Mejorando la Confiabilidad Enfriando la Cara los Sellos Mecánicos

Los efectos del calentamiento son la mayor causa de falla de los sellos mecánicos utilizados en bombas, mezcladoras, agitadores, y en cualquier lugar que un eje rotativo pasa a través de la carcasa de una máquina sellada. El diseño, la instalación o el mantenimiento inadecuados, pueden generar sobrecalentamiento y la falla catastrófica del sistema, comprometiendo la seguridad de los operarios y generando un peligro ambiental como resultado de la contaminación por fugas a través de los sellos mecánicos.

Este artículo discute que la efectividad de los pasos que se pueden tomar para reducir la temperatura de un sello mecánico problemático. formal para controlar cualquier cambio a las especificaciones existentes.

Tabla 1. Propiedades Típicas de Materiales de Sellos Mecánicos 5

Elementos Típicos de un Sello Mecánico

La Figura 1 muestra los elementos básicos de un sello mecánico de cartucho, donde el anillo primario está colocado al interior de la máquina y gira sobre el eje, y la presión actúa externamente del diámetro exterior al diámetro interior a través de la cara del sello. El sello de cartucho es el tipo más común de sello mecánico sencillo, dado que puede soportar altas presiones y diferentes estrategias de enfriamiento. Los componentes principales son: un anillo principal que gira junto con el eje, y su contraparte el plato o anillo estático que va fijado al prensaestopas (también conocido como estopero). Un mecanismo de empuje (ya sean resortes o un fuelle con sus anillos tóricos u O-Rings) presiona al anillo principal contra el anillo estático para asegurar que estén en contacto y evitar fugas. A la fuerza ejercida por los resortes más la fuerza hidráulica que empuja un anillo contra el otro, se le conoce como fuerza de cierre.

El fluido de enfriamiento, normalmente es el mismo fluido de proceso y es alimentado por lo general a un flujo de 1 GPM. Este fluido entra a través del puerto(s) de entrada y fluye sobre los anillos y entre las caras de los anillos para crear una presión hidrodinámica que genera una fuerza de apertura que promueve la separación de las superficies de los anillos. Otros dos elementos contribuyen a esta fuerza de apertura son: el empuje hidrostático debido a la diferencia de presiones entre la cámara del prensaestopas y el medio ambiente y la fuerza centrífuga resultante del giro del anillo principal. Al final existe una fuerza resultante actuando sobre las superficies. Este es un parámetro de diseño muy delicado: una fuerza de cierre excesiva generará mucho desgaste, y una elevada fuerza de apertura hará al sello susceptible a tener mayores fugas.

Tabla 2. Valores Típicos de Coeficientes de Transferencia de Calor por Convección. Basado en un sello con 4 pulgadas de diámetro exterior, girando a 3,600 rpm1

Factores de los Sellos Mecánicos

Materiales

Para reducir la fricción y el desgaste, el anillo principal y para el anillo estático típicamente se seleccionan de materiales distintos. A menudo, los materiales de estas 2 superficies en contacto se seleccionan con una gran diferencia en el módulo de elasticidad; por ello, la superficie más suave puede amoldarse a la más rígida y proveer un sellado más hermético. Otro elemento a considerar es el coeficiente de fricción entre las caras, que es responsable de la generación de calor y la consecuente expansión térmica. La Tabla 1 muestra las propiedades relevantes de varios materiales para la cara del sello6. Comúnmente el coeficiente de fricción entre las caras está entre f=0.02 y 0.08. Por lo general el torque de arranque en seco es de tres a cinco veces mayor.

Planicidad y acabado

La mayoría de los sellos mecánicos se lapean y se pulen para alcanzar una planicidad de dos a tres bandas de luz de helio (de 0.6 a 0.9 micrones) y un acabado superficial de cuatro a cinco micro-pulgadas (0.102 a 0.127 µm). El acabado superficial juega un papel importante en el espesor de película entre las caras del sello y en la generación de calor interfacial.

Temperatura

La temperatura del sello es crítica. Si es demasiado elevada el material de la cara del sello se llenará de fisuras, grietas, fracturas y fallará. El cálculo de esta temperatura involucra detalles pobremente definidos como el perfil de rugosidad de la superficie y la interacción entre las asperidades. El ejemplo 1 muestra la forma de estimar los factores primarios así como las modificaciones sugeridas para reducir la temperatura interna del sello mecánico.

Figura 1. Sello Mecánico

Desempeño y Análisis Térmico

El ejemplo 1 presenta un modelo simplificado para evaluar los factores de desempeño y su influencia en la temperatura del sello. Análisis más detallados están disponibles en las referencias incluidas en la versión en línea de este artículo, y los fabricantes de sellos pueden proporcionarle recomendaciones para la selección del sello así como las condiciones de operación típicas encontradas en aplicaciones específicas.

Ejemplo 1: El sello mecánico interior mostrado en la Figura 2 utiliza grafito en el anillo primario y carburo de tungsteno en el anillo estático o plato, en un sistema con agua de enfriamiento a P1 = 750 psi y 100°F con el eje girando a N = 3450 rpm. El anillo principal tiene las siguientes dimensiones: Dp = 2.0 pulg, dp = 1.4 pulg, y el diámetro del resalte del eje es B = 1.6 pulg. La presión del resorte es Psp = 25 psi.

