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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARIA SEDE CONCEPCION“REY BALDUINO DE BÉLGICA”
CONCEPCION
PAUTA DE SELECCIÓN DE SELLOS MECANICOS
TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNICO UNIVERSITARIO EN MECANICA INDUSTRIAL
Alumno : José Gabriel Sereño Herrera
Profesor Guía: Sr. José Emilio López Silva
-2009-
2
RESUMEN
El propósito para esta memoria es, realizar un estudio de los diversos métodos de
sellado ya sea para movimiento estático o dinámico, y efectuar una pauta que
permita seleccionar un sello adecuado para una característica determinada.
Cabe señalar que al recopilar información para esta memoria se encontró con la
limitancia de la gran extensión en el tema del sellamiento, siendo por esto que la
pauta de selección solo incluirá algunos tipos de sellos estáticos y dinámicos,
también es importante señalar que la selección de un sello esta en directa relación
con el tipo de fluido a sellar.
3
INTRODUCCION
La presente investigación pretende estudiar a fondo la problemática del sellado
dinámico por medio de las aplicaciones con sellos mecánicos, el sellado dinámico en
los diversos procesos industriales resulta cada vez un tema muy extenso y complejo
debido a las normativas internacionales y las exigencias de las mismas para evitar
filtraciones en la manipulación de fluidos, sobre todo cuando se trata de alterar el
medio ambiente.
En los equipos mecánicos del tipo rotativo es muy común que sus detenciones sean
ocasionadas por fallas de sellado, resultando en pérdidas económicas para las
empresas por bajas de producción y costos en mantención. Por esto se le da gran
importancia a lograr un funcionamiento optimo de los componentes de sellado,
siendo fundamental para esta tarea manejar un alto conocimiento de los equipos,
condiciones de trabajo, principios de funcionamiento, características de las zonas de
sellado y del tipo de fluido a manipular, además se debe tener en cuenta que existe
una larga lista de dispositivos de sellado con sus respectivas limitantes y ventajas
técnicamente hablando.
Es importante recalcar que esta investigación no abarca la extensa gama de tipos de
sellado, pero si entregara una pauta de selección de los principales componentes de
un sello mecánico, en relación a las características que posea el fluido a sellar y de
acuerdo al espacio que se tenga por diseño.
No se debe hacer una elección del tipo de sellado sin considerar la importancia
respecto al tipo de fluido a manipular, no es comparable una fuga en una línea de
vapor a una en el manejo de gases nocivos para la salud y de alto riesgo ambiental,
además esto conlleva también pérdidas económicas que tampoco son comparables
ya que al liberar vapor la pérdida económica se traduce en un mayor gasto de
energía para recuperar la fuga, sin embargo los costos con gases peligrosos
adicionan gastos en indemnizaciones y multas.
4
INDICE
Resumen………………………………………………………………………… 2
Introducción…………………………………………………………………….. 3
Nomenclatura…………………………………………………………………... 6
CAPITULO 1 Sellado General………………………………………………... 7
Reseña histórica……………………………………………………….. 8
¿Qué son los sellos?....................................................................... 10
Cero escurrimiento……………………………………………………. 11
Clasificación general de los sellos mecánicos…………………….. 12
Definiciones del esquema de los sellos………………………………….. 13
CAPITULO 2 Sellado Dinámico…………………………………………………. 15
Elementos fundamentales que constituyen un sello………………. 16
formación de la película de fluido……………………………………… 17
Arosello para sellado dinámico……………………………………… 18
Aplicaciones dinámicas en empaquetaduras tipo compresible…….. 20
Diseño de la ranura…………………………………………………… 23
Lubricación…………………………………………………………….. 24
Consideraciones generales en aplicaciones dinámicas de arosellos. 25
CAPITULO 3 Sellos Mecánicos……………………………………………….. 27
Principios generales…………………………………………………….. 28
Principio de funcionamiento……………………………………………. 29
Descripción estructural………………………………………………………... 30
5
Clasificación de los sellos mecánicos…………………………………………. 31
Tipos de sellos……………………………………………………………. 32
Diseños de sellos mecánicos……………………………………………… 43
Selección de los materiales del sello………………………………….. 47
Como obtener una buena duración del sello………………………………… 49
Selección de los sellos mecánicos……………………………………. 51
Fallas de los sellos mecánicos………………………………………………… 53
Generación de calor…………………………………………………………. 54
Teorías de lubricación de las caras del sello……………………………… 54
CAPITULO 4 Fallas en los Sellos Mecánicos……………………………. 58
Porque fallan los sellos mecánicos………………………………………… 59
Instalación de un sello…………………………………………………. 63
Sello contra empaquetadura……………………………………………….... 66
CAPITULO 5 Condiciones Ambientales…………………………………………… 70
Controles ambientales en la operación del sello………………….. 71
Sistema de control…………………………………………………………. 72
CAPITULO 6 Empaquetadura v/s Sello Mecánico………………………………. 74
Consideraciones técnicas para uso de empaquetaduras………………… 75
Consideraciones técnicas para uso de sellos mecánicos……………… 76
Comparación técnica entre empaquetaduras y sellos mecánicos………. 80
Conclusión…………………………………………………………………… 84
6
Nomenclatura
A : Area (cm²)
Ac : Area de las caras del sello (cierre)
Af : Area de presión entre las caras del sello
°C : Grados Celsius
Di : Diámetro interior
De : Diámetro exterior
Do : Diámetro de equilibrio
F : Fuerza (Kg)
°F : Grados Fahrenheit
Fa : Fuerza de apertura
Fc : Fuerza de Cierre
Kpa : Kilopascal
Kw : Kilowatt
LB : Línea de balance
P : Presión (Kg/ cm²)
P´ : Presión media a través de las caras del sello
PTFE : Politetrafluoroetileno
RPM : Revoluciones por minuto
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Capitulo 1 SELLADO GENERAL
1.1 RESEÑA HISTORICA
A principios del siglo XX apareció el primer sello simple de cara, el que no
fue muy relevante puesto que ocurrieron difíciles problemas en el sellado.
Funcionalmente y según su diseño estos fueron un adelanto sobre la
empaquetadura suave o blanda y las cajas de empaquetaduras.
La Fig. 1-1 muestra la construcción
el cual permite funcionar directamente contra
embargo, debido a la falta de material de
producción, el potencial total de estos sellos no se realizó, y fue solamente
desde el año 1920 en adelante, en las plantas de refrigeración que se usaron
sellos de caras en un grado apreciable.
Más recientemente se ha introducido un anillo “
construido en un principio, de acuerdo a la operación para la cual se había
destinado, sin embargo, cabe seña
elasticidad, este sello resulta ser bastante mejor, en compensación a los
movimientos axiales que resultan de causas térmicas o mecánicas.
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HISTORICA
A principios del siglo XX apareció el primer sello simple de cara, el que no
fue muy relevante puesto que ocurrieron difíciles problemas en el sellado.
Funcionalmente y según su diseño estos fueron un adelanto sobre la
empaquetadura suave o blanda y las cajas de empaquetaduras.
muestra la construcción más sencilla que comprende un eje collar,
el cual permite funcionar directamente contra la carcasa
embargo, debido a la falta de material de cara adecuado y a las técnicas de
producción, el potencial total de estos sellos no se realizó, y fue solamente
desde el año 1920 en adelante, en las plantas de refrigeración que se usaron
sellos de caras en un grado apreciable.
Fig. 1-1.
Más recientemente se ha introducido un anillo “
truido en un principio, de acuerdo a la operación para la cual se había
destinado, sin embargo, cabe señalar que de acuerdo a la propiedad de
elasticidad, este sello resulta ser bastante mejor, en compensación a los
movimientos axiales que resultan de causas térmicas o mecánicas.
Fig.1.2.
A principios del siglo XX apareció el primer sello simple de cara, el que no
fue muy relevante puesto que ocurrieron difíciles problemas en el sellado.
Funcionalmente y según su diseño estos fueron un adelanto sobre la
empaquetadura suave o blanda y las cajas de empaquetaduras.
sencilla que comprende un eje collar,
carcasa de la máquina. Sin
cara adecuado y a las técnicas de
producción, el potencial total de estos sellos no se realizó, y fue solamente
desde el año 1920 en adelante, en las plantas de refrigeración que se usaron
Más recientemente se ha introducido un anillo “V” de goma (Fig.1-2),
truido en un principio, de acuerdo a la operación para la cual se había
lar que de acuerdo a la propiedad de
elasticidad, este sello resulta ser bastante mejor, en compensación a los
movimientos axiales que resultan de causas térmicas o mecánicas.
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“Deublín Company”, (Una de las más importantes empresas fabricadoras de
sellos, fundada en el año 1945 por Luke Deubler y Dick Linn) Ha sido una de
las más importantes en éste ámbito, pues introdujeron en el mercado los
sellos mecánicos compensados en oposición a los sellos a presión que eran
los de fácil desgaste, fue así como empezó un gran crecimiento en el auge de
los sellos.
La industria automovilística fue la primera en confiar en los sellos mecánicos,
los utilizó primero en las bombas de agua de máquinas de combustión
interna. En la actualidad las bombas de agua de los automóviles están
ajustadas con sellos de cara o de otro tipo.
Las exigencias para los sellos de cara fueron satisfechas con relativa facilidad
con los materiales disponibles, ya que las exigencias de operación no eran
demasiado grandes. La presión de agua refrigerante era tan solo de unas
pocas atmósferas y el grado de contaminación de los sólidos era pequeño; las
temperaturas rara vez superaban los 100ºC (212ºF) y la velocidad de rose era
de solamente del orden de los 3m/s.
Con el avance en los procedimientos de producción y mejores materiales no
solo se hizo posible mejorar la eficiencia de operación y vida de trabajo, sino
también se bajaron los costos de producción.
Hoy en día la industria del petróleo llega a usar casi exclusivamente sellos
mecánicos, por razones de seguridad y economía, puesto que el avance ha
sido notable obteniendo temperaturas de 205º C, presiones de 300 PSI y
velocidades del orden de 15.2 m/s lo que apunta a tener mejor producción y
una mayor rentabilidad.
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1.2. ¿QUÉ SON LOS SELLOS?
1.2.1. Definición
Los sellos son dispositivos mecánicos usados para evitar el escurrimiento de
líquidos, sólidos y gases. También se usan para evitar la penetración de
materias extrañas en los contenedores “ocultos” o sistemas de tuberías.
Los sellos se hallan disponibles en una enorme variedad de diseños que
utilizan diversos principios de sellado, así para cualquier aplicación específica
se debe realizar una minuciosa evaluación antes de hacer efectiva la
selección.
Estas selecciones deberán considerar factores muy importantes, tales como
presión, temperatura, ambiente corrosivo, materiales, velocidad del eje y así
sucesivamente.
De lo anterior tenemos que considerar además las siguientes acciones:
La primera acción para llegar a una solución técnica justificable es la correcta
identificación del problema del sellado.
La segunda, es la importancia de la cantidad de escurrimiento que se puede
tolerar, esta acción no se debe subestimar, debido a que no existe el “cero
escurrimiento”.
La tercera y última es la disponibilidad de un sello apropiado en el mercado
industrial.
Es muy importante el conocimiento detallado del problema específico que se
trate y de los sellos disponibles para lograr un resultado óptimo.
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1.3. CERO ESCURRIMIENTO.
El significado cero escurrimiento, es utilizado a menudo. Sin embargo esto es
engañoso debido a que no existe una definición única, así por ejemplo se tiene:
Un amplio estudio realizado por los laboratorios de tecnología avanzada, de la
General Electric, Schenectady, New York; cero escurrimiento se ha definido como un
escurrimiento con menos de 10⁻8 (cm³/seg.), de helio en condiciones
atmosféricas.
Otras fuentes industriales indican que cero escurrimiento, puede ser considerado en
un rango de 10⁻⁴ a 10⁻8 (cm³/seg.), de helio en condiciones atmosféricas.
En la NASA, se define en un estándar de no más de 1.4*10⁻³ (cm³/seg), GN2 a 300
(Ibs / pulg²), y a temperatura ambiente.
