Este artigo discute os avanços tecnológicos na manutenção de plantas visando reduzir custos e melhorar a eficiência das vedações mecânicas. Destaca inovações como a vedação mecânica de face final sem contato com ranhuras, que reduz o atrito e o desgaste usando gás inerte em vez de barreiras líquidas. Novos materiais como carboneto de silício com propriedades autolubrificantes e superfícies de vedação revestidas de diamante aumentam a durabilidade e o desempenho. A padronização através das normas EN 12756 e API 682 garante intercambiabilidade e redução de custos. Esses avanços melhoram significativamente a confiabilidade das vedações, economias de energia e vida útil, especialmente em aplicações críticas como petróleo e gás, petroquímicos e farmacêuticos.
Na manutenção de plantas, é possível reduzir custos. Para alcançar isso, há dois fatores importantes:
Desenvolvimento tecnológico
Uma vedação mecânica consiste em um componente rotativo (anel dinâmico) e um componente fixo (anel estático). O anel móvel geralmente está conectado à parte rotativa do equipamento (como o eixo), enquanto o anel estacionário está conectado à parte fixa da máquina (como a caixa de embalagem da bomba rotativa). Para garantir um desempenho de vedação eficaz, a superfície de vedação deve ser absolutamente plana e a rugosidade da superfície deve ser extremamente baixa. Os anéis dinâmico e estático precisamente combinados podem se encaixar firmemente, prevenindo efetivamente o vazamento de fluidos de processo.
A interação entre as duas superfícies de vedação determina o estado de equilíbrio hidráulico da vedação mecânica. Em condições normais de trabalho, o filme líquido formado pode alcançar o equilíbrio hidráulico entre as forças de abertura e fechamento geradas pela pressão do fluido de vedação, limitando assim o vazamento físico. A norma API 682 fornece orientações e especificações detalhadas sobre como calcular os parâmetros de tamanho corretos.
No entanto, durante a operação, o anel de vedação pode deformar-se devido a tensões mecânicas e térmicas, o que pode afetar o desempenho da vedação mecânica. Essa deformação quebrará o equilíbrio hidráulico original, tornando o filme líquido entre as superfícies de vedação instável e levando a vazamentos excessivos.
Portanto, os engenheiros estão constantemente explorando novos métodos tecnológicos para reduzir o atrito, especialmente em condições de aplicação crítica, com foco especial no desenvolvimento de novos materiais e na aplicação de novas tecnologias de vedação. Essas inovações melhoraram significativamente a eficiência e a confiabilidade das vedações nos processos de produção modernos.
Tecnologia sem contato - face deslizante com ranhuras
O sistema de vedação mecânica de face final sem contato consiste em um anel móvel e um anel estacionário. A face final do anel móvel é especialmente processada para ter uma forma geométrica específica (como espiral ou degraus), que pode gerar efeitos dinâmicos de fluido entre as duas faces finais, formando assim uma pequena lacuna estável entre elas (consulte a Figura 1). Este design utiliza o princípio de elevação dinâmica de fluidos, permitindo que a superfície de vedação mantenha um estado de vedação eficaz sem contato direto.
Ao contrário das vedações de contato tradicionais, este design sem contato não depende de barreiras líquidas e seus sistemas de suporte relacionados. Pelo contrário, ele alcança o efeito de vedação fornecendo gás inerte à interface de vedação. A seleção de gases inertes é geralmente baseada em sua estabilidade química e adaptabilidade ao ambiente de trabalho para evitar reações com o meio selado. Além disso, a pressão e a taxa de fluxo do gás inerte podem ser precisamente controladas através de um painel de controle simples para garantir a estabilidade e a confiabilidade do desempenho de vedação.
Devido à redução efetiva do coeficiente de atrito e ao desgaste das vedações para quase zero, esta solução é muito adequada para aplicações que exigem economias significativas de energia, especialmente nas indústrias de petróleo e gás, petroquímica e farmacêutica que exigem emissões zero.
Materiais de nova geração
Materiais de carboneto de silício com propriedades autolubrificantes são amplamente utilizados em vedações mecânicas. Na seleção de combinações para peças móveis, materiais de diferentes durezas são geralmente usados para minimizar o atrito o máximo possível. A seleção da combinação de anéis de vedação é particularmente crucial, sendo a combinação mais comumente usada o anel de carbono e o anel de carboneto de silício (ver Figura 2, coeficiente de pressão x velocidade de ciclo PxV para combinações de superfícies comuns). Esta combinação não só possui excelente condutividade térmica e resistência química, mas também resiste efetivamente ao desgaste causado por partículas abrasivas no fluido.
