.
Sello Bidireccional Sello de aplicación genérica aunque muy difundido en la industria química. Hay dos versiones, multiresortes y ballesta o monoresrote. Ambos soportan ambos sentidos de giro sin perder tension y abrirse. Soportan desde vacío hasta 12 Bar de presión, y las versiones balanceadas, hasta 75 Bar
Sello de resortes protegidos Utilizados en aquellas aplicaciones donde el producto bombeado es muy sucio y/o viscoso, se utilizan sellos con resortes protegidos, fuera del contacto con el producto. Soportan desde vacío hasta 25 Bar de presión.
Sellos de fuelle metálico Estos sellos se encuentran en aplicaciones donde el producto puede cristalizar o alcanza altas temperaturas (hasta 420 grados) donde no es necesario refrigerarlos. También se los encuentra en aplicaciones criogénicas.
Sellos cartucho Estos sellos vienen completamente ensamblados, listos para ser montados en el equipo. Sus principales ventajas son su rápida y fácil instalación. Las partes delicadas del sello, como ser las caras, los resortes, están siempre protegidos durante el transporte e instalación, lo que minimiza bastante daños o posibles errores en la instalación del sello. El sello cartucho es una buena alternativa en aquellos ejes que no presentan una alineación ideal o presentan ciertas vibraciones. Al estar montado 100% sobre una camisa, todo el conjunto absorbe en simultaneao cualquier imperfección, exponiendo al sello mismo a menores esfuerzos que un sello tradicional.
Sellos navales Los sellos navales reemplazan a la tradicional empaquetadura, muy difundida en el mercado naval. Aunque su costo es sustancialmente mayor, cada vez más propietarios de embarcaciones deciden invertir en sellos mecánicos que no dañan sus ejes y que por su construcción especial, soportan condiciones de trabajo muy adversas de torque, vibración y movimiento axial.
Sellos para mezcladores y agitadores Esta familia de sellos son diseñados para soportar esfuerzos axiales y radiales importantes. En estos equipos las velocidades son normalmente muy bajas, sin embargo los diámetros de los rotores pueden ser desde muy pequeños como en los reactores de laboratorios de investigación, hasta muy grandes (500 mm) en reactores de producción. Los sellos para reactores son diseñados normalmente para ser instalados en cartucho y tener un rodamiento integrado e incluso sellos auxiliares que permitan remover el cartucho sin vaciar el equipo. La posición de instalación varía entre superior, inferior, lateral o inclinada, aunque en la mayoría de los casos es superior.
Sellos dobles Los sellos que hemos visto hasta aquí, no pueden ser utilizados en productos que presentan algunas las siguientes características:
Alta viscosidad Alto contenido de sólidos Peligrosos o explosivos Quimicamente agresivos Cuya presión de vapor es cercana a la de operación
Para estos casos, necesitamos utilizar sellos mecánicos en arreglos doble, los cuales operan con un sistema buffer. El sistema buffer esencialmente consiste de un recipiente termosifón para un fluido presurizado. El recipiente debe contener suficiente cantidad de fluido buffer para soportar la fuga nomal del sello durante un tiempo prudencial. La presurizción del sistema se efectúa inyectando un gas inerte (por ejemplo N2). La remoción del calor se logra con el un serpentín de enfriamiento localizado en el interior del recipiente y por el cual se circula agua.
Existen tres configuraciones en lo que son sellos dobles: face-toface, back-to-back y tanden. El arreglo tandem se define como dos sellos colocados en la misma orientación. El sello interno (lado producto) opera a la presión del fluido de proceso, mientras que el sello externo (lado atmosférico) opera a presión atmosférica. La fuga normal del sello interno se colecta en el sistema termosifón de lubricación del sello externo.
1.Sello interno, lado producto2.Sello externo, lado atmosfera3.Cámara de sellado 4.Quench o fluido de enjuagueo liquido de presurización5.Inyeccion del liquido de proceso
En caso de pérdidas, o bien el producto a sellar se mete en el circuito del líquido buffer, o bien el buffer se mete en el producto a sellar. La fuga se detecta por una disminución o aumento de la presión en el circuito del buffer. Esta configuración con líquido buffer también se usa en casos en los que es necesario mantener limpio y refrigerar las caras del sello, especialmente el sello interno, lado producto. Sello cartucho doble, con termocupla de medición de temperatura bajo norma ATEX para productos altamente explosivos.