Los requerimientos de escurrimiento en las válvulas utilizadas en las misiones de
tripulación, varían de 145*10"* estándar (cm3/seg), a 0, para N₂O₄ y de 8.3*10⁻³
estándar (cm3/seg), a 1.4*10⁻³ estándar (cm3/seg), para otros gases.
Por lo tanto, el cero escurrimiento es un concepto relativo que depende de la
rigurosidad del trabajo, esto queda claramente definido si se comparan las exigencias
de escurrimiento máximo permitido por la NASA, versus las exigencias industriales y
como era lógico suponer las exigencias de la NASA son mucho más exigentes.
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1.4. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS SELLOS DINÁMICOS.
La clasificación de cualquier tema técnico o no, sirve para la identificación de especies, logrando con ello un análisis óptimo de los problemas involucrados. Es así como los sellos se clasifican en sus dos principales categorías, ESTÁTICOS Y DINÁMICOS.
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1.5. DEFINICIONES DEL ESQUEMA DE LOS SELLOS.
1.5.1. Los sellos estáticos
Se llaman sellos estáticos, cuando las partes a sellar no tienen movimiento relativo
entre sí. Es así como se dividen en tres tipos como son: empaquetaduras, sellantes
y contacto directo.
1.5.2. Los sellos dinámicos
Se llaman sellos dinámicos, cuando las partes en contacto con el sello tienen
movimiento relativo entre sí. Se pueden subdividir en dos grupos básicos, como
sellos para ejes rotatorios y ejes reciprocantes.
1.5.3. Sellos para ejes rotatorios
Estos abarcan dos grandes grupos como lo señala el esquema anterior los cuales
son sellos interfaciales y sellos intersticiales.
1.5.4. Sellos interfaciales
Estos representan una gran familia de sellos industriales, que establecen el
contacto directo entre los componentes del sello y el eje rotatorio. Los sellos
interfaciales se subdividen en sellos axiales y radiales, (ver esquema anterior).
1.5.4. Sellos intersticiales
Categorizan a una familia o grupos distintos, en los componentes del sello no
tienen contacto mecánico directo con el eje rotatorio. Los elementos de sello
permiten cierto escurrimiento que retarda el flujo, controlando el espacio libre, a
través del cual puede pasar flujo usando fuerzas externas en el fluido. La función de
estos sellos es crear una caída de presión del fluido al sellar con el menor flujo
posible de escurrimiento y permitir simultáneamente un movimiento relativo no
restringido, entre las partes móviles. Estos sellos son capaces de mantener un
diferencial de presión entre el exterior de la máquina y su ambiente circundante,
estrangulando el fluido de escape.
Al contrario de los sellos interfaciales, en los sellos intersticiales no se pretende
un contacto mecánico de movimiento con partes de la máquina, así la
fricción se reduce a un minino absoluto.
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Ejemplos de tales sellos intersticiales son los viscosellos, sellos de laberinto
(usados en las turbinas), etc.
1.5.6. Sellos ferrofluídicos
Aquí la brecha para el fluido del espacio libre, es llenada con un medio que es
mantenido cautivo con la ayuda de un cuerpo magnético más o menos fuerte. Las
partes mecánicas para establecer un sello no existen. Con los sellos intersticiales no
hay contacto de frotación; así la fricción y el desgaste de partes móviles en el
ambiente del sello directo son prácticamente eliminados.
1.5.7. Sellos para ejes reciprocantes Una clasificación de los ejes reciprocantes está en el esquema general. Esta
descripción tiene como objeto solamente mostrar la variedad de sellos ya existente,
ya que abarcarlos todos sería muy extenso.
1.5.8. Empaquetadura
Elemento de unión intermetálico sólido y elástico que tiene como misión evitar o
reducir al mínimo el escape de un fluido líquido o gaseoso a través de los claros
mecánicos, sea en el estado estático o dinámico.
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Capitulo 2
SELLADO DINAMICO
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2.1. ELEMENTOS FUNDAMENTALES QUE CONSTITUYEN UN SELLO
2.1.1. Los elementos principales que conforman los sellos son:
♦ Superficie primaria.
♦ Superficie secundaria.
2.1.2. Los elementos que conforman el principio fundamental son:
1. Elemento sellante (E.S.).
2. Elemento que arrastra al elemento sellante (El eje).
3. Fuerza que comprime el elemento sellante contra la superficie primaria.
Un ejemplo se aprecia en la Fig. 2-1.
Ej: Anillo de pistón
Fig. 2-1. Elementos que constituyen un sellado.
2.1.3. Los problemas básicos en el diseño de un sello dinámico son
1. Rigidez y resistencia mecánica del cuerpo.
2. Resistencia contra cambios químicos y físicos en la superficie.
3. Fugas, fricción y desgaste.
4. Problemas de fabricación.
Observación: los puntos 3 y 4, son dependientes de la forma de la película
del fluido (espesor, viscosidad, temperatura, etc.).
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2.2. FORMACIÓN DE LA PELÍCULA DE FLUIDO.
En un sello, el espesor de la película debe ser pequeño; pero suficiente para
mantener separada las superficies, lo que produce pequeñas fugas. La función es
bajar la presión desde P0 a la presión P₁ con el mínimo de fugas o crear dentro del
sello, una contra presión superior a la presión del fluido P0 con el objeto de evitar las
fugas, Fig.2-2a. En cambio en un cojinete el espesor de la película debe ser más
grueso con el fin de reducir la perdida de energía al mínimo; creando el máximo de
presión PF₁ dentro de la película con el objeto de maximizar las fuerzas portantes F.
Fig. 2-2b.
Sello Cojinete
P0
P1
PF1
F
Fig. 2-2.
El valor de la fuerza F puede ser estimado mediante la ecuación (2-1)
F = ∫PF1*dA. (2-0)
P = F/A. (Valor medio de la presión). (2-1)
2.2.1. Variables de diseño.
♦ Espesor de película (determinado por el caudal de las fugas permisibles, así como
la seguridad contra el roce).
♦ Rigidez de la película.
♦ Potencia disipada (perdida por estrangulamiento, perdida por roce).
♦ Caudal de fluido.
♦ Adaptabilidad de las distintas condiciones de operación.
♦ Temperatura.
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2.3. AROSELLO PARA SELLADO DINÁMICO.
Al igual que en aplicaciones estáticas, se pueden usar diferentes formas para
el sellado dinámico entre las que se pueden mencionar:
Fig.2-3 D-Ring.
Es un sello para movimiento reciproco. Funciona bien en aplicaciones hidráulicas
o neumáticas. No es susceptible a fallas por espiral; pero requiere de dos anillos de
apoyo.
Fig. 2-4 Delta-Ring.
Anillo con forma de triángulo. Resuelve el problema de torsión de los aro
sellos; pero dado que la fricción es grande, la vida esperada es relativamente
corta. Tiene aplicaciones limitadas.
Fig. 2-5 O-Ring.
El anillo-O es la forma más común de compresión. Sella en ambas direcciones. Tiene
bajo costo. Más adelante será tratado en forma más detallada.
El anillo en forma de T, no es susceptible a fallas de espiral. La deformaci
sección es cerca del 5%, lo que reduce la fricción respecto a otros tipos. Se
usar en movimientos recíprocos y
de apoyo para
Usado algunas veces para movimiento reciproco. Nunca debe usarse en
oscilante o rotatorio. Se emplea mayormente en aplicaciones est
presiones que no excedan a los 1500 (Ibs / pulg
El anillo en forma cuadrada,
ranuras para
Similar al arosello en estas aplicaciones, no es susceptible a la falla en espiral. Llena
la ranura más que el arosello.
Superior al arosello en aplicaciones rotatorias debido a la menor deformaci
aproximadamente 1% en algunos casos. Tiene en la ranura menos movimiento de
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Fig. 2-6 T-Ring.
El anillo en forma de T, no es susceptible a fallas de espiral. La deformaci
sección es cerca del 5%, lo que reduce la fricción respecto a otros tipos. Se
movimientos recíprocos y oscilantes, en bajas presiones. Requiere de
poyo para evitar la extrusión.
Fig. 2-7 Square-Ring.
Usado algunas veces para movimiento reciproco. Nunca debe usarse en
oscilante o rotatorio. Se emplea mayormente en aplicaciones est
presiones que no excedan a los 1500 (Ibs / pulg2).
Fig. 2-8 Lobed-Ríng.
El anillo en forma cuadrada, con cuatro lóbulos redondeados, se puede usar
ranuras para arosellos ya sea en movimientos recíprocos, oscilantes o
Similar al arosello en estas aplicaciones, no es susceptible a la falla en espiral. Llena
la ranura más que el arosello.
Superior al arosello en aplicaciones rotatorias debido a la menor deformaci
aproximadamente 1% en algunos casos. Tiene en la ranura menos movimiento de
El anillo en forma de T, no es susceptible a fallas de espiral. La deformación de la
sección es cerca del 5%, lo que reduce la fricción respecto a otros tipos. Se pueden
, en bajas presiones. Requiere de anillos
Usado algunas veces para movimiento reciproco. Nunca debe usarse en movimiento
oscilante o rotatorio. Se emplea mayormente en aplicaciones estáticas en
óbulos redondeados, se puede usar en
mientos recíprocos, oscilantes o rotatorios.
Similar al arosello en estas aplicaciones, no es susceptible a la falla en espiral. Llena
Superior al arosello en aplicaciones rotatorias debido a la menor deformación,
aproximadamente 1% en algunos casos. Tiene en la ranura menos movimiento de
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lado a lado que el arosello, además menor fricción estática; sin embargo, es más
caro y de construcción más compleja.
2.4. APLICACIONES DINÁMICAS EN EMPAQUETADURAS TIPO COMPRESIBLE
Existen tres tipos de aplicaciones para arosellos dinámicos
Reciproco: En donde la sección de sellado es la del pistón o bien la del vástago.
Oscilante: Donde el sello rota hacia atrás y adelante a través de un número limitado de grados o varias vueltas completas.
Rotatorio: Donde el eje gira dentro del diámetro interior del arosello.
El sellado para movimientos rotatorios se logra, en gran parte de la misma manera;
pero las fuerzas actuantes en el anillo se deben manejar en forma diferente. Ciertos
cauchos muestran un fenómeno conocido como el "efecto Joule", cuando el caucho
es calentado bajo una carga torsional, se contrae. Esta contracción aumenta al igual
que la temperatura. Por lo tanto, dado que el movimiento de rotación causará
un incremento de temperatura en el material del arosello, este se debe montar de
manera que este en compresión. Para evitar cargas tensionales del arosello en
aplicaciones rotatorias, el diámetro del fondo de la ranura del eje, deberá ser menor
que el diámetro interior del arosello. La ranura fuerza al anillo hacia abajo sobre el
eje. Este método proporciona una vida útil más larga al arosello.
2.4.1. Restricciones.
Las empaquetaduras de tipo compresión son económicas y fáciles de instalar, sin
embargo, los anillos no se deberán usar en:
• Ambientes extremadamente sucios o cuando un lubricante transporta suciedad
abrasiva (partículas). Dado que estos anillos sellan por contacto, la vida útil es
reducida por condiciones abrasivas.
• Con lubricación dispersa e intermitente, lo que también reduce la vida útil.
• Para altas velocidades de rotación de eje.
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2.4.2. Diseños con movimientos reciprocantes.
El diseño de un mecanismo usando sellos de arosellos involucra balancear varios
requerimientos divergentes. El ancho de la ranura y compresión diametral, permite
al arosello que ruede hacia atrás y adelante en la ranura, con cada carrera del
pistón. El desgaste del arosello es distribuido por sobre y cerca del 100% de la
sección transversal. Aumentándose la compresión, generalmente se mejora el sellado
a bajas temperaturas; pero puede complicarse el ensamble y producirse una
disminución de la vida útil del sello debido a la mayor fricción causada por el arrastre
y rodado del arosello mientras está en movimiento el vástago o pistón.
