Este artículo discute los avances tecnológicos en el mantenimiento de plantas destinados a reducir costos y mejorar la eficiencia de los sellos mecánicos. Destaca innovaciones como el sellado mecánico de cara final sin contacto con ranuras, que reduce la fricción y el desgaste utilizando gas inerte en lugar de barreras líquidas. Nuevos materiales como el carburo de silicio con propiedades autolubricantes y superficies de sellado recubiertas de diamante mejoran la durabilidad y el rendimiento. La estandarización a través de EN 12756 y API 682 asegura la intercambiabilidad y la reducción de costos. Estos avances mejoran significativamente la fiabilidad del sellado, el ahorro de energía y la vida útil, especialmente en aplicaciones críticas como petróleo y gas, petroquímicos y farmacéuticos.
En el mantenimiento de plantas se pueden reducir costos. Para lograr esto, hay dos factores importantes:
Desarrollo tecnológico
Un sello mecánico consta de un componente giratorio (anillo dinámico) y un componente fijo (anillo estático). El anillo móvil generalmente está conectado a la parte giratoria del equipo (como el eje), mientras que el anillo estacionario está conectado a la parte fija de la máquina (como la caja de empaquetadura de la bomba rotativa). Para asegurar un rendimiento de sellado efectivo, la superficie de sellado debe ser absolutamente plana y la rugosidad de la superficie debe ser extremadamente baja. Los anillos dinámicos y estáticos precisamente emparejados pueden ajustarse firmemente, previniendo efectivamente la fuga de fluidos de proceso.
La interacción entre las dos superficies de sellado determina el estado de equilibrio hidráulico del sello mecánico. Bajo condiciones de trabajo normales, la película líquida formada puede lograr un equilibrio hidráulico entre las fuerzas de apertura y cierre generadas por la presión del fluido de sellado, limitando así la fuga física. El estándar API 682 proporciona orientación detallada y especificaciones sobre cómo calcular los parámetros de tamaño correctos.
Sin embargo, durante la operación, el anillo de sellado puede deformarse debido a tensiones mecánicas y térmicas, lo que puede afectar el rendimiento del sello mecánico. Esta deformación romperá el equilibrio hidráulico original, haciendo que la película líquida entre las superficies de sellado sea inestable y conduzca a fugas excesivas.
Por lo tanto, los ingenieros están explorando constantemente nuevos métodos tecnológicos para reducir la fricción, especialmente bajo condiciones de aplicación críticas, con un enfoque especial en el desarrollo de nuevos materiales y la aplicación de nuevas tecnologías de sellado. Estas innovaciones han mejorado significativamente la eficiencia y fiabilidad del sellado en los procesos de producción modernos.
Tecnología sin contacto - cara final deslizante con ranuras
El sistema de sellado mecánico de cara final sin contacto consta de un anillo móvil y un anillo estacionario. La cara final del anillo móvil está especialmente procesada para tener una forma geométrica específica (como espiral o escalonada), que puede generar efectos dinámicos de fluidos entre las dos caras finales, formando así un pequeño espacio estable entre ellas (consulte la Figura 1). Este diseño utiliza el principio de elevación dinámica de fluidos, permitiendo que la superficie de sellado mantenga un estado de sellado efectivo sin contacto directo.
A diferencia de los sellos de contacto tradicionales, este diseño sin contacto no depende de barreras líquidas y sus sistemas de soporte relacionados. Por el contrario, logra el efecto de sellado suministrando gas inerte a la interfaz de sellado. La selección de gases inertes generalmente se basa en su estabilidad química y adaptabilidad al entorno de trabajo para evitar reacciones con el medio sellado. Además, la presión y el caudal del gas inerte pueden controlarse con precisión a través de un panel de control simple para asegurar la estabilidad y fiabilidad del rendimiento del sellado.
Debido a la reducción efectiva del coeficiente de fricción y el desgaste de los sellos a casi cero, esta solución es muy adecuada para aplicaciones que requieren un ahorro significativo de energía, especialmente en las industrias de petróleo y gas, petroquímica y farmacéutica que requieren cero emisiones.
Nuevos materiales de generación
Los materiales de carburo de silicio con propiedades autolubricantes son ampliamente utilizados en sellos mecánicos. En la selección de emparejamiento para partes móviles, generalmente se utilizan materiales de diferente dureza para minimizar la fricción tanto como sea posible. La selección de la combinación de anillos de sellado es particularmente crucial, entre los cuales la combinación más comúnmente utilizada es el anillo de carbono y el anillo de carburo de silicio (ver Figura 2, coeficiente de presión x velocidad de ciclo PxV para combinaciones de superficies comunes). Esta combinación no solo tiene una excelente conductividad térmica y resistencia química, sino que también resiste efectivamente el desgaste causado por partículas abrasivas en el fluido.