Materiales para la construcción de sellos mecanicos
Los sellos mecánicos son fabricados de materiales especiales tales que sean resistentes a la abrasión, temperatura, presión y ataques químicos. Los materiales de las caras deben cumplir con las siguientes características: • Bajo coeficiente de rozamiento, • Suficiente dureza para soportar la abrasión y tener un mínimo desgaste, • Alta conductividad térmica para eliminar el calor generado por el rozamiento, • Bajo coeficiente de expansión térmica para reducir los esfuerzos mecánicos, • Alto módulo de elasticidad para reducir las deformaciones.
Los materiales comúnmente empleados para fabricar las caras de los sellos mecánicos son: - carbones artificiales - metales - carburos - óxidos metálicos Carbones artificiales.
Los carbones artificiales son materiales cerámicos no óxidos, suaves con variantes de acuerdo a tipo, composición y tamaño de grano y que difieren del material base – una mezcla de carbón amorfo y grafito cristalino – y el aglomerante empleado. Las porosidades son llenadas con impregnación (por ejemplo metales como el antimonio o resinas sintéticas). Metales.
Los metales no son muy comunes para la fabricación de las caras de los sellos mecánicos, sin embargo son una alternativa en condiciones de operación no agresivas. La fundición de acero al Cromo Molibdeno es un material empleado. Carburos.
Un material muy común empleado para las caras de los sellos es el carburo de tungsteno (TC). Este material sinterizado consiste de 90 a 95% de cristales de carburo de tungsteno, los cuales son aglomerados por una matriz de cobalto o bien de níquel. El tipo y contenido del aglomerante influye directamente en la resistencia química y dureza. El carburo de tungsteno también tiene una buena conductividad térmica, sin embargo no es adecuado para rozamiento sin lubricación.
Carburo de Silicio.
El empleo de carburo de silicio para fabricar las caras de los sellos mecánicos ha aumentado. El proceso más adecuado es mediante sinterizado directo a temperaturas 2200°C y es casi tan duro como el diamante. Otro tipo de carburo de silicio es el aglomerado por reacción (SiC-Si) en el cual 10% aproximadamente de cristales de silicio quedan libres. El carburo de silicio por sinterizado directo es químicamente resistente a cualquier tipo de fluido en la escala completa de pH, pero es más frágil que el aglomerado por reacción, este último es atacado químicamente por fluidos alcalinos con un pH de más de 10, debido al silicio libre. Cerámica Óxido de Aluminio. El material cerámico más conocido y empleado es el óxido de aluminio (Al2O3) que es resistente al desgaste y al ataque químico y no requiere ninguna impregnación. Sus desventajas son su fragilidad y baja conductividad térmica.
Combinación de materiales de las caras Las combinaciones de los materiales de las caras pueden ser dividida en dos clasificaciones: Dura – Suave y Dura – Dura. Los materiales suaves son todos los carbones artificiales, mientras que los materiales duros son los carburos y los óxidos metálicos. La combinación de materiales Suave – Suave no es recomendable. La combinación Dura – Suave es la más recomendable y por lo tanto la más usado debido al bajo coeficiente de rozamiento que le permite operar sin lubricación en condiciones de emergencia. Los carbones artificiales no son muy resistentes a la abrasión por lo que la combinación Dura – Dura es necesaria cuando el fluido a sellar contiene sólidos. Sin embargo esta combinación presenta un fuerte
desgaste en operación sin lubricación, por lo que debe asegurarse una adecuada lubricación y enfriamiento.
Materiales para los elementos de sellado secundario. Elastómeros. Existe una amplia gama de materiales elastómeros que pueden emplearse para fabricar los elementos de sellado secundario. La forma más común de los elementos de sellado secundario es de sección transversal circular (o-rings) aunque pueden diseñarse otras formas o bien fuelles. Los elastómeros más comúnmente empleados son: monómero de etileno propileno dieno (EPDM). nitrilo (NBR, por ejemplo Perbunan). fluorocarbon (FPM, por ejemplo Viton). perfluorocarbon (FFKM, por ejemplo Kalrez).
No elastómeros Poli tetra-fluoro etileno (PTFE, por ejemplo Teflon) de excelente resistencia química, Grafito puro (por ejemplo Statotherm) de excelente resistencia térmica.