Cuando la ranura y, espacios libres son diseñados de manera que la cantidad de
movimiento del obturador es apropiada, la vida útil del sello es cerca del doble, de lo
que sería si no se permitiera rodadura. Los sellos de varilla o pistones actuantes
simples donde la presión es sólo en una dirección, no tienden a rodar tanto como en
los sellos de pistón de doble acción.
Las aplicaciones dinámicas de arosellos deberán permitir un escurrimiento de algunas
gotas por 1000 carreras. Naturalmente la cantidad de escurrimiento depende de la
viscosidad de la película de fluido. La carrera rápida a severas presiones puede causar
un escurrimiento excesivo debido a que el arosello puede actuar como una bomba
cada vez que rueda y tiende a pasar un resto de fluido para el lado de baja presión
con cada giro. Este problema puede superarse usando compuestos de caucho
más duros.
El escurrimiento debido al giro del anillo se puede reducir desbastando la superficie
de la ranura o reduciendo el ancho de la ranura para reducir la cantidad de área en la
cual puede girar el anillo. Estas modificaciones causan fricción excesiva en el anillo y
pueden acortar su vida útil, por el arrastre o frotación de la superficie del anillo.
22
2.4.3. Sellos con movimiento oscilante.
Los arosellos son excelentes para sellos alrededor de ejes oscilantes, tal como
vástagos de válvula. En general, las dimensiones de ranura y otros antecedentes de
diseño, son los mismos que para sellos de eje recíprocos.
Se deben usar arosellos con una dureza de 80 a 90 shore A. Los arosellos más duros
evitan que este se frene y proporcione un giro más suave. En casos donde la fricción
pueda ser particularmente aguda, un compuesto impregnado con grafito o disulfito
de molibdeno puede ser usado. Sin embargo, estos compuestos impregnados
deben usarse con precaución. La impregnación de grafito de los arosellos puede
no ser satisfactoria con algunos metales.
2.4.4. Sellos de ejes rotatorios.
Los arosellos se pueden usar para sellos de ejes rotatorios, sólo bajo ciertas
condiciones especiales de diseño. Las velocidades máximas de diseño, están en el
rango de 600 [pies/min]. Especialmente importante es una buena lubricación y
refrigeración, para disipar el calor de la cara de contacto. Los sellos de anillos-X son
ligeramente mejor en esta aplicación y pueden soportar velocidades de hasta 900
[pies/min].
Cuando se usa un arosello en la forma usual, expandiéndose ligeramente alrededor
del eje, la fricción del caucho en contra del eje rotatorio genera calor y hace que el
caucho se contraiga, lo que causa una carga más alta de la unidad del elastómero en
contra del eje. El ciclo de fricción, calor y contracción del anillo es repetido hasta
ocurrir la rápida falla del sello.
Se necesitan velocidades más lentas de eje en sistemas de alta presión. La
cantidad de esfuerzo permitido depende:
• Del área de contacto. • Presión. • Acabado de superficie del eje. • Otros factores aún no evaluados.
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Se deben instalar sellos en ejes rotatorios, de manera que:
♦ El arosello tenga un 5% de deformación periférica. El diámetro interior del anillo de sellado, debe ser más pequeño que el diámetro exterior del eje al cual sella. ♦ La profundidad de la ranura se debe diseñar de manera que sea igual a la
sección transversal mínima del arosello. ♦ El ancho de la ranura debe ser igual al 10% más que la sección transversal
máxima del arosello.
Los arosellos instalados bajo estas condiciones no tienen una formación continua de calor. Luego de los primeros minutos iniciales de operación, la curva de temperatura se nivela.
Los sellos de ejes rotatorios se deben limitar a los ejes con velocidades rotacionales, usando como referencia la tabla 2-1.
DIÁMETRO DEL EJE (PULG).
VELOCIDAD (PIES/MIN).
1/8 a 9/32 350
3/8 a 1/16 450
3/4 a 1/4 600
Tabla 2-1. Velocidades recomendadas para un eje con un anillo "O".
2.5. DISEÑO DE LA RANURA.
Al igual que en el sellado estático con arosellos, la ranura rectangular es la más
usada en el sellado dinámico, puede ser utilizada en un mecanismo hidráulico o
neumático.
Los diseños recomendados de ranura para arosellos y anillos en general, están
cubiertos por especificaciones. La expansión de arosello que se aplica al diámetro
interior del arosello es de aproximadamente 0 a 2% para los diseños militares y de
1 a 5% para aplicaciones comerciales.
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En donde los requerimientos de servicios son severos o donde la consideración más
importante es la vida útil extremadamente larga, se deberá usar de 0 a 2% de
expansión.
La compresión mínima dada por los estándares es calculada para incluir todos los
factores de tolerancia, espacios libres, excentricidades, cargas laterales, cambio de
volumen en fluidos y contracción del caucho a baja temperatura. Disminuyendo la
sección transversal se puede reducir la fricción, pero esta disminución será
anulada si la presión aumenta, dado que el anillo es comprimido en un extremo de la
ranura.
La compresión diametral recomendada para la sección transversal del arosello es de
aproximadamente 10%. El ancho de la ranura es de 25 a 50% mayor que la sección
transversal del arosello, para impedir el rendimiento volumétrico que pueda resultar
de la expansión para varios tipos de fluidos.
2.6. LUBRICACIÓN.
La lubricación apropiada de un arosello durante la instalación en cualquier tipo de
aplicación dinámica, es absolutamente esencial para una prolongada vida útil de
servicio. Antes del ensamble, los anillos, ranuras y todas las superficies sobre las
cuales se debe deslizar un arosello, se deben lubricar con el fluido hidráulico en el
cual operará.
Si el arosello opera en un fluido hidráulico de buen valor lubricante, el fluido
proporcionará eficiente lubricación. Cuando opera en un sistema neumático, se
deben usar otros medios de lubricación, por ejemplo, grasas. Entonces el medio de
lubricación a usar dependerá de la aplicación.
Los sistemas neumáticos de alta presión, operando por sobre 100 [Ibs/pulg2] y a
temperatura por sobre 275 [°F] (135ºC) pueden requerir tipos especiales de
lubricantes de silicona. Los lubricantes de silicona se usan algunas veces en
instalaciones en donde un lubricante del tipo permanente, es considerado
necesario.
25
Cualquier suciedad, arenilla, virutas, de metal, arena, polvo, materias extrañas se
deberán mantener fuera del sistema hidráulico. El aceite deberá mantenerse
limpio a fin de proteger al sello de elementos extraños.
2.7. CONSIDERACIONES GENERALES EN APLICACIONES DINÁMICAS
DE AROSELLOS.
2.7.1. Fricción. Existen dos tipos de fricción en los sellos; fricción dinámica, que en el caso de los
Anillo-O no es mayor que para otros tipos y en muchos casos puede ser incluso
menor, y fricción estática, la que se opone al inicio del movimiento. La fricción
estática es importante en aplicaciones tales como, cilindros de efecto único, que
deben retornar por su propio peso, cilindros de control de elevación y en algunas
válvulas solenoides.
2.7.2. Tamaño. La fricción aumenta a medida que aumenta el área de frotación de superficie en
contra de las partes de metal, por lo tanto, la fricción se hace mayor a medida que
aumenta la sección transversal del arosello. La fricción también aumenta con el uso
de arosellos de mayor perímetro. Los tamaños de arosellos estándar son un intento
para balancear factores, tales como: fricción, desgaste, vida útil,
compatibilidad del diseño, etc.
2.7.3. Presión del fluido.
La deformación del arosello aumenta con la presión del fluido hasta un máximo,
el cual depende de la dureza del arosello mismo, antes de producirse extrusión, por
ejemplo: un arosello de dureza 70 shore A alcanza su deformación máxima
aproximadamente a 1.200 [Ibs/pulg2]. Esta es una presión varios cientos [Ibs/pulg2]
bajo la presión de extrusión; cuando se usan espacios libres recomendados
para el arosello.
2.7.4. Compresión del arosello.
A medida que el aplastamiento diametral aumenta, la fricción estática y dinámica
aumenta; pero generalmente mejora el sellado, mientras no se destruya el arosello.
26
2.7.5. Temperatura.
La fricción del arosello aumenta con la disminución de la temperatura, debido a que
el compuesto se endurece. Los compuestos de cauchos sintéticos se
comportan igual que fluidos muy viscosos.
2.7.6. Lubricación.
La fricción del arosello parece ser muy poco afectada por la lubricación, siempre
que el fluido tenga cualidades de lubricación aceptables. Los sellos dinámicos
no se deben operar en secos.
2.7.7. Ventajas del anillo "O" (O-Ring).
1. El anillo "O" puede flexionarse o enrollarse para la mayoría de las aplicaciones. 2. Gran disponibilidad. 3. Gran variedad de materiales. 4. Sella en ambos sentidos. 5. Fácil instalación. 6. Bajo costo. 7. Otras.
27
Capitulo 3 SELLOS MECANICOS
28
3.1. PRINCIPIOS GENERALES.
Existen desde hace décadas. Su advenimiento tuvo lugar como resultado de la
necesidad de establecer sistemas efectivos de estanqueidad que los que, hasta
entonces brindaban los sellos de prensaestopas, con los inevitables desgaste de ejes,
de camisas de ejes, así como, las costosas y frecuentemente arriesgadas fugas de
líquidos.
Los sellos mecánicos son juntas rotativas que evitan o inhiben la fuga de líquido a
través de las holguras existentes entre el eje y la carcasa de una bomba.
Normalmente se encuentra ubicado en un recinto llamado "cámara de estanqueidad",
provisto para ese propósito por el fabricante de la bomba.
El sello mecánico más común, llamado "sello axial", consiste en dos piezas
anulares doradas, de superficies de rozamiento "caras" muy planas y pulidas
localizadas en el espacio en un plano a 90° con respecto al eje y comprimidas, la
una contra la otra, por uno o varios resortes, estas caras actúan como sello primario,
nada puede penetrarlas, siempre que se les mantenga juntas. Una de las piezas
anulares, se denomina "unidad estacionaria", es afirmada y sellada en forma
estanca contra la carcasa de la bomba, la otra pieza anular, llamada "unidad
rotatoria", se fija, también en forma estanca al eje de la bomba. Esta última gira con el
eje, con su superficie de contacto comprimida contra la unidad estacionaria, como
resultado de la acción conjunta de la compresión de los resortes y de la presión del
líquido en la cámara de estanqueidad. Dicha compresión deberá ser la justa para
reducir la fuga al mínimo de unos pocos mililitros por día y al mismo tiempo deberá
mantener una película de líquido entre las caras para propósito de lubricación. A
esta película se le llama "película interfacial".
La película interfacial y una adecuada selección de los materiales de las caras
minimizan el desgaste por fricción. Uno de los factores a considerar en la formación
de la película de lubricante y el roce, es la rugosidad de las caras del sello la que a
menudo es del orden de 10 micras. Además de las partes anteriormente
mencionadas. Los sellos cuentan normalmente con un flange, que sujeta la unidad
estacionaria a la carcasa y también con dos o más juntas estancas adicionales,
llamadas "juntas secundarias" o elastómeros", que aseguran la estanqueidad entre
29
la carcasa y la unidad estacionaria, por un lado y por el otro, entre el eje y la
unidad rotatoria. Es importante que el eje pueda moverse con facilidad a través
del elastómero, de no ser así, este se convierte en una de las principales causas de
falla de los sellos.
3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
El sello mecánico, es un dispositivo que se utiliza para evitar fugas por los ejes
mediante dos superficies de sellamiento, una estacionaria y la otra que gira en
contacto con el eje (dinámica). Estas superficies o caras de sellamiento, con una
película entre ellas, se localizan en un plano perpendicular al eje y se mantienen en
contacto continuo por medio de uno o varios resortes. Aunque puede diferir de
varios aspectos físicos, todos los sellos mecánicos son fundamentalmente lo mismo
en principio. Las superficies de sellado, generalmente de materiales diferentes,
consisten en caras generalmente pulidas que corren adyacentemente, estando una
superficie conectada al eje y la otra en la parte estacionaria de la bomba, formando
un verdadero sello con muy pequeñas perdidas por fricción. En el sello la fuga es
despreciable y puede considerarse como no existente. Para lograr un abatimiento
entre la presión interna y la presión atmosférica, fuera de la bomba, se requiere un
flujo de líquido entre las caras del sello, el cual puede ser sólo una niebla de vapor
escapando. Así aunque la fuga sea despreciable, técnicamente hablando, un
sello mecánico en rotación no puede eliminarla completamente. Por supuesto,
siempre ocurre desgaste y debe preverse una pequeña cantidad de fuga a su
tiempo.