Cuando los anillos de grafito y los anillos de carburo de silicio se deforman por diversas razones, exhiben una excelente adaptabilidad mutua, manteniendo así un buen rendimiento de sellado. Sin embargo, en situaciones donde la presión de trabajo es muy alta o el fluido contiene una gran cantidad de suciedad, se deben usar dos anillos de alta dureza para asegurar el efecto de sellado. Aunque estos materiales tienen un alto coeficiente de fricción, esto puede resultar en la generación de más calor durante la rotación, lo que puede causar la evaporación de la película líquida, llevando a un funcionamiento en seco, deformación o fractura del anillo, y afectando el rendimiento de las juntas auxiliares.
Un proceso de fabricación recientemente desarrollado implica agregar partículas de material autolubricante a una matriz de carburo de silicio sinterizado a través del método de inmersión (método de inmersión de carburo de silicio). Los anillos fijos y giratorios fabricados con este método pueden alcanzar límites de rendimiento extremadamente altos. Específicamente, los sellos mecánicos que utilizan este material pueden limitar el valor de par absorbido, reduciendo significativamente la fricción y la generación de calor. Esto no solo mejora la durabilidad y confiabilidad de los componentes de sellado, sino que también extiende su vida útil, especialmente adecuado para aplicaciones bajo condiciones de trabajo extremas.
Superficie de sellado recubierta de diamante
Los anillos de carburo de silicio generalmente están recubiertos con una fina capa de recubrimiento de diamante a través del proceso de deposición química de vapor (CVD) para mejorar sus propiedades tribológicas y compatibilidad química. En aplicaciones de agua caliente en plantas de energía e instalaciones de petróleo y petroquímica, los gases líquidos son propensos a la evaporación, lo que lleva a la pérdida de rendimiento de lubricación, mientras que los recubrimientos de diamante pueden mejorar significativamente la resistencia al desgaste y la corrosión de los sellos.
En la industria farmacéutica, los sellos tradicionales a menudo no pueden cumplir con los estrictos requisitos debido a la necesidad de evitar cualquier contaminación, mientras que los sellos recubiertos de diamante exhiben una excelente inercia química y pureza, cumpliendo completamente con estos altos estándares.
Además, los sellos mecánicos que utilizan anillos recubiertos de diamante pueden soportar una breve operación bajo condiciones de funcionamiento en seco de sellado dual y sellado sin contacto, ampliando aún más su rango de aplicación.
Sellos de maquinaria de ingeniería
Durante la fase de diseño, mantener la consistencia en el área de la sección transversal del anillo de sellado es un gran desafío (ver Figura 3). Esta consistencia es crucial para asegurar la estabilidad de conducción del anillo de sellado y prevenir la inversión. Este tipo de sello se utiliza actualmente de manera amplia en bombas de alimentación de calderas, tuberías, sistemas de inyección de agua, bombas multifásicas y otras aplicaciones de alta presión con presiones de trabajo superiores a 100 bar. Controlar con precisión el tamaño y la forma del anillo de sellado no solo ayuda a mantener el rendimiento de sellado, sino que también reduce efectivamente el desgaste y extiende la vida útil.
Estandarización e intercambiabilidad
Los componentes de sellos mecánicos, al igual que otros accesorios industriales, tienen un estándar de referencia que especifica sus dimensiones de instalación, permitiendo el uso de sellos producidos por otros fabricantes para su reemplazo. Esto no solo mejora la calidad del servicio para los usuarios finales, sino que también reduce los costos operativos de la fábrica.
Estándar EN 12756
El estándar EN 12756 especifica las principales dimensiones de instalación para sellos mecánicos simples y dobles cuando se utilizan como componentes, excluyendo bridas y mangas que cubren componentes giratorios y fijos. En el período posterior a la guerra, el primer lote de sellos mecánicos fue introducido desde los Estados Unidos a Europa, con la unidad de medida en pulgadas.
El estándar DIN 24960 evolucionó más tarde en el estándar EN 12756, trayendo beneficios significativos a los fabricantes que producen bombas según los estándares ISO, especialmente para los usuarios finales que ya no están limitados a proveedores de sellos que ofrecen productos no estandarizados. El precio de los sellos y sus costos de mantenimiento relacionados han disminuido significativamente.
Estándares API
Las bombas en equipos de petróleo y gas generalmente se fabrican de acuerdo con los estándares API 610, mientras que los sellos mecánicos se fabrican típicamente de acuerdo con los estándares API 682. Según este estándar, los sellos deben proporcionarse en forma de componentes cilíndricos, equipados con bridas y bujes, para simplificar la instalación y permitir pruebas antes de la entrega. El estándar API proporciona recomendaciones para determinar el tamaño de los sellos mecánicos en función de las especificaciones de la caja de empaquetadura de diferentes bombas API en el mercado.
Esta estandarización no solo es técnicamente viable, sino que también puede estandarizar las dimensiones generales de los componentes dentro de la caja de empaquetadura, logrando así una producción en masa a mediana escala y reduciendo los costos de fabricación y gestión de almacenes.
Importante, esta estandarización permite a los usuarios finales elegir diferentes 'fabricantes de sellos mecánicos calificados', eliminando así problemas de intercambiabilidad. A través de este método, los usuarios pueden elegir sellos adecuados de manera flexible y asegurar su reemplazo sin problemas, reduciendo el tiempo de inactividad y los costos de mantenimiento causados por sellos incompatibles.