Quando anéis de grafite e anéis de carboneto de silício deformam-se por várias razões, eles exibem excelente adaptabilidade mútua, mantendo assim um bom desempenho de vedação. No entanto, em situações onde a pressão de trabalho é muito alta ou o fluido contém uma grande quantidade de sujeira, dois anéis de alta dureza devem ser usados para garantir o efeito de vedação. Embora esses materiais tenham um alto coeficiente de atrito, isso pode resultar na geração de mais calor durante a rotação, o que pode causar evaporação do filme líquido, levando a funcionamento a seco, deformação ou fratura do anel, e afetando o desempenho de juntas auxiliares.
Um processo de fabricação recentemente desenvolvido envolve a adição de partículas de material autolubrificante a uma matriz de carboneto de silício sinterizado através do método de imersão (método de imersão em carboneto de silício). Os anéis fixos e rotativos feitos usando este método podem alcançar limites de desempenho extremamente altos. Especificamente, vedações mecânicas usando este material podem limitar o valor do torque absorvido, reduzindo significativamente o atrito e a geração de calor. Isso não apenas melhora a durabilidade e a confiabilidade dos componentes de vedação, mas também estende sua vida útil, especialmente adequado para aplicações em condições de trabalho extremas.
Superfície de vedação revestida de diamante
Anéis de carboneto de silício são tipicamente revestidos com uma fina camada de revestimento de diamante através do processo de deposição química de vapor (CVD) para melhorar suas propriedades tribológicas e compatibilidade química. Em aplicações de água quente em usinas de energia e instalações de petróleo e petroquímicas, gases líquidos são propensos à evaporação, levando à perda de desempenho de lubrificação, enquanto revestimentos de diamante podem melhorar significativamente a resistência ao desgaste e à corrosão das vedações.
No setor farmacêutico, vedações tradicionais muitas vezes não conseguem atender a requisitos rigorosos devido à necessidade de evitar qualquer contaminação, enquanto vedações revestidas de diamante exibem excelente inércia química e pureza, atendendo plenamente a esses requisitos de alto padrão.
Além disso, vedações mecânicas usando anéis revestidos de diamante podem suportar operação breve sob condições de operação a seco de vedação dupla e vedação sem contato, expandindo ainda mais sua gama de aplicações.
Vedações para máquinas de engenharia
Durante a fase de design, manter a consistência na área da seção transversal do anel de vedação é um grande desafio (veja a Figura 3). Essa consistência é crucial para garantir a estabilidade de condução do anel de vedação e evitar reversão. Este tipo de vedação é atualmente amplamente utilizado em bombas de alimentação de caldeiras, tubulações, sistemas de injeção de água, bombas multifásicas e outras aplicações de alta pressão com pressões de trabalho superiores a 100 bar. Controlar com precisão o tamanho e a forma do anel de vedação não apenas ajuda a manter o desempenho de vedação, mas também reduz efetivamente o desgaste e estende a vida útil.
Padronização e intercambiabilidade
Os componentes de vedação mecânica, como outros acessórios industriais, têm um padrão de referência que especifica suas dimensões de instalação, permitindo o uso de vedações produzidas por outros fabricantes para substituição. Isso não apenas melhora a qualidade do serviço para os usuários finais, mas também reduz os custos operacionais da fábrica.
Padrão EN 12756
O padrão EN 12756 especifica as principais dimensões de instalação para vedações mecânicas simples e vedações mecânicas duplas quando usadas como componentes, excluindo flanges e mangas que cobrem componentes rotativos e fixos. No início do período pós-guerra, o primeiro lote de vedações mecânicas foi introduzido dos Estados Unidos para a Europa, com a unidade de medida sendo polegadas.
O padrão DIN 24960 evoluiu posteriormente para o padrão EN 12756, trazendo benefícios significativos para fabricantes que produzem bombas de acordo com os padrões ISO, especialmente para usuários finais que não estão mais limitados a fornecedores de vedações que fornecem produtos não padronizados. O preço das vedações e seus custos de manutenção relacionados diminuíram significativamente.
Padrões API
Bombas em equipamentos de petróleo e gás são tipicamente fabricadas de acordo com os padrões API 610, enquanto vedações mecânicas são tipicamente fabricadas de acordo com os padrões API 682. De acordo com este padrão, as vedações devem ser fornecidas na forma de componentes cilíndricos, equipados com flanges e buchas, para simplificar a instalação e permitir testes antes da entrega. O padrão API fornece recomendações para determinar o tamanho das vedações mecânicas com base nas especificações da caixa de enchimento de diferentes bombas API no mercado.
Essa padronização não é apenas tecnicamente viável, mas também pode padronizar as dimensões gerais dos componentes dentro da caixa de enchimento, alcançando assim produção em massa em escala média e reduzindo os custos de fabricação e gestão de armazém.
Importante, essa padronização permite que os usuários finais escolham diferentes 'fabricantes qualificados de vedações mecânicas', eliminando assim problemas de intercambiabilidade. Através deste método, os usuários podem escolher de forma flexível vedações adequadas e garantir sua substituição suave, reduzindo o tempo de inatividade e os custos de manutenção causados por vedações incompatíveis.