Hay una gran variedad de diseños de sellos, lo cual es el resultado de muchos
métodos que se usan para proporcionar flexibilidad y para el montaje de estos. Un
sello mecánico se asemeja a un cojinete, puesto que involucra un juego en operación
muy cerrado con una película de líquido entre las caras. La lubricación y el
enfriamiento proporcionado por esta película reducen el desgaste, por lo que hace
una elección adecuada de los materiales de la cara de sellado.
3.3. DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL.
En general todos los sellos mec
3.3.1. Sello primario
Está formado por dos caras pulimentadas que dificultan las fugas
de fricción entre ellas. En todos los sellos, una cara (la estacionaria)
carcasa o cubierta y la otra (la rotatoria), está montada
mismo.
3.3.2. Sello secundario
Tiene la funci
con sellos hechos generalmente de fluorelástomero
de los secundarios debe avanzar sobre el eje para compensar el
30
ÓN ESTRUCTURAL.
En general todos los sellos mecánicos tienen tres grupos de componentes básicos:
FIG.3-1.
Sello primario
formado por dos caras pulimentadas que dificultan las fugas
de fricción entre ellas. En todos los sellos, una cara (la estacionaria)
o cubierta y la otra (la rotatoria), está montada
Sello secundario
la función de sellar las trayectorias de fugas tanto en la
con sellos hechos generalmente de fluorelástomero. En los sellos de tipo empuje uno
de los secundarios debe avanzar sobre el eje para compensar el
ánicos tienen tres grupos de componentes básicos:
formado por dos caras pulimentadas que dificultan las fugas por el contacto
de fricción entre ellas. En todos los sellos, una cara (la estacionaria) está sujeta a la
o cubierta y la otra (la rotatoria), está montada en el eje y gira con el
ón de sellar las trayectorias de fugas tanto en la cara fija y giratoria
. En los sellos de tipo empuje uno
de los secundarios debe avanzar sobre el eje para compensar el desgaste y la
31
vibración en sus caras. Los sellos sin empujador, como los de fuelle metálico,
absorben las vibraciones y disminuyen el desgaste (son estáticos).
3.3.3. Componentes y accesorios metálicos
En los sellos se utilizan para:
Adaptar los sellos en un equipo. Puede ser una camisa o una cubierta para tener
una instalación más fácil y precisa.
Aplicar carga mecánica en la cara de los sellos. Esto se logra con un sólo
resorte grande o con un grupo de resortes pequeños.
Transmitir el par o torsión a las caras fijas o rotatorias del sello. Se obtiene
con pasadores; muecas o tornillos integrales con el sello.
3.4. CLASIFICACIÓN DE LOS SELLOS MECÁNICOS.
Todos los sellos están disponibles tanto en versiones balanceadas como
desbalanceadas. Un sello es desbalanceado cuando el área expuesta al fluido
bombeado, actuando para cerrar las caras del sello, es mayor que el área de contacto
(gradiente de presión) entre las caras. En términos simples, este tiene una fuerza
unitaria cerrante en exceso para la presión actual a ser sellada.
Los sellos pueden ser adicionalmente clasificados de varias maneras. Hay cuatro
clasificaciones adicionales de sellos mecánicos, que pueden ser descritos por distintas
características.
Rotatorio. En este tipo, el resorte o fuelle rota con el eje.
Estacionario. El resorte, resortes o fuelle no rotan con el eje, Permanecen
estacionarios.
No- metálico. No hay partes metálicas en contacto con el fluido bombeado.
Todo metálico. Las partes metálicas son usadas exclusivamente donde las
temperaturas de aplicación la requieren
Como también existe una gran variedad de sellos mecánicos. Pudiendo
clasificarse según lo siguiente:
32
Clasificación por su diseño:
• Sellos balanceados y no balanceados.
• Cabeza rotatoria o asiento rotatorio.
• Sellos dobles
Clasificación por su ubicación:
• Montado interiormente.
• Montado exteriormente.
3.5. TIPOS DE SELLOS.
Hay ventajas definitivas con cada tipo de sello. La selección es usualmente
basada en la experiencia e historia para cada aplicación particular.
3.5.1. Sellos internos
Cuando un sello es montado en el interior de la cámara de sello de una bomba, este
es llamado sello interno. Los sellos internos son generalmente más difíciles de instalar,
y la mantención rutinaria es más dificultosa sin un desarmado completo de la
bomba.
Ventajas:
1. El enfriamiento del sello es acomodado por el flujo del producto por el sello a
través de la entrada a la cámara de sello o brida.
2. La acción rotatoria del sello ayuda a mantenerlo limpio. La fuerza centrifuga
dificulta a los sólidos en suspensión migrar a través de las caras del sello.
3. Cuando estos sellos filtran, no están dispuestos para filtrado catastrófico, porque
la gran masa de material bloquea la salida del producto desde la cámara de sello.
Las fuerzas de balanceo hidráulico ayudan a mantener las caras cerradas.
4. Están disponibles una gran variedad de materiales y caras disponibles.
5. Pueden ser aplicados controles ambientales a la cámara de sello fácilmente.
33
Desventajas:
Los componentes metálicos deben ser resistentes a la corrosión del
fluido bombeado.
3.5.2. Sellos externos
Un sello externo está localizado afuera de la cámara de sello de la bomba, por lo
que el elemento rotatorio se localiza fuera de la caja, entonces ninguno de los
componentes metálicos está en contacto con el fluido bombeado. La mayoría de
estos tipos se sujetan al eje con grapas en lugar de tornillos prisioneros que podrían
dañar los ejes revestidos de cerámica o vidrio.
Ventajas:
1. Fácil instalación.
2. Puede ser fabricado de materiales resistentes a la corrosión de bajo costo.
3. Apropiado para servicios donde es necesario remover rápidamente el sello
para limpieza, donde las cámaras de sello son poco profundas y los sellos
internos no pueden ser usados debido a la falta de espacio radial o axial, donde
el desgaste de las caras debe ser monitoreado, y donde el acceso para reapretar
el sello es difícil o prácticamente imposible.
4. Un sellado para bombas no metálicas.
Desventajas:
1. Debido a la falta de disipación de calor desde debajo de las caras del sello, los
sellos externos deben ser usados en aplicaciones con bajas temperaturas, baja
velocidad y baja presión. Las presiones deben ser más bajas que en los sellos
internos ya que las presiones están siendo ejercidas hacia fuera en las partes
del sello y no hacia dentro.
2. La acción rotatoria del sello ayuda a que los sólidos en suspensión puedan
migrar a las caras del sello debido a la fuerza centrifuga, (usar en fluidos limpios).
34
3.5.3. Sellos monoresortes
Un sólo resorte ejerce presión entre las caras del sello.
Ventaja:
El alambre del resorte es más grueso, por lo que puede resistir con más facilidad la
corrosión.
Desventajas:
Presión desuniforme entre las caras del sello.
3.5.4. Sello multirresorte
Varios resortes pequeños ejercen presión entre las caras del sello.
Ventaja:
Presión más uniforme entre las caras del sello.
Desventajas:
El alambre del resorte es más delgado, por lo que es más fácil que ocurra daño por
corrosión. La solución a esto es seleccionar un sello de diseño tal, que los resortes
estén instalados de modo que no toquen el líquido bombeado cuando este es
corrosivo.
3.5.5. Sellos rotativos
Los resortes o fuelles giran con el eje.
Ventaja:
Menor costo y auto limpieza, especialmente en los tipos con resortes ubicados
fuera del líquido a sellar.
Desventaja:
Sensible al deslizamiento del eje con el frente de la caja. Esto causa que el sello se
mueva hacia delante y hacia atrás dos veces por cada revolución del eje. La junta y la
expansión térmica aumentan el problema de desalineamiento.
3.5.6. Sello estacionario
Los resortes o fuelles no giran con el eje.
Ventaja:
El desalineamiento no es un problema a menos que el sello sea montado en
cartucho. Para que un sello de cartucho este bien alineado se requiere que la
unidad giratoria este perfectamente alineada con el eje, y esto es difícil, ya que el
cartucho tiende a inclinar la cara cuando se aprietan los tornillos prisioneros.
35
Desventajas:
No es muy recomendable en aplicaciones con lodos, por lo que la fuerza centrífuga
no arroja los sólidos fuera de los componentes móviles. Lodo es definido como
sólidos en el líquido.
3.5.7. Sello único (simple)
Tiene un sólo juego en caras de sellado.
Ventaja:
Costo más bajo y usualmente una instalación simple.
Desventajas:
Cuando el sello falla, tiene que detenerse el equipo. En la mayoría de los casos las
excesivas fugas resultantes no son aceptables.
3.5.8. Sello múltiple (doble)
Se instalan más de un juego de caras en una variedad de configuraciones,
incluyendo:
♦ Espalda con espalda (Fig.3-2a)
♦ Tándem (Fig.3-2b)
♦ Cara con cara (Fig.3-2c)
Ventaja:
Protección de reserva que prácticamente evita las fallas imprevistas del sello. Este
arreglo se utiliza en bombas que manejan líquidos tóxicos altamente inflamables,
que no pueden permitir escapes a la atmósfera.
Desventajas
Mayor costo, y en algunos casos, restricciones de espacio.
36
Fig.3.2.
3.5.9. Sello tándem
El arreglo de sello tándem es él más seguro de todas las combinaciones de
sellos dobles. En efecto, esto es realizado con dos sellos internos. En este arreglo un
fluido barrera limpio y separado es sellado por el sello externo y el líquido de
proceso es sellado por el sello interno. Esto elimina una de las mayores
desventajas de los arreglos de sellos convencionales dobles, tener el líquido de
proceso en el lado inferior del sello primario. El fluido barrera puede ser
mantenido a una presión ligeramente mayor que la del líquido de proceso, para
ayudar a prevenir la filtración del fluido bombeado en el fluido barrera a mayor
presión. En este caso, el sello interno estacionario requerirá retención en ambas
direcciones axiales.
3.5.10. Sellos desbalanceados
Las caras del sello están afectadas en una mayor superficie a las presiones del
sistema hidráulico y sobre presiones momentáneas, además la presión de los
resortes.
• Ventaja: costo más bajo.
• Desventajas: uso limitado.
37
La presión dentro de la bomba justamente adelante del sello mecánico tiende a
mantener juntas las caras del sello interno. En el esquema más simple (Fig.3-3), la
presión interna de la caja actúa sobre toda el área posterior, resultando una
mayor fuerza para juntar las caras. Si el líquido que se maneja es un buen
lubricante y las presiones no son altas esta carga no resultara tan perjudicial. El diseño
se conoce como sello no balanceado.
En la (Fig.3-4), se da una descripción gráfica de las relaciones de fuerza y área de
este sello.
Si:
P = presión del líquido en la caja
P’= presión media a través de las caras del sello (la cual tiende a abrirlas y que
es aproximadamente P/2).
• Fuerza de cierre (Fc) = (P) * (área A)+ carga de resorte.
• Fuerza de apertura (FA) = (P’)* (área B).
Fig. 3-3. Esquema sello desbalanceado. Fig. 3-4.relación de fuerzas.
Como P' = P/2 y área A = área B; y sin considerar la carga del resorte se tiene
que:
FA = 2 * FB.
38
En el siguiente ejemplo se describe un sello rotativo no balanceado típico con una
presión en la caja de 10 Kg /cm2 y un área de cara de 6cm2 (Fig. 3-5).
Fig. 3-5, Fuerzas de un sello desbalanceado.