FALLAS EN LOS SELLOS MECÁNICOS Las fallas suelen ser por errores en la instalación, problemas por el diseño básico Del sello mecánico y contaminación del líquido en el prensaestopas. Todos los sellos mecánicos son básicamente iguales y tienen un elemento rotatorio y uno fijo. Un elemento tiene una cara selladora de contacto de un material blando, para desgaste, como el carbón, el otro tiene una cara de material duro, que puede ser cerámica. Ellos pueden ser el tipo equilibrado (balanceado) o desequilibrado. El equilibrado está diseñado para compensar los cambios bruscos en la presión hidráulica. Por contraste el sello desequilibrado no los compensa y sólo se justifica con su menor costo. Los sellos mecánicos está diseñados para no permitir fugas hasta que se gaste la cara blanda. Se ha encontrado que muchos sellos no tienen desgaste en las caras al desmontarlos de la bomba y las fugas empiezan mucho antes de que se desgasten.
ANÁLISIS DE FALLAS EN LOS SELLOS MECANICOS
El objetivo del análisis de fallas consiste en obtener conocimientos adicionales con ellas. Hay que observar con cuidado las piezas gastadas y dañadas del sello, las condiciones del equipo y las de funcionamiento para establecer una lista de medidas que aumenten la duración de los sellos. El análisis de las piezas gastadas consiste en identificar si los daños son por acción química, mecánica o térmica, y tomar las medidas para que no se repitan. Se puede Mejorarla habilidad para el análisis de fallas sise observan las formas básicas de daños por acción química, mecánica o térmica y para determinar:
El aspecto que tienen los daños. Cómo influyen los daños en el funcionamiento del sello. Qué tipos de daños indican el historial de funcionamiento del sello. Qué medidas correctivas se pueden tomar para evitarla repetición de los daños en las mismas condiciones de funcionamiento.
Se comenzará el análisis con un comentario de los síntomas, examen de las causas y de Las medidas correctivas en las fallas de sellos por acción química.
ATAQUE QUÍMICO GENERAL Síntomas. Con este tipo de falla, las piezas se verán con aspecto mate, con panales, escamas o que empiezan a desmoronarse. Cuando las piezas dañadas se pesan y se toman lecturas de dureza y se comparan con las piezas originales, se notará una considerable reducción.
Causas Este tipo de falla se debe a corrosión por ejemplo de materiales inadecuados para el líquido que se maneja. Si se han utilizado sellos dobles, hay que probar el funcionamiento del sistema de presión o la pureza del líquido para sellos.
Correcciones
Obténgase un análisis químico del producto que toca el sello y empléese el material de construcción idóneo. Neutralícese la corrosividad mediante sellos dobles o, cuando se utiliza un sello sencillo que tiene un buje o pestaña selladora en el fondo de su cavidad, lávese el sello con líquido limpio y compatible de una fuente externa.
CORROSION POR FRICCIÓN Síntomas Es quizá uno de los tipos más comunes de corrosión en los sellos mecánicos. Permite fugas por los sellos secundarios y corroe y daña el eje o camisa que están directamente debajo del sello secundario. Esta zona puede tener picaduras o estar abrillantada con respecto al resto del eje o camisa.
Causas El movimiento entre dos superficies que normalmente están fijas entre sí ocasiona corrosión por fricción. En los sellos mecánicos, la fricción se debe a un movimiento constante hacia un lado y otro del sello secundario en la camisa o manguito del eje, que elimina su revestimiento protector. La vibración constante de la empaquetadura del eje en esta superficie desgaste el revestimiento de superficie y permite que ocurra más corrosión. Correcciones Hay que estudiar las siguientes opciones para reducir o eliminarlos daños de corrosión por fricción.
Compruébese que no haya vibración excesiva en los sellos secundarios. Para ello se determina que la desviación flexible y juego longitudinal del eje o árbol no exceda de un máximo de 0.003” (0.076mm)medida con milímetro. Aplíquense revestimientos protectores de aleación de cara dura, óxido de cromo o óxido de aluminio debajo de la zona en los que se deslizan los sellos secundarios. Sustitúyase el material base del eje o camisa por otro que no requiera revestimientos pasivos o protectores para resistencia a la corrosión, como el titanio. Sustitúyase los sellos en V, anillos de cuña y cónicos hechos de teflón por sellos anulares secundarios de elastómero; éstos son menos susceptibles a la corrosión por fricción porque son más blandos y se pueden flexionar ligeramente para absorber pequeños movimientos axiales del eje.
Utilícese un sello sin empuje, como uno de caucho, teflón o fuelle metálico en el cual los sellos secundarios sean totalmente estáticos.