Figura 2. Definición de los términos del ejemplo

Presión en la cara del sello
La presión en la cara del sello puede estimarse utilizando la siguiente ecuación:

donde k es factor del gradiente de presión, que varía de 0.5 a 0.8. Para agua y fluidos no volátiles, k=0.5 y b es la relación de balance definida como el área cerrada del anillo primario dividida por el área abierta del mismo, y expresada como:

Factor PV El factor presión-velocidad (PV) es comúnmente considerado un parámetro relacionado con las pérdidas por fricción, la temperatura de la superficie y la tasa de desgaste. Para determinarlo, la velocidad media (Vm) debe ser calculada.

Así pues el factor PV queda como:

Esto está por encima del valor límite PV de 200,000 considerado a menudo como el valor máximo para utilizar sellos mecánicos no balanceados. Algunos valores límites de PV se definen una vida de 15000 hrs para combinaciones específicas de fluidos, tipos de sello y combinación de materiales de las caras de los anillos. Por ejemplo, un sello mecánico usando una combinación de cerámica vs grafito a 1750 rpm puede tener un factor PV límite de 150,000 psi-ft/min con agua 150°F (65°C) y 205,000 con un aceite lubricante de baja viscosidad. No obstante estos pueden llegar hasta e inclusive ser mayores de 500,000.

Pérdidas de Energía

Para determinar las pérdidas por fricción, se debe calcular el área de contacto. La ecuación básica del área es A = ∏r2.

El coeficiente de fricción entre las superficies de grafito y de carburo de tungsteno se estima f=0.07. La pérdida por fricción es:

Flujo de Enfriamiento

Comúnmente, para aplicaciones que utilizan agua como fluido de enfriamiento, se recomienda mantener el incremento de temperatura por debajo de ∆T = 15°F (~8.3°C), El flujo de enfriamiento se calcula como:

Por lo tanto, solo 0.32 gpm deben ser suficientes para esta aplicación. Esto implica que para que la temperatura del agua en la cámara del sello se mantenga alrededor de los 100°F (38°C) en la zona cercana a los anillos del sello, debe ser introducida a 92.5°F (~33.6°C) y salir a 107.5°F (~41.9°C), para así satisfacer la diferencia de 15°F (8.3°C) descrita en la tabla 2.Temperatura Promedio de la cara del sello
Para estimar la temperatura de la cara del sello, el coeficiente de transferencia de calor por convección se debe conocer; refiérase a la Tabla 2. Utilizando la expresión recomendada por Buck1.

donde kp y km son las conductividades térmicas de 8.6 y 58 Btu/hr-ft °F de la Tabla 1 para los anillos de grafito y de carburo de tungsteno respectivamente. El ancho del sello, w, puede ser tomada como la diferencia entre el diámetro interior y el diámetro exterior del anillo giratorio en (1.4 y 2.0 pulg respectivamente) divididos entre 2 y convertidos a pies. Tsf representa la temperatura del fluido de enfriamiento que está alrededor de los anillos. Nótese que esta temperatura promedio está por debajo de la temperatura de evaporación del agua por lo que la ebullición en las caras del sello puede ser descartada.Esto es un análisis simplificado, dado que las caras de los sellos mecánicos tienen diversas formas, tamaños y configuraciones. Un análisis que contempla varias geometrías de sellos mecánicos así como la transmisión de calor a través de los anillos del sello, ha sido presentada por Luan y Khonsari6.

Desgaste y Vida del Sello

Algunos sellos duran indefinidamente mientras otros tiene una corta expectativa de vida, por lo que hay poca información disponible respecto a la vida y al desgaste. Cuando los operarios de la maquinaria encuentran fugas u otra indicación de desgaste al poco tiempo de la puesta en operación del equipo, se debe considerar: reducir el factor PV en la cara del sello, utilizar sellos con una combinación de materiales más resistentes al desgaste y eliminar la contaminación.

La tasa de desgaste de las caras del sello, generalmente se comporta de forma similar a las pérdidas por fricción con respecto al factor PV de la cara del sello: entre mayor sea la presión de contacto del sello y la velocidad de la superficie, mayor es la tasa de desgaste. Con una mayor dureza del material del sello, se espera una reducción proporcional en la tasa de desgaste.

Reduciendo la Temperatura del Sello
Siguiendo métodos específicos para el análisis térmico, a menudo es posible reducir la temperatura de la cara del sello con los consiguientes beneficios de confiabilidad, eficiencia y vida. Los siguientes puntos, son algunas acciones a tomar en cuenta para reducir la temperatura de operación del sello:

Reduzca la presión del sello: reducir la fuerza de cierre de los resortes para estar más cerca de la fuerza hidráulica de apertura del sello.
Recurra a una combinación de materiales con una amplia diferencia de módulo de elasticidad entre el anillo primario y el anillo estático.
Utilice una combinación con una amplia diferencia de módulo de elasticidad entre el anillo primario y el anillo estático.
Explore una mejor estrategia de enfriamiento tal como se especifica en el estándar API 862 del Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum Institute) para sistemas de sellado de bombas.

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.