La presión en el diámetro externo de las caras del sello es de 10kg/cm2 y en el
diámetro interior es atmosférica o 1kg/cm2 manométrica. Si suponemos una caída
lineal de presión, la presión promedio a través de las caras será de 5 kg/cm2,
luego la fuerza tendiente a abrir las caras (FA) será:
FA = 5 kg/cm2*6cm2 = 30 Kg. (la cara B no puede moverse ya que es fija)
Los 10 kg/cm2 de presión también actúan en la parte posterior de la cara "A"
tendiendo a cerrar las caras y debido a que no hay caída de presión en la parte
posterior; por lo que la fuerza que tiende a cerrar las caras (Fc) será:
Fc = 10 kg/cm2 *6cm2 = 60kg + fuerza de resorte.
Debido a que la presión interna de la caja actúa sobre la cara posterior del sello
tendiendo a juntar sus caras, la fuerza de cierre resulta ser el doble que la de
apertura. Ahora, si el área de la cara de contacto es reducida a la mitad (una
condición común), la fuerza de cierre ahora será cuatro veces la fuerza de apertura.
Esta mayor fuerza de cierre puede causar calor excesivo de las caras pulidas y
por lo tanto, se tendrá que establecer límites operacionales para este sello. Los
factores que contribuirían a esto límites serían:
39
Velocidad: cuanto más rápido gira el eje más calor es generado.
Viscosidad de fluido: algunos pueden soportar cargas mayores.
Temperatura: puede afectar la viscosidad.
Tamaño del eje: la fuerza aumenta con el área.
Presión: la fuerza aumenta con la presión.
Materiales de las caras: algunos materiales son mejores conductores de calor que
otros.
3.5.11. Sellos balanceados
Este modelo permite que sólo parte de la cara posterior del sello reciba la
presión del sistema hidráulico.
Ventaja: amplia variedad de condiciones operativas, desde el vacío hasta la alta
presión, así como sobre presión momentánea en el sistema. Menos calor generado
entre las caras.
Desventaja: el modelo interno (el de mayor uso) requiere más espacio radial
debido a la necesidad del manguito de balanceado. Este también aumenta el costo
inicial. En los sellos de cartucho sería absurdo fabricar un tipo desbalanceado ya
que el manguito siempre está presente.
En la Fig.3-6, se muestra como la fuerza de cierre puede disminuirse por la
reducción del área de cierre (fuerza = presión * área). La forma más fácil de lograr
esto es instalando una camisa escalonada sobre el eje. Ahora solamente una parte
del área de la cara del sello está expuesta a la presión de cierre.
Sello parcialmente Balanceado Sello completamente Balanceado
Fig. 3-6. Sellos balanceados.
40
La Fig. 3-7, muestra el diagrama de fuerzas para la cara rotativa (A). La línea
punteada muestra la fuerza real medida en condiciones de laboratorio. Como se
puede ver, las fuerzas de apertura (FA) pueden variar debido a que la caída de
presión no es lineal en todos los casos.
Fig. 3-7. Caída de presión en las caras del sello.
Si el sello estuviera perfectamente equilibrado con 50% de la cara soportando la
presión de cierre, podría ser peligroso de abrirse las caras, si la fuerza de apertura va
aumentando debido a la caída de presión no lineal. Fig. 3-8
Fig. 3-8. Sello balanceado con 50% de la cara expuesta a la presión de cierre.
Por esta razón la mayoría de los sellos balanceados se construyen con un ligero
sobre balanceado de aproximadamente un 70% del área de la cara del sello
soportando la presión de cierre como se muestra en la Fig. 3-9. Además, para
evitar una apertura de las caras del sello recordemos que a la fuerza de cierre por
acción de la presión se debe adicionar la fuerza del resorte.
Fig. 3-9. Sello balanceado con 70% de la cara expuesta a la presión de cierre.
41
3.5.12. Sello de tipo elastómero
Utilizan un aro tórico (O-Ring), cuña, copa en forma de U o V. el tipo de O-Ring
es el más ventajoso.
♦ Ventaja: el elastómero actúa como amortiguador natural de vibración, evitando
la astilladura y separación de las caras. Para vacío sólo puede usarse el tipo con
aro tórico. El O-Ring está disponible en una amplia variedad de materiales y es
el elastómero de mayor precisión que se puede encontrar.
♦ Desventaja: todos los elastómeros tienen límites de temperatura inferior y
superior.
3.5.13. Sello de fuelle metálico
Los más comunes son aquellos para altas temperaturas, en los cuales todos los
elastómeros son eliminados (Fíg.3-10).
♦ Ventaja: mayor límite de temperatura de sellado. Excelentes para sellados
criogénico y la mayoría de los fluidos calientes, con excepción de derivados de
petróleo, ya que estos deben ser enfriados para evitar que se
"coquifiquen".
♦ Desventaja: mayor costo que los elastómeros para sellado similar. Problema con
vibración, a menos que se hayan instalado amortiguadores. Todos los metales
de baja expansión usados en estos modelos no están considerados como
resistentes a la corrosión El acero inoxidable 316 no es aceptable debido a
problemas de tensiones por el problema de cloruro,
Fig. 3-10. Sello de fuelle metálico.
42
3.5.14. Sello en cartucho
El sello está montado en un manguito que asegura al eje desde fuera de la cámara
de sello. ♦ Ventaja: un método fácil de instalación de sello y una característica necesaria
para ajustes del rodete (impulsor).
♦ Desventajas: mayor espacio requerido y costo inicial más alto.
3.5.15. Sello sin cartucho El sello se fija directamente al eje o camisa de la bomba, o en algunos casos,
contra un resalto del eje.
♦ Ventaja: costo más bajo.
♦ Desventaja: sujeto a los errores que pueden cometerse en la instalación. Mayor
tiempo para la instalación y el sello no tiene la capacidad de compensación
térmica o ajustes del rodete (impulsor).
3.5.16. Sello partido
Todos los componentes del sello están partidos por la mitad, de forma que el
sello pueda ser instalado sin tener que desarmar el equipo. Los componentes de
caucho no pueden estar pegados ya que crearían un "punto duro", interfiriendo con
el libre movimiento del elastómero dinámico, por lo que deben unirse
mecánicamente.
♦ Ventaja: no se necesita desarmar ningún equipo rotativo, a menos que sea
absolutamente necesario para alguna otra razón de mantenimiento.
♦ Desventaja: los modelos actuales no pueden ser usados en aplicaciones con
ciclos presión / vacío. El sello puede ser instalado para sellar cualquiera de los dos
pero no para ambos. Las bombas de condensado pueden ser selladas si se conecta
una línea desde la carga de la bomba hasta la conexión de la brida del sello.
3.5.17. Sello sólido
El equipo tiene que ser desarmado para instalar el sello.
♦ Ventaja: puede usarse en aplicaciones alternativas de presión / vacío y tiene una
variedad amplia de materiales disponibles.
♦ Desventaja: debe desarmarse la bomba y ser realineada.
43
3.6. DISEÑOS DE SELLOS MECANICOS
Los diseños básicos de sellos tienen variaciones que desarrollan sellos para
aplicaciones específicas. Cada diseño de sello tiene sus propias fortalezas y
debilidades.
3.6.1. Sello de cartucho
El sello de cartucho no cambia ninguno de los componentes funcionales de las
clasificaciones básicas del sello. En un sello de cartucho, todos los ítems están
contenidos en un conjunto y sólo se requiere apretar los pernos de la brida,
conexiones de purga y tornillos prisioneros. La necesidad de marcar líneas y realizar
mediciones críticas es usualmente eliminada. Los sellos de cartuchos están
disponibles en cada uno de los tipos y clasificaciones.
El factor limitante en el diseño de un sello de cartucho es el espacio disponible en el
área de la cámara de sello de la bomba por que pueden requerir mayor espacio axial
de profundidad y sección radial. Fig.3-11.
Fig. 3-11. Sello de cartucho.
44
3.6.2. Sello de copa "U" El sello secundario o de copa "U" puede ser fabricado de PTFE, elastómero o
composite. El gran resorte simple no conduce la rotatoria pero extiende el sello
secundario y mantiene la carga en la cara durante la operación y paradas o
detenciones de la bomba. Este sello es un diseño balanceado de servicio pesado que
normalmente requiere mayor espacio radial y axial que un sello balanceado
convencional multiresorte.
Fig. 3-12. Sello de copa "U".
3.6.3. Sellos V-Ring. El sello V-Ring (anillo V) es un mecanismo de sello que requiere carga constante
del V-Ring, para sellar. Si el sello es del tipo que trabaja tanto externo como
interno, entonces el V-Ring debe voltearse de modo que selle el fluido.
Para reducir el estancamiento de los tipos multiresortes, este diseño es
medianamente abierto y permite la circulación del fluido para limpiar los resortes
cuando el sello rote.
Fig. 3-13. Sello “V” Ring.
45
3.6.4. Sello O-Ring. Este particular sello tiene un O-Ring dinámico como sello secundario y un O-Ring (Anillo-O) estático como sello al eje. Los resortes en este diseño están aislados del líquido bombeado por los sellos O-Ring y no puede llegar a atascarse a menos que ocurra filtración a través de las caras del sello. Este tipo de sello es totalmente balanceado dentro de él con sus propios componentes
Fig. 3-14. Sello "O" Ring.
3.6.5. Sellos de cuña. Este sello es mostrado usando una cuña deslizante de PTFE, que está
acompañada con una cara de carbón. No contiene tolerancias cerradas de fijación.
Este sello está diseñado para uso interior, pero puede ser usado exteriormente a
bajas presiones.
Fig. 3-15. Sello de cuña.
46
3.6.6. Sello tipo bota.
Este sello es mostrado usando un gran resorte simple, que mantiene el contacto
de cara pero la conducción (el giro de la unidad con el eje) es proporcionada
por la bota de elastómero o goma. Se deberá ser cuidadoso cuando se instale el
sello, por que el elastómero puede apretarse al eje si el sello es para conducir (rota
con el eje).
Fig. 3-16. Sello tipo bota.
3.6.7. Sellos de fuelle. Los diseños de fuelle de metal soldado constan de una serie de golillas delgadas
que son soldadas juntas en sus diámetros interiores y exteriores. Cada set de placas
soldadas tiene una cantidad fija de movimiento axial (a lo largo del eje). A mayor
cantidad de placas soldadas que son anilladas al sello, mayor es la habilidad del sello
para moverse y ajustarse por desgaste de la cara. Las placas soldadas son
usualmente hechas de material resistente a la corrosión, tal como, Hastelloy o acero
inoxidable serie 300 (según fabricante).
Fig. 3-17. Sello de fuelle
47
3.7. SELECCIÓN DE LOS MATERIALES DEL SELLO.
Una vez que se ha escogido el tipo correcto de sello, debemos escoger los materiales
del sello que sean químicamente compatibles con el fluido a sellarse y con cualquier
otro solvente o limpiador que pueda encontrarse en el equipo o en las tuberías.
3.7.1. Seleccione el metal correcto.
1. Los componentes metálicos (caja, tornillos prisioneros, aros de resorte, etc)
deben ser del mismo material y calidad que los de la bomba o equipo.
2. El acero inoxidable 316 generalmente puede especificarse sí cualquier calidad de
acero inoxidable es aceptable.
3. El inoxidable 316 es aceptable en la mayoría de los equipos en los que sus piezas
que se mojan se fabrican de hierro, acero o bronce. Si existe alguna duda
respecto a su aceptación, verifique con su departamento de ingeniería.
Precaución: nunca use resortes o fuelles de acero inoxidable debido a la posibilidad
de producirse corrosión en tensión, por presencia de cloruros. El Hastelloy C es el
mejor material para los resortes y fuelles. (Según fabricante).
3.7.2. Caras de contacto
Muchas son las variables a considerar para la selección de las caras de contacto
en un sello mecánico. Las características más significativas a considerar son:
♦ Dureza.
♦ Resistencia química (Compatibilidad con el producto a sellar).
♦ Coeficiente de roce y auto lubricación.
♦ Resistencia a la temperatura.
♦ Resistencia a choques térmicos y choques mecánicos.