EROSIÓN Síntomas. Caras de los sellos carcomidas o “lavadas” en un solo lugar. La erosión por lo
general, ocurrirá en la cara del sello estacionario hasta que resulte en la deformación excesiva o rotura. La erosión casi siempre ocurre en los materiales de carbón y grafito pero también en otros materiales en condiciones más severas. Causas Cantidad excesiva de líquido de sello o volumen normal de líquido que contiene partículas abrasivas. Ambas ocasionarán un efecto de “chorro de arena” en una zona local en la cara del sello estacionario. Correcciones
Redúzcase el volumen de líquido para lavado de sello. Elimínense los abrasivos en el líquido para lavado con filtros o separadores de ciclón. Utilícense materiales más resistentes a la erosión en las caras como bronce o carburos de tungsteno o de silicio en lugar del carbón. Cámbiese de lugar la aplicación de líquido o póngase una cubierta en torno a la cara del sello estacionario para que no le llegue directamente el líquido.
GRIETAS POR CALOR Síntomas La presencia de grietas radiales que pueden ser pequeñas o grandes y que parecen salir del centro del anillo metálico o de cerámica. Estas grietas actúan como una serie de filos en contra del carbón, grafito u otros materiales del sello, con lo cual se desgastan con rapidez.
Grietas radiales en anillos metálicos o cerámicos producidos por calor.
Causas. Las causas comunes de las grietas por calor son: falta de lubricación, vaporización en las caras del sello, falta de enfriamiento y presiones y velocidades excesivas. Uno o más de estos factores pueden producir alta fricción y calor en lascaras del sello. Los esfuerzos térmicos excesivos producirán grietas delgadas. Correcciones
Compruébese que las condiciones de funcionamiento de la aplicación están dentro de los límites especificados por el sello. Confírmese que el flujo para enfriamiento es adecuado en las caras del sello para disipar el calor. Los alineamientos empíricos son que: la temperatura del líquido que circula por la cavidad del sello no debe tener un aumento mayor a 40 oC y la presión en la cavidad para el sello se debe mantener 25 psi (1,72 bar) por arriba de la presión de vapor del líquido que hay en la cavidad del sello para evitarla vaporización. Compruébese que no se ha sobrecargado el sello. El problema puede ser porque un cojinete o collar de empuje en el equipo se ha dañado o inutilizado y produzco cargas excesivas en las caras del sello. Utilícese materiales más resientes para la carga. Por ejemplo, si se utilizan revestimientos de cara dura, sustituirlos por carburos de tungsteno o de silicio que tengan límites de presión y velocidad (P‐V) más altos y más resistentes a las grietas
por calor.
Redúzcase el valor P‐V delsello. Es un factor de presión (psi) en las caras del sello,
multiplicada por la velocidad (ft/min) del diámetro exterior de la cara del sello. Sepuede consultar al fabricante y obtener sellos de otras dimensiones que reduzcan la carga hidráulica en las caras a fin de tener una P‐V más baja con los mismos materiales de la cara. Compruébese el enfriamiento y lubricación en las caras delsello y mejórense si es necesario.
AMPOLLAS Síntomas Las ampollas son secciones circulares pequeñas que sobresalen en las caras del sello de carbón. A veces ,se puede observar mejor si se utiliza un plano óptico o se pulen ligeramente las caras del sello. Las ampollas separan las caras del sello durante el funcionamiento y permiten fugas severas que suelen ocurrir en tres etapas:
Etapa I. Aparecen pequeñas secciones realzadas o salientes en las caras del sello. Etapa II. Aparecerán grietas en las secciones realzadas, con una configuración de estrella. Etapa III. Surgirán las ampollas y dejarán huecos en la cara del sello.
Fig. 9 Las ampollas producen huecos en las caras del sello de carbón Causas No se conoce bien las causa exacta de las ampollas. La mejor explicación es que los líquidos viscosos, como el aceite SAE 10, penetrarán por los intersticios de los sellos de carbón con el paso del tiempo. Cuando se calienta el sello, se expulsa el aceite por los poros. Las ampollas suelen ocurrir en sellos que trabajan en máquinas con paros y arranques frecuentes y con líquidos muy viscosos. Correcciones:
Redúzcase la viscosidad del líquido en la cavidad para el sello, ya sea con el empleo de un líquido diferente o el aumento de la temperatura del líquido. Trátese de eliminar los paros y arranques frecuentes de equipo que tiene sellos mecánicos. Sustitúyase el carbón o grafito por un material no poroso para la cara, como carburo de tungsteno, silicio, o bronce.