♦ Transferencia de calor y costo.
Los materiales para cara de contacto más utilizados son:
♦ Carbono: es usado como "cara blanda". Es recomendado 80% carbono, 20%
grafito
48
♦ Cerámica: (alumina u oxido de aluminio: AL2 O₃). Es usada como "Cara dura".
Se utilizan dos tipos diferentes en la concentración de alumina:
99.5% alumina, 0.5% aglomerante.
99.7% alumina, 0.3% aglomerante.
♦ Carburo de tungsteno: es usada como "Cara dura". Tanto el aglomerante de
cobalto como el de Níquel son aceptables, excepto en el caso de materiales
revestidos o recubiertos, donde sólo debe usarse el aglomerante de Níquel.
♦ Carburo de Silicio: es usado como "Cara dura". Según el proceso de fabricación
se utilizan dos tipos: el sinterizado y en liga a reacción. Este debido a su menor
costo, es un sustituto aceptable del carburo de tungsteno.
La combinación de caras utilizadas en la mayoría de las aplicaciones es carbono
v/s cerámica, es decir una "Cara blanda" v/s "Cara dura", debido a la buena
resistencia química y capacidad para trabajar a altas temperaturas de ambos
materiales. También se utilizan combinación de "cara dura" v/s "cara dura"
especialmente en productos químicos oxidantes fuertes (ya que estos afectan al
carbono), o cuando el producto a sellar tiene tendencia a pegar las caras pulidas
del sello. Importante en estos casos la generación de calor entre las caras y el
mejor arreglo para ellos es carburo de silicio v/s carburo de silicio.
3.7.3. Elastómeros y juntas de brida
Los elastómeros, generalmente un sello anular (O-Ring), o una cuña u otra
configuración, a pesar de ser sellos secundarios, son las piezas más sensibles al
ataque químico, a la temperatura y a la extrusión, por lo cual pueden indicar el éxito
o fracaso de un sello mecánico.
49
Los materiales utilizados para O-Ring en sellos mecánicos y sus límites de temperaturas son:
Viton (fluorocarbono) -30° C A 205° C
Etileno propileno -55° C A 150° C
Kalrez -30° C A 260° C
Chemraz (perfluoro) -30° C A 215° C
Buna N. (butaideno acrilo nitrito) -55° C A 110° C
Buna S. (butaideno estireno) -59° C A 120° C
Neopreno (cloropeno) -43° C A 149° C
Para la selección considerando sus resistencias químicas, se debe recurrir a las
tablas de compatibilidad, dada por los fabricantes de estos productos.
3.8. COMO OBTENER UNA BUENA DURACIÓN DEL SELLO.
Para obtener la mayor vida útil de los sellos mecánicos, seguimos la filosofía de que
sí una pieza de equipo está funcionando adecuadamente la dejamos tranquila y no la
reparamos hasta que falle.
¿Cómo saber si se está consiguiendo una duración satisfactoria?
En realidad es bien simple, el sello mecánico tiene una sola pieza que se desgasta
o sacrifica la cara del sello.
Fig. 3-18. Este es un sello mecánico típico
50
Un sello mecánico, que ha estado funcionando adecuadamente, tendrá el
aspecto que se muestra en la siguiente figura, cuando haya sido sacado del
equipo.
Fig. 3-19.
Al realizar una inspección de los sellos que hayan sido retirado de los equipos, se
puede comprobar que más del 85% de ellos tienen mucho carbón restante, que
significa esto, que más del 85% de los sellos fallan prematuramente. La solución a
este problema, para obtener una máxima vida útil del sello es:
• Conocer los diferentes tipos de sellos y saber escoger el tipo correcto para su
aplicación y uso.
• Saber instalar correctamente los sellos.
• Saber los productos del sello y cómo los productos químicos alteran su estado.
• Conocer los diferentes tipos de sistemas de respaldo para evitar una falla de sello
inesperada.
Si estos conocimientos y técnicas se aplican al 100%, en todas sus
aplicaciones de sellado, se podrá esperar alcanzar el desgaste total del 85% de los
sellos. Los otros 15% serán un problema, no importa lo que se haga.
51
3.9. SELECCIÓN DE LOS SELLOS MECÁNICOS,
Muchas son las variables a considerar a la hora de realizar la selección de un sello
mecánico. Entre ellas se encuentran características de diseño del sello,
condiciones de operación tales como velocidad tangencial, medida en las caras del
sello, presión en la caja prensa estopa, temperatura del medio a sellar,
características del equipo como el diámetro del eje, etc.
Respecto del diseño hay que considerar que el sello tenga las características para
soportar los factores desfavorables y característicos de anti-atascamiento. Por
ejemplo, hay que establecer si el elastómero es un sello anular, una cuña u otra
configuración. En general, los sellos anulares se pueden flexionar unas cuantas
milésimas de pulgadas y son mejores que otras configuraciones de elastómero que
no permiten tanto movimiento. Se debe tener en cuenta que los resortes múltiples
pequeños producen una presión más uniforme entre las caras que un sólo resorte
grande; sin embargo, como el alambre de este último es más grueso, puede resistir
con más facilidad la corrosión, partículas y sustancias gomosas. La resistencia a esos
factores y características de anti-atascamiento se puede lograr con sellos de resortes
múltiples que estén instalados de modo que no toquen el líquido bombeado, con
elastómero y parte móvil del sello que puedan moverse hacia una superficie limpia, a
medida que las caras del sello se desgastan; y con un diseño en que la fuerza
centrífuga arroje los sólidos fuera de las caras pulidas del sello. Aunque se crea que
el líquido bombeado este limpio, una contaminación inesperada puede ocasionar la
pérdida momentánea del contacto entre las caras del sello y ocurrirá una fuga.
El calor generado en las caras del sello puede producir la falla del elastómero o
cambiar la condición del líquido bombeado en la zona del sello, lo que aumentará la
corrosión o producirá cristalización. Por tanto, al evaluar cualquier tipo dé sello
mecánico se debe tener en cuenta la proximidad del elastómero con las caras del
sello y verificar el flujo recomendado del líquido en el prensaestopas. El calor
generado por el sello mecánico está en función de la presión de cierre contra sus
caras.
52
Por ejemplo: Los sellos mecánicos equilibrados hacen que esa presión sea mínima y
compense cuando cambia la presión hidráulica; por ello, este sello requiere poco
o ningún líquido para lavado y enfriamiento. Además el sello equilibrado tiene la
propiedad de ser más resistente si se cierra en forma brusca el tubo de descarga de
la bomba, requiere menos energía que el desequilibrado, compensa el golpe de
ariete y se puede utilizar el mismo tipo de sello en bombas distintas para diferentes
presiones.
Además, hay que comprobar la compatibilidad del líquido para estopero con los
materiales de construcción de los resortes, el elastomero, el componente
rotatorio y el fijo. Si no se tienen en cuenta esos factores y ocurre pérdida
momentánea de contacto entre las caras del sello, éste, se dañará y ocurrirán
fugas.
Ciertas condiciones de operación o características del equipo determinan ciertos
tipos o características específicas del sello a utilizar. (Los valores dados a continuación
deben considerarse sólo como una guía aproximada de selección, ya que cada
fabricante especifica sus diseños para determinadas condiciones de operación). Es
así como para:
Velocidad:
Velocidad < 4000 Rpm: Usar sello rotatorio.
Velocidad > 4000 Rpm: Usar sello estacionario.
Diámetro del Eje:
Diámetro < 115 mm: Usar sello rotatorio
Diámetro > 115 mm: Usar sello estacionario
Presión (en la Caja):
Desde 0,133 kPa (1 mm Hg) al vacío a 2.800 k Pa (28 Bar): Usar sello
balanceado.
Para presiones mayores usar diseño para trabajo pesado con anillos de soporte
para prevenir la extrusión del elastomero más gruesos para prevenir la distorsión
de la cara, menor presión de resorte y un radio de balance diferente.
53
Temperatura: (Del medio a sellar). Si está dentro de los límites de temperatura de
los anillos-O: usar sellos con Anillo-O. Si está fuera de los límites del Anillo-O, usar
sellos de fuelle metálico (sin elastómero).
SELECCIÓN DEL TIPO DE SELLO PARA BOMBAS CENTRIFUGAS (VALORES APROXIMADOS PARA EL COMÚN DE LOS SELLOS)
TIPO DE SELLO EJE (mm)
R P M PRESIÓN CAJA (ABSOLUTA)
T° FLUIDO
ROTATORIO, CON ANILLO
"0" BALANCEADO,
< 115 <4000 0.133 Kpa (1mmHg) a 1000
Kpa (10 Bar)
40° C - 260° C
ROTATORIO, CON ANILLO “O"
BALANCEADO
<115 <4000 0.133 Kpa (1mmHg) a 2800
Kpa (10 Bar)
40° C - 260° C
ROTATORIO DE FUELLE
METÁLICO.
<115 <4000 0.133 Kpa (1mmHg) a 2800
Kpa (10 Bar)
Menos de 40° C y más de
260° C ESTACIONARIO CON
ANILLO “O” BALANCEADO.
> 115 >4000 Variable (según diseño del
sello)
40° C- 260° C
3.10. FALLAS DE LOS SELLOS MECÁNICOS.
Las fallas de los sellos mecánicos se incluyen en las siguientes grandes categorías:
1. Las caras del sello se abren. Debido al movimiento del eje, dimensiones
incorrectas, fuerzas externas, vibraciones, etc.
2. El calor, origina los siguientes problemas; afecta al elastómero que es una pieza
muy sensible al calor, puede cambiar el estado del producto, aumentar el grado
de corrosión, destruir los revestimientos del sello y el material de este, además la
expansión térmica puede variar las cargas sobre el sello.
3. Los materiales son destruidos por el flujo limpiador o de barrera.
4. El sello es instalado incorrectamente. Por esta razón, se han ideado
sistemas para facilitar el montaje, entre los cuales se pueden mencionar los
sellos en cartuchos, en donde el sello viene pre instalado.
54
3.11. GENERACIÓN DE CALOR.
Una de las ventajas del sello balanceado, es la menor generación de calor ya que la
generación de calor es una de las principales causas de falla de los sellos, resultaría
interesante realizar una comparación del calor generado por un sello no balanceado
y uno balanceado.
Para conocer la generación de calor en las caras del sello, se deben conocer
los siguientes datos:
1. La fuerza neta de cierre en las caras. Vale decir la fuerza hidráulica de cierre más
la del resorte, menos la fuerza hidráulica de apertura.
2. El coeficiente de fricción o arrastre entre las, caras. El que debe ser obtenido de
publicaciones técnicas. Dicho valor varía entre 0,01 hasta 0,3 dependiendo de los
materiales de las caras del sello, el fluido, viscosidad, etc.
3. La distancia que las caras del sello recorren.
3.12. TEORÍAS DE LUBRICACIÓN DE LAS CARAS DEL SELLO.
Existen diversas teorías sobre lo que sucede en las caras de los sellos mecánicos.
A continuación se presentan algunas de estas teorías:
3.12.1. La teoría de la aspereza
Esta fue propuesta por el Battell Memorial Institute en 1963. Ellos fueron
comisionados por la Fuerza Aérea U.S.A para averiguar, de una vez por todas qué es
lo que estaba pasando entre las caras del sello.
Batell fabricó una de las caras de vidrio y fotografió el resultado. La prueba fue
realizada funcionando contra una cara de grafito de carbón y también contra una
cara de acero inoxidable templado. El medio de sellado era aceite MIL7808, un aceite
de turbina de alta calidad.
Battell observó que las caras eran separadas por vapores que provenían de las
asperezas en la cara del sello Fig.3-20.
La Fig. 3-20a, ilustra la cara del sello ajustado plana. Tratándose de una mezcla
de carbón y grafito, el grafito se transfiere a la cara dura, dejando asperezas. A
diferencia de otros materiales que tienden a desgastarse en forma lisa, estas
asperezas continúan apareciendo a medida que las caras se desgastan. Se observo
55
que los vapores provenían de las asperezas, Fig. 3-25b. Esta teoría de la aspereza
no explica cómo puede funcionar cerámica contra cerámica o carburo de
tungsteno.
Fig. 3-20. Formación de asperezas de las caras del sello.
3.12.2. La teoría de la caída de presión.
A medida que se desarrollan las asperezas, el fluido pasa por una serie de caídas
de presión a través de la cara, hasta que se pierde toda la presión. Se forma un
menisco en el diámetro interno de la cara el cual es mantenido ahí por la fuerza
centrifuga.
Fig. 3-21. Esquema de la formación y ubicación del menisco.
3.12.3. La teoría de la cuña de presión.
A esta teoría se le hace referencia cuando se trata del equilibrio del sello. El
argumento es que las caras funcionan sobre una película de líquido que produce
fuerzas hidrodinámicas que mantienen las caras separadas. Este líquido es forzado
entre las caras por una combinación de presión y acción capilar.
56
3.12.4. La teoría del funcionamiento en seco.
Esta teoría supone que no es necesario ningún lubricante debido a que el sello está
funcionando sobre una combinación de carbón contra grafito. La cara dura se
encuentra ahí para proporcionar una superficie en la cual el grafito se adhiere. Se
sabe, que los sellos funcionan bien en disolventes y agua caliente que son fluidos
que no proporcionan ninguna lubricación.
3.12.5. La teoría de tres bandas
Esto ha sido observado entre algunas caras de sellos. Se forma una banda de
líquidos en el área exterior, vapor en el área del medio y seca en el interior.
Fig. 3-22. Esquema de la teoría de las tres bandas.
Todas las condiciones anotadas han sido observadas cuando se están usando sellos.
Siempre que se instala un sello se debe tratar de mantener las caras inmersas en
líquido. Los sellos inmersos en fluidos lubricantes parecen durar más.
En los sellos de la industria, a menudo es preciso sacrificar vida de servicio en aras de
una mayor estanqueidad, para mayor seguridad y protección del medio ambiente.
Esto lleva al concepto de tres regímenes de lubricación interfacial.
Lubricación límite.
En este régimen, existe una delgada película discontinua de líquido entre las caras
del sello, cuyo espesor es de unas pocas moléculas. La presión de dicha película es
despreciable, por lo que su acción es insuficiente para mantener separadas las caras,
entre las que existe un contacto sólido. La fricción está determinada por las
cualidades lubricantes, de los materiales de las caras. Pero, en este régimen el
coeficiente de fricción es del orden de 0,1.
57
Lubricación mixta
En este régimen el espesor de la película es más grueso, aunque aún parcialmente
discontinua, sin embargo, es mayor y alcanza a amortiguar el contacto entre los
materiales de las caras, si bien los materiales de estos últimos aún son importantes en
las características de fricción del conjunto; el coeficiente de fricción debe estar en el
orden de 0,1.
Lubricación hidrodinámica
Llamada también lubricación película plena, puede definirse como aquella en que la
película interfacial es lo suficientemente gruesa y ejerce una presión como para
mantener totalmente separadas las caras del sello mecánico. Al desaparecer el
contacto entre las mismas comienzan a aparecer fugas visibles y es ahora donde la
viscosidad del líquido determina las características de fricción. En esta situación el
coeficiente de fricción es del orden de 0,0 1 o menor.
La mayoría de los sellos mecánicos de las industrias, operan con régimen de
lubricación mixta; ello significa existe un contacto parcial entre las caras del metal
con el consiguiente mayor desgaste, el cual es un precio a pagar por una mayor
estanqueidad.
58
Capitulo 4 FALLAS EN LOS SELLOS MECANICOS
59
4.1. PORQUE FALLAN LOS SELLOS MECÁNICOS.
Todos los años, las fallas de los sellos mecánicos producen costos de mantenimiento
y pérdidas de producción por decenas de millones de dólares. Se presentan las
causas básicas de las fallas de los sellos y los métodos principales para evitarlas.
Las fallas suelen ser por:
1) errores en la instalación
2) problemas por el diseño básico del sello mecánico
3) contaminación del líquido en la prensa estopas.
Los sellos mecánicos están 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. ¿Por qué?
4.1.1. Errores en la instalación.
Los errores en la instalación pueden ocurrir sin que el operario se dé cuenta y los
más comunes incluyen el descuido en proteger las caras de sellamiento, daño a los
elastómeros y no verificar la posición y las dimensiones criticas de sello. Las caras de
los sellos se pulimentan con una tolerancia de una banda de la luz de helio o sea
0.0000116 in. Esta tolerancia crítica hace que sean uno de los componentes de
mayor precisión en el trabajo de mantenimiento. El operario debe manejar el sello
como si fuera una obra de arte. Si se cae o se golpea con cualquier objeto, por
ejemplo, en el estopero de la bomba. Es casi seguro que permitirá fugas.
Además, cualesquiera partículas de herrumbre u otro cuerpo extraño que lleguen a
las caras del sello durante la instalación permitirán fugas. Esto ocurre porque las
partículas se pueden enclavar en la cara de carbón blando y producen abrasión en la
cara dura. En consecuencia hay que tener un cuidado excepcional para instalar
sellos. Por ejemplo, quizá se necesite una zona exclusiva para armar bombas y
también hay que pensar en la limpieza minuciosa de las piezas de la bomba en la
zona el sello que van a seguir en servicio.
Durante la instalación, es fácil que ocurran daños en el elastómero del sello, que
puede ser sello anular (0-Ring.), cuña, taza cóncava, etc. Hay que fijarse bien si
las rebabas o bordes agudos al colocar el sello en el eje o la camisa del eje, en
60
especial los prisioneros, cuneros, chaveteros y estrías. Nunca utilice una cuchilla para
quitar un sello anular viejo; utilice un pasador delgado o una varilla de madera
para no cortar el elastómero; cualquier corte o melladura en el elastómero al
instalar, puede permitir fugas que parecerán provenir de las caras del sello cuando
se arranca la bomba.
Salvo que el sello esté instalado de modo que las caras tengan la carga correcta,
ocurrirán fugas. El operario debe verificar la tolerancia permitida en la instalación del
tipo particular de sello. También se deben tener en cuenta los ajustes finales del
impulsor y de la posición de las placas de apoyo. Antes de instalar el sello hay que
comprobar la desviación radial del eje o árbol con un micrómetro de esfera; la
lectura total del micrómetro no debe exceder de 0.001 de pulgada de longitud.
Además, el movimiento debe exceder de 0.005 in. Si no se pueden lograr tolerancias,
habrá que ajustar o reemplazar los cojinetes pues, en otra forma, ocurrirán fugas por
el sello. Hay que comprobar la concentricidad y perpendicularidad del prensa
estopas con el eje. A veces, habrá que rectificar la cara del prensaestopas para
tener la certeza que el componente fijo quede perpendicular con el rotatorio. Sí se
aprieta en exceso el retén, puede haber combadura en la cara del sello.
Un sello nuevo no debe permitir fugas; si las hay, indica un error en la instalación. La
fuga puede desaparece poco a poco pero no del todo. Hay que desarmar e
inspeccionar la bomba y volver a instalar o reemplazar el sello. Cuando hay
errores, pueden parecer insignificantes, pero si no se corrigen ocurrirán fugas y se
puede que el sello "no sirve para nada".
4.1.2. Problemas por el diseño de los sellos. Un sello de diseño deficiente puede permitir la pérdida momentánea de contacto de
las caras y su falla en un momento dado. Cuando las caras pierden contacto por
cualquier razón, cualquier partícula en el líquido para sello se introducirá entre las
caras y se enclavará en la cara blanda, ésta funcionará como rueda abrasiva y
destruirá la cara dura. El componente rotatorio se conecta con el eje de la bomba,
que tiene un movimiento axial constante entre 0.001 y 0.002 in. Este movimiento lo
pueden producir la desviación normal, vibración, cavitación, desequilibrio del
impulsor, desalineación de los tubos y acoplamientos, y las tolerancias de los
cojinetes. El sello debe poder compensar este movimiento axial, lo cual es una de las
61
razones por las que se necesitan resortes y elastomeros en el sello mecánico. Si se
interrumpe esta compensación por cualquier motivo, las caras del sello
perderán el contacto y habrá fuga. Las partículas de sólidos, sin que importe su
origen, atrapadas en los resortes o elastomeros o entre el componente rotatorio y el
eje, impedirán la acción de compensación. Esto permitirá que se separen las caras
por el movimiento natural del eje y la inutilización del sello.
Hay que determinar si el sello tendrá las características para soportar los factores
desfavorables y si las condiciones de trabajo son las adecuadas, para el
funcionamiento correcto del sello. Por ejemplo, hay que establecer si los resortes
están o no encerrados, si el elastómero es un sello anular, una cuña, u otra
configuración y las cuales son las dimensiones críticas para la holgura. En general, los
sellos anulares se pueden flexionar unas cuantas milésimas de pulgada y son
mejores que otras configuraciones de elastomeros que no permiten tanto
movimiento.
Los resortes múltiples pequeños producen una presión más uniforme entre las caras
que un sólo resorte grande, sin embargo, como el alambre de este último es más
grueso, puede resistir con más facilidad la corrosión, partículas y sustancias
gomosas. La resistencia a esos factores se puede lograr en los sellos de resortes
múltiples si están instalados de modo que no toquen el líquido bombeado
Pero, aunque los resortes puedan estar aislados del líquido, el elastómero y el
componente rotatorio si hacen contacto. Por ello, aunque se crea que el líquido
bombeado esté limpio, una contaminación inesperada puede ocasionar la pérdida
momentánea del contacto entre las caras del sello y ocurrirá una fuga.
El calor generado en las caras del sello puede producir la falla del elastómero o
cambiar la condición del líquido bombeado en la zona del sello, lo que aumentará
la corrosión y producirá cristalización. Por tanto, al evaluar cualquier tipo de
sello mecánico se debe tener en cuenta la proximidad del elastómero con las
caras del sello y verificar el flujo recomendado de líquido en el prensaestopas.
Además, el calor generado por el sello mecánico está en función de la presión de
cierre contra sus caras. Los sellos mecánicos equilibrados hacen que esa presión
sea mínima y se compense cuando cambia la presión hidráulica; por ello, el sello
equilibrado requiere poco o ningún líquido para lavado y enfriamiento. Otras ventajas
62
del sello equilibrado consisten en que son más resistentes si se cierra en forma
brusca el tubo de descarga la bomba, requieren 20% menos de caballaje que el
desequilibrado, compensan el golpe de ariete y en que se puede utilizar el mismo tipo
de sello en bombas distintas para diferentes presiones.
Además, hay que comprobar la compatibilidad del líquido para el estopero con los
materiales de construcción de los resortes, el elastómero, el componente rotatorio u
el fijo. Si no se tienen en cuenta esos factores y ocurre pérdida momentánea de
contacto entre las caras del sello éste se dañará y ocurrirán fugas.
4.1.3. Partículas extrañas en el prensaestopas Los cuerpos extraños en el líquido del prensaestopas pueden obstruir los
componentes deslizables del sello y, producir su falla. Como se mencionó, se debe
permitir que los resortes, elastómero y componente rotatorio compensen el
movimiento del eje para evitar la pérdida momentánea de contacto entre caras. El
líquido en el prensaestopas suele ser el que se bombea y su volumen muy
pequeño, de unas cuantas onzas. La presión y temperatura de ese líquido se
aproximan a las del líquido bombeado en la succión más bien que en la de
descarga de la bomba.
Si el líquido bombeado no contiene sólidos y está más o menos frío, un sello
equilibrado no requiere cuidados especiales. Pero, algunos líquidos, cuando
cambian las condiciones, de funcionamiento pueden incluir sólidos abrasivos,
producir cristalización o ser corrosivos.
63
4.2. INSTALACIÓN DE UN SELLO. Para instalar cualquier marca de sello mecánico hay que tener en
consideración los siguientes parámetros:
1. Determinar si la bomba o la unidad está en condiciones suficientemente buenas
para usar un sello mecánico.