ASTILLADURAS Síntomas Son similares a los de las ampollas, pero no ocurren en las caras sino en el diámetro exterior y el lado trasero del sello.
Las astilladuras, son similares a las ampollas pero ocurren en la circunferencia del sello.
Causas Las astilladuras, igual que las ampollas, ocurren por esfuerzos térmicos excesivos, en un sello de carbón y grafito. Pero, al contrario de a las ampollas, parece ser que las astilladuras ocurren casi con cualquier líquido y se debe a la expulsión repentina de la humedad cuando se sobrecalienta el sello y se deben, casi exclusivamente a que el sello trabaja en seco. Por ello, si hay partes muy astilladas, indica que el equipo funcionó en seco más de unos momentos. Correcciones Para que el equipo no funcione en seco, se debe agregar un interruptor de presión o de carga. O como opción, se debe utilizar métodos alternos para sellamiento, como un sello doble que tenga un sistema de convección térmica o de lubricación forzada.
CONTROL AMBIENTAL PARA LOS SELLOS MECÁNICOS La actuación de los sellos mecánicos está gobernada directamente por las condiciones bajo las cuales opera. El sello mecánico prácticamente es un cojinete de carga axial y requiere que siempre exista una capa de líquido entre sus caras como elemento de lubricación. Cuando esta capa de líquido se pierde o transforma en vapor estamos en problemas. Desafortunadamente para el sello, el líquido bombeado no siempre tiene las características para actuar como lubricante. El control ambiental para los sellos se refiere a los sistemas que se pueden utilizar para modificar y controlar el ambiente del sello mecánico para así lograr un desempeño eficiente del mismo. Estos sistemas que también reciben el nombre de planes, fueron estandarizados por el instituto Americano del Petróleo (API) y el instituto Americano de Normas(ANSI) y compilados bajos las normas API 610, ANSI B73.1, ANSI B 73.2 y la más reciente, desarrollada en Octubre de 1994, la API 682.
SELLADO DE GASES El sellado de los gases es mucho más problemático que el de los líquidos. La forma más sencilla de evitar que el gas fluya de una zona de mayor presión (interior de! compresor) a una de menor presión (la atmósfera), es ajusfar estrechamente el eje y la carcasa del compresor. Este ajuste ocasionaría un gran ajuste de los elementos en contacto, y obligaría a cambiarlos a menudo. Por lo tanto, ésta es una solución inviable. En vez de realizar este ajuste, se recurre a sistemas de sellado que difieren de los empleados con los líquidos, ya que los gases presentan unas características particulares: la densidad de éstos y su viscosidad es mucho menor que la de los líquidos. Cierres en compresores centrífugos El sistema de sellado en los compresores también se denomina cierre, el más común es el de laberinto. Consiste en intercalar en el eje un número de puntos circulares dispuestos en serie que proporcionen una expansión sucesiva del fluido. La figura siguiente muestra un esquema simple de un sello de laberinto. Observa que los puntos de contacto están formados por una serie de cuchillas o filos circulares en contacto con el eje. Para formar los laberintos se emplean, por lo general, anillos de aluminio, que son los que soportarán el desgaste.
Cierre de laberinto El gas pierde energía al atravesar las pequeñas aberturas. Por tanto, se produce una pequeña caída de presión en cada filo. Estas caídas sucesivas de presión hacen que, en un momento determinado, el gas ya no tenga energía para fugarse. La pérdida de energía en los filos hacen que al gas le resulte más fácil fluir por la tubería principal de descarga que fugarse por los sellos Situación de los cierres Generalmente, los cierres de los compresores centrífugos se localizan:
Entre los alabes o paletas estacionarias. Recuerda que su misión es conducir el gas hacia los alabes móviles. Los cierres evitan la recirculación del gas entre los impulsores. En el pistón de balance, con la misión de evitar que el gas pase a la cámara que está en comunicación con la aspiración.
En los cierres, situados en los extremos del compresor (aspiración o impulsión). Generalmente, un cierre está constituido por tres partes: Cierre interno (cámara A). El gas llega a la cámara A, regulado por una válvula automática, desde la impulsión del compresor. Cierre central (cámara B). Está comunicado por un eyector, que aspira el gas que se haya podido escapar o filtrar entre los cierres. Cierre externo o escalonado (cámara C). Se le inyecta nitrógeno, que tiene la misión de crear una presión de cierre, que evite la entrada de aire atmosférico a través del venteo de la cámara C. Esta entrada de aire daría lugar a la formación de una mezcla explosiva.
Cierres de los extremos. Cierres por aceite El cierre por aceite, al igual que el de laberinto, evita que el gas salga entre el eje y la carcasa del compresor.
Cierre de aceite.
El principio de este tipo de cierres es el siguiente:
El aceite que entra a la cámara B, situada entre los dos anillos flotantes, se filtra por un lado hacia la cámara A, y por el otro hacia la cámara C. El aceite que llega a la cámara A, junto con el gas que haya pasado a través del laberinto interno, se envía a los purgadores, es decir, a drenaje. El aceite que llega a la cámara C se envía mediante un deflector al tanque de almacenamiento. El deflector de aceite es un dispositivo cuya misión es cambiar la dirección de las partículas de aceite para que entren en el tanque. Cierres de compresores alternativos En los compresores alternativos, se emplean los aros de empaquetaduras. Su misión es evitar las fugas de gas a través del eje. El cierre se realiza de dos formas: Por una parte, con unas empaquetaduras montadas en una caja metálica. Por otra, con aceite de lubricación que se le inyecta al pistón dentro de los aros. Una línea de venteo permite comprobar si la empaquetadura trabaja de forma correcta.
SELLOS MECÁNICOS LUBRICADOS CON GAS Los sellos mecánicos lubricados con gas (sellos de gas) son una moderna tecnología de sellado que pueden aplicarse en arreglo sencillo para el sellado de gases o bien en arreglo doble para sellado de líquidos en equipos rotatorios. Esta tecnología brinda ventajas económicas de operación y mantenimiento debido a su bajo nivel de fuga de gas de sellos, operación sin desgaste de sus caras y bajo consumo de potencia. Los sellos de gas en arreglo sencillo son aplicados en sopladores, ventiladores y turbinas de vapor, reemplazando a los sistemas de sellado de poca eficiencia tales como laberintos, anillos de restricción e incluso sellos mecánicos lubricados con líquido, por ejemplo sellos lubricados con aceite de compresores rotatorios. Los sellos mecánicos de gas pueden aplicarse en bombas e incluso en agitadores y reactores.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN La estructura de un sello mecánico de gas es similar a la de un sello lubricado con líquido, con la diferencia de que en el sello mecánico de gas las caras operan sin contacto entre sí debido a una película de gas.
Una de las caras tiene ranuras aerodinámicas que operan como álabes succionando el gas de sellos, incrementando su presión y estableciendo una película de este gas entre las dos caras del sello, evitando que estas hagan contacto y por lo tanto operan sin desgaste. La separación es de apenas algunos micrones, lo que resulta en una mínima fuga de gas de sellos y por lo tanto un mínimo costo de operación. Los sellos en arreglo sencillo que operan con presión por su diámetro externo son aplicados para sellar gases limpios, mientras que en arreglo doble son recomendados para el sellado de líquidos que no contengan sólidos, para los cuales se aplican sellos presurizados por su diámetro interior.
Arreglos de sellos mecánicos lubricado con gas 1) Cara 2) Asiento 3) Separación de sellado 4) Elementos de sellado secundario 5) Resortes 6) Ranura aerodinámica a) Sello sencillo presurizado en su diámetro externo para el sellado de gases en compresores. b) Sello en arreglo doble, presurizado en su diámetro externo para el sellado de líquidos en bombas. c) Sello en arreglo doble presurizado en su diámetro interior el sello interno (lado producto) y por el diámetro exterior el sello externo (lado atmosférico) para el sellado de líquidos con contenido de sólido
MATERIALES Los límites de operación de presión, temperatura y velocidad son determinados, además de por el diseño, por los materiales de los elementos de sellado secundario y de las caras del sello. La combinación de caras dura – suave (SiC – carbón grafito) es adecuada para bajas presiones. Esta combinación permite que las caras hagan contacto durante los periodos de paro y arranque con un mínimo desgaste. En aplicaciones de altas presiones, solo pueden emplearse ambas caras en materiales duros (SiC-SiC) para evitar las deformaciones de los elementos. Sin embargo esta combinación tiene un coeficiente de rozamiento muy grande por lo que debe buscarse la forma de reducirlo para podr usarlos. Un recubrimiento de Carbón tipo diamante (DLC = diamond like carbon) en una de las caras, permite que estas hagan contacto sin desgaste durante los paros y arranques del sello. Con estos materiales (SiC de alto módulo de elasticidad y excelente conductividad térmica, así como resistencia química) y el recubrimiento de carbon tipo diamante (de mínimo coeficiente de rozamiento) se obtienen sellos capaces de operar en severas Condiciones.
DISEÑO DE LOS SELLOS DE GAS
Para un adecuado diseño de un sello mecánico de gas se deben tomar en cuenta las variables que influyen sobre la geometría de la separación de sellado y por lo tanto en la cantidad de fuga, tales como la geometría y cantidad de ranuras aerodinámicas, el factor de empuje, la geometría y materiales de las caras (incluyendo cualquier deformación causada por las condiciones de operación), la velocidad, la presión a ser sellada, las características físicas del gas, de tal forma que se obtenga una mínima y óptima geometría de separación de sellado y por lo tanto una mínima cantidad de fuga, así como que la película de gas sea estable y las caras se mantengan sin contacto durante las fases de operación del sello. Estabilidad de la película de gas La estabilidad de la película de gas depende de la geometría y tipo de ranura. Por ejemplo: las ranuras unidireccionales generan mayor rigidez de película durante los inicios de operación que las ranuras bidireccionales, sin embargo ya en operación plena ambos tipos de ranuras se desempeñan en forma similar. Autorregulación de la película La separación de sellado es de menos de 5 mm. Esta película actúa como un resorte equilibrando las diferentes fuerzas de cierre que se presentan durante todas las fases de operación del sello, manteniendo la separación promedio entre las caras, evitando que estas hagan contacto o que se separen demasiado lo que resultaría en incremento de la cantidad de fuga. Los sellos mecánicos de gas deben operar sin contacto entre sus caras y debe prevenirse que estas rocen directamente aún por pequeños periodos de tiempo. Por lo lo que el diseño y selección de materiales debe realizarse con maestría, evitando grandes deformaciones por presión y temperatura de los componentes durante operación. Cálculo de la deformación La geometría de las caras resulta de complejos cálculos de deformación. Esto se lleva a cabo con métodos de cálculo con elementos finitos. La deformación de las caras depende de la presión desarrollada en la separación de sellado, pero también ésta depende de la geometría de la separación, por lo que debe reiterarse varias veces los cálculos para determinar el correcto diseño.
Deformación de la separación debido a la temperatura y presión (análisis por elementos finitos)
Las pruebas deben ser efectuadas en varias etapas desde condiciones menores a las de operación normal hasta condiciones mayores a las máximas. De esta forma se asegura que cuando el sello inicie su operación, éste mostrara un buen desempeño durante todas sus fases de operación. Influencia de las características del gas El diseño de los sellos de gas considera las propiedades físicas del gas, tales como viscosidad, peso molecular y el coeficiente Joule-Thomson. Este coeficiente indica el cambio en temperatura d un gas real que se expande cuando fluye a través de una restricción sin intercambiar calor con el medio (proceso adiabático).
DESEMPEÑO EN OPERACIÓN Fuga o consumo de gas buffer A través de la separación de sellado fluye a cierta cantidad gas buffer, lo que se define como cantidad de fuga o consumo de gas buffer. Esta cantidad es mucho menor que en sellos de laberinto o bujes. La cantidad de fuga depende de las condiciones de operación (presión, temperatura, velocidad y tipo de gas) y del tipo y dimensiones del sello. La cantidad de fuga es directamente proporcional a separación de sellado a la tercera potencia.
Diagrama de fuga de un sello de gas con ranuras tipo U (independiente del sentido de rotación), de un diámetro nominal dN = 140 mm, con aire como gas de sellado, para compresor
Consumo de potencia Debido a la operación sin contacto y a un menor esfuerzo cortante con la película de lubricación, el consumo de potncia de un sello de gas es mucho menor que en un sello de líquido, por lo que la tecnología de sellos de gas se puede aplicar a grandes presiones y velocidades. Coeficiente de rozamiento El coeficiente de rozamiento en la separación de sellados incrementa con el cuadrado de la velocidad periférica y es directamente proporcional a la distancia de separación. Turbulencia A grandes velocidades y presiones, la turbulencia causada en el fluido por los componentes rotatorios debe considerarse debido a que el rozamiento y por lo tanto el calor generado puede ser mayor que en la separación de sellado.
EMPAQUETADURAS Durante mucho tiempo, las empaquetaduras fueron los dispositivos más empleados Para sellar ejes. En la actualidad, han sido desplazadas por los cierres
mecánicos. La empaquetadura está compuesta por fibras que primeramente se trenzan, retuercen o mezclan en tiras y, luego, se conforman como espirales o anillos. Existen dos tipos de empaquetadura Trenzada Puede ser entretejida cuadrada, plegada cuadrada, trenzado sopre trenzado, y trenzado sobre núcleo. Las empaquetaduras de este tipo más empleadas son la entretejida cuadrada y la trenzada sobre núcleo. Las diferencias en el trenzado dependen del tipo de máquina en que se fabrican las empaquetaduras. Los materiales que se emplean para fabricar la empaquetadura son fibras animales, vegetales, minerales o varias sintéticas. Las más utilizadas son el asbesto, tela, yute y esparto. Metálica Se fabrica con plomo, babbitt, cobre o aluminio. El núcleo es de material elástico compresible (caucho sintético o mecha de asbesto) al que se le añade algún lubricante. Las empaquetaduras metálicas se emplean por su resistencia física y al calor. Las empaquetaduras de asbesto grafitado son las más usadas en los equipos que trabajan con productos petrolíferos y agua.
Ampacaduras trenzadas y metálicas
VENTAJAS DE LAS EMPAQUETADURAS
Facilidad para realizar su ajuste y su sustitución. Bajo coste.
INCONVENIENTES DE LAS EMPAQUETADURAS
Vida útil relativamente corta. Requieren reajustes frecuentes. En muchas ocasiones, necesitan una entrada de refrigeración.
VENTAJAS DE LOS SELLOS FRENTE A LAS EMPAQUETADURAS
Fugas despreciables a lo largo de toda la vida de servicio. Menor pérdida de potencia por fricción. Eliminación del desgaste en el eje o en los manguitos. Ausencia de mantenimiento periódico. Inconvenientes de los sellos frente a las empaquetaduras Requieren una instalación y manejo más delicados. Su sustitución requiere la parada del equipo.
CONCLUSIÓN
El bombeo de fluidos en la industria en general debe realizarse eficientemente, reduciendo al máximo los costes y evitando riesgos tanto a la planta como al personal. Para que esto sea posible, deben reducirse al máximo las fugas de los fluidos , así se evita la aparición de depósitos e incrustaciones, se previene el riesgo de explosiones entre otros. Para prevenir fugas, o evitar la entrada de aire, se emplean dispositivos de sellado. Entre estos dispositivos de sellados tenemos las empacaduras, los sellos mecánicos y sellos de gas. Básicamente un sello mecánico consiste de dos superficies anulares de rozamiento que están empujándose una contra otra o simplemente consiste de un anillo fijo sobre el rotor, el cual es empujado contra la carcasa de la máquina. Una superficie de rozamiento está fija a la parte estática de la máquina, mientras que la otra esta fija al rotor y gira junto con este. El fluido a ser sellado penetra entre ambas superficies de rozamiento formando una película de lubricación la cual fluye entre las superficies constantemente. Estos se clasifican Los sellos mecánicos se clasifican por el tipo de montaje, sea interno o externo y si son equilibrados (balanceados) o desequilibrados. En sellos internos los cuales se instalan con todos los componentes selladores expuestos al líquido de proceso, es decir, al líquido que circula por la bomba y sellos externos tienen el mismo principio de funcionamiento de los sellos internos, sólo se diferencian en que los componentes selladores están protegidos del fluido del proceso. Las fallas presentes en los sellos mecánicos pueden ser debidas a errores en la instalación, problemas por el diseño básico del sello mecánico y contaminación del líquido en el prensaestopas. Es necesario y de suma el análisis de falla para obtener información acerca del funcionamiento de estos. El análisis de fallas va a consistir en identificar si los daños son por acción química, mecánica o térmica, y tomar las medidas para que no se repitan. Los sello de gas lubricados con gas es una nueva tecnología de sellado que pueden aplicarse en arreglo sencillo para el sellado de gases o bien en arreglo doble para sellado de líquidos en equipos rotatorios. Son aplicados en sopladores, ventiladores y turbinas de vapor, reemplazando a los sistemas de sellado de gases y líquidos de poca eficiencia tales como laberintos, anillos de restricción e incluso sellos mecánicos lubricados con líquido. Tiene con si ventajas económicas de operación y mantenimiento debido a su bajo nivel de fuga de gas de sellos, operación sin desgaste de sus caras y bajo consumo de potencia. Es de gran importancia el uso de sellos mecánicos y gas, ya que con relación a otros sistemas de sellado como la empacadura estos tienen como ventaja menor pérdida de potencia por fricción, ausencia de mantenimiento periódico, , lo que trae como consecuencia menos costo en el mantenimiento de estos.
BIBLIOGRAFÍA