2. Colocar el sello en su longitud operativa correcta.
3. Evitar dañar las caras pulidas del sello.
4. Evitar dañar el elastómero (la pieza de caucho).
5. Centrar la cara estacionaria.
Si cada uno de los puntos seleccionados se efectúa correctamente, el sello debe
funcionar después de la instalación. La vida útil del sello depende de los materiales
que se elijan, (estos pueden ser incompatibles con el fluido); operación de la
bomba; características del fluido (el fluido puede cristalizarse, solidificarse,
vaporizarse, etc.); condiciones operacionales (tales como temperatura, velocidad y
presión); y la necesidad de controles de las condiciones del ambiente, sin embargo el
sello no debe presentar fugas inicialmente.
Si el sello presenta fugas inmediatamente después de la instalación, uno de los
cinco procedimientos fue ejecutado en forma incorrecta.
64
4.2.1. Determinar si la bomba o equipo está en buenas condiciones.
A. Verifique el estado del eje o la camisa.
1. ¿Se encuentra liso y libre de muescas, rebabas y materiales extraños? La
mayoría de los sellos requieren un afinado de por lo menos 0,8 micrones (32
rms).
2. ¿Se encuentra el diámetro del eje dentro de los márgenes de tolerancia? Una
lectura normal sería de + 0,000 a 0,05mm(+ 0,000 a 0,002 de pulgada).
3. Si el eje está calzado con una camisa, ¿está la junta de la camisa en el lugar
correcto y sellando? Una junta de camisa que presente fugas se muestra como
una cara de sello con fugas.
4. ¿Qué descentracion (chicoteo u oscilante) está usted obteniendo? 0,001 mm
por cada mm (0,001 de pulgada/pulgada del eje) del diámetro del eje es lo
máximo. Si obtiene más que esto, el eje puede estar doblado o los cojinetes
pueden estar desgastados.
5. Si el eje o la camisa se han acerado (endurecido), los tornillos prisioneros no se
afirmarán en él. En este caso, use un sello que se sujeta con abrazadera
alrededor del eje.
B. Verifique la caja. 1. ¿Está la cara de la caja lisa y dentro de escuadra con el eje? Utilice una
herramienta fresadora para asegurar un buen acabado de la junta.
2. Las bombas con cajas divididas frecuentemente tienen una cara de caja
irregular. Se deberá, en casi todos los casos rectificar estas cajas.
3. Revise que no haya material extraño recubriendo el interior de la caja. La parte
rotativa del sello podría tocar este material y abrirse las caras pulidas.
4. ¿Está la caja redonda y con el eje funcionando en su centro?
5. Los esfuerzos en las tuberías pueden desalinear una caja y causar movimiento
excesivo del sello.
6. Si la parte rotativa del sello toca o roza cualquier parte estacionaria en la caja,
las caras se abrirán. Recuerde también que si el eje al girar llegara a tocar la
cara del sello estacionario, pueden ocurrir daños y fallas del sello.
65
4.2.2. Instalación del sello
C. Verifique la vibración, sus principales causas son:
1. Cavitación.
2. Desalineamiento del acoplamiento.
3. Impulsor desbalanceado.
4. Líneas de recirculación de descarga de las bombas dirigidas a las caras pulidas
del sello.
5. Vibración armónica, inherente del equipo.
6. "Estancamiento y deslizamiento" causado cuando las caras del sello
alternadamente se pegan y luego resbalan cuando el componente impulsor
entra en contacto con la cara. Esto ocurre frecuentemente con productos que
se vaporizan, tal como el agua de alimentación de calderas.
7. Características operativas inapropiadas o deficientes de la bomba.
Algunas bombas más antiguas utilizan empaquetaduras como parte de su sistema de
cojinetes. Estas bombas deben continuar usando empaquetaduras. También hay
que tener cuidado con bombas que están equipadas con cojinetes de camisas. Los
sellos fallan frecuentemente en estos equipos.
66
4.3. SELLO CONTRA EMPAQUETADURA
Actualmente existe una tendencia definida hacia el sellado mecánico en la industria.
Podemos notarlo en la cantidad de bombas nuevas que se suministran con sellos y la
cantidad creciente de bombas empaquetadas que están siendo convertidas a sellos
mecánicos.
Los siguientes párrafos son una colección de las razones por las cuales la mayoría
de las compañías están convirtiendo sus equipos. No se ha dado ningún orden en
particular a las siguientes razones.
1. Contaminación. Agencias de control del medio ambiente ya no permiten que
fugas de bombas de procesamiento contaminen ríos y corrientes. El tratamiento de
estos desechos también se está volviendo muy costoso.
2. Costo del producto. Un goteo constante de una empaquetadura equivale a
80-100 litros por día (20-25 galones). El costo de muchos productos pagan en exceso
los sellos necesarios para detener las fugas.
3. Consumo de energía. Un sello con Anillo-O balanceado consume un sexto
de la energía eléctrica de la que consume una empaquetadura. El rozamiento de una
empaquetadura con un eje o camisa es similar a conducir un automóvil con el
freno de emergencia accionado.
4. Costo de los cojinetes. La mayoría de las fallas de los cojinetes es causada
más por la contaminación que por la sobrecarga. La forma más fácil de contaminar un
cojinete es mediante las fugas que pasan a través de la empaquetadura. Al detener
estas fugas se detendrá la mayoría de las fallas de los cojinetes.
5. Costos de limpieza. Alguien tiene que limpiar la suciedad y la corrosión
causada por las fugas del producto. Algunas plantas usan mangueras de agua para
lavar el área. El pintado y reemplazo de la base están directamente relacionados
con las fugas de la empaquetadura, (Lavar con mangueras de agua puede causar
problemas de severa corrosión.)
6. Servicios de vacío.Bombas elevadoras y de condensado son usadas
generalmente para sellar vacío. La forma más fácil de introducir oxígeno en un
sistema de agua de alimentación de caldera es a través de la caja de una bomba
de condensado. Un sello con Anillo-O puede detener esta fuga.
67
Las empaquetaduras de las válvulas son otra causa. Asegúrese que tiene la
empaquetadura correcta en sus válvulas.
7. Bombas verticales. Los vapores de la caja de una bomba vertical flotan
directamente hacia dentro de los cojinetes o del motor eléctrico, una causa principal
de falla de cojinetes.
8. Costo de camisas o ejes. Los sellos diseñados hoy en día no pueden dañar
un eje o la camisa. (Algunos fabricantes lo garantizan escrito). Cabe señalar que la
paralización de trabajo y la mano de obra es el mayor costo en el reemplazo de eje o
camisa.
9. Entrenamiento. El empaquetado de una bomba es un arte no una ciencia.
La duración de una empaquetadura está directamente relacionada con la persona
que ha empaquetado la bomba. Es mucho más fácil enseñar a un aprendiz como
instalar un sello que enseñarle como cortar, apisonar, apretar y ajustar una
empaquetadura para máxima duración.
10. Límites de velocidad. La empaquetadura tal como el Teflón tiene un límite de
velocidad de 6,7 m/s (1.200 pies por minuto). Para uso normal, no existen límites
de velocidad para el sello mecánico. Se han usado sellos en ejes con velocidades de
220 m/s (40.000 pies por minuto).
11. Alta presión Los sellos pueden manejar tanto vacío como presión. Los sellos
con Anillo-O balanceados pueden manejar ambos.
12. Auto ajustado Muchas plantas no poseen la mano de obra necesaria para
verificar y ajustar empaquetaduras. El Sello con Anillo-0 balanceado no necesita más
ajustes una vez instalado.
13. Agua de purga Rara vez se la necesita con sellos balanceados. Estos no
generan el suficiente calor como para requerir enfriamiento especial. Los sellos no
balanceados casi siempre requieren purga o recirculación en la caja.
Tal vez la razón más común para convertir a sellos sea un operador o la persona
de servicio con la llave ajustable en su bolsillo trasero. El no puede soportar ver una
bomba goteando y por ello presta ayuda al departamento de mantenimiento en toda
ocasión que le sea posible.
68
El argumento para usar empaquetaduras generalmente se basa en cuatro
factores:
1. No se tiene que desmontar la bomba para cambiar la empaquetadura.
2. En una emergencia siempre se puede añadir un anillo a la empaquetadura.
3. La empaquetadura es más barata.
4. La empaquetadura es menos complicada.
Ahora analizaremos cada uno de estos puntos para ver si es verdad:
1. Si se tiene que desarmar la bomba para cambiar camisas y cojinetes. El
reemplazo de la camisa es una parte normal del reempaquetado de una bomba.
La magnitud del mercado de reemplazos de camisas y recubrimientos duros es
una evidencia de la frecuencia con que ocurren. El hecho es que se tendrá que
desarmar una bomba empaquetada más veces que una bomba sellada.
Frecuentemente, la remoción de empaquetaduras viejas y quemadas requiere el
desarmado de la bomba.
2. Si necesita fiabilidad, se recomienda un sello con una brida de empaquetadura
auxiliar o instale un sello de repuesto (1210 ó el 241 Chesterton).
3. La empaquetadura es más barata si se considera sólo la empaquetadura. Las
bicicletas también son más baratas que los automóviles.
4. La empaquetadura es menos complicada solamente para personal inexperto. Si
alguna vez alguien ha tratado de enseñarle a un aprendiz como inspeccionar una
caja y el eje, cortar la empaquetadura, instalarla de forma que se alinee con el
anillo de cierre hidráulico, apisonarla en su lugar, y ajustarla propiamente de
forma que se mantenga un mínimo de fugas sin generar calor excesivo (esto
tendrá que determinarlo al tacto), entonces mantenimiento sabrá cuan
complicada realmente es una empaquetadura.
NOTA: El mismo argumento es utilizado por gente que dice que el sistema métrico
es más complicado que las mediciones en pulgadas. Cualquier cosa que no se
entienda parece complicada.
69
Estos son los materiales que se necesitarían para la mantención del sello.
1. Carbón Grado 658-RC, moldeado al tamaño. (No tornear, pues lo destruye).
2. Resortes de Hastelloy C, que estén ceñidos a especificaciones para obtener
la carga de la cara apropiada.
3. Tornillos prisioneros de acero inoxidable especial.
4. Recubrimiento fraguado de Teflón, no un recubrimiento por rociado.
5. Anillo-0 de Viton 747.
6. Lengüetas impulsoras especialmente fabricadas.
Si un cliente ha invertido en el equipo para recubrimiento y
desfatigamiento, él podría comprar los componentes óptimos que ofrece el mercado
y reconstruir sus propios sellos, pero sólo en el supuesto caso que el soporte
metálico y la camisa sean reparables.
Se reconstruye el sello en sus especificaciones originales y con todos los
materiales correctos. Entre sus ventajas se incluyen:
a) Costo de inventario más bajo. El distribuidor local mantiene stock de sellos
reconstruidos.
b) Sin mezcla de componentes.
c) Sin pérdida de mano de obra empleada en la limpieza y reconstrucción
de sellos.
d) Costo fijo de reparación. El sello siempre es intercambiable. Los costos de
mantenimiento del sello son programables.
e) Sin carbón repulido. Que tenga sólidos o abrasivos atrapados o incrustados.
f) Materiales de sellos conocidos. El carbón, Anillo-0, resortes, etc. son los
mismos que se suministran originalmente.
g) Sin camisas acanaladas con duración potencial limitada.
h) Sin piezas metálicas recubiertas o de menor tamaño que hayamos
alterado debido al desgaste.
i) Sin "evaluaciones oscuras" sobre la vida de servicio del sello.
j) Permite la localización y reparación de fallas.
70
Capitulo 5 CONDICIONES AMBIENTALES
71
5.1. CONTROLES AMBIENTALES EN LA OPERACIÓN DEL SELLO.
En muchas aplicaciones específicas de sellos mecánicos, las condiciones de operación
en que este trabaja pueden representar un problema, el cual se puede solucionar
mediante la selección, construcción y diseño del sello adecuado. Cuando las
condiciones de operación representan alguna dificultad para el funcionamiento del
sello, la solución más viable es controlar el ambiente que rodea a este, para evitar
obviamente que el problema ocurra, adecuando así las condiciones de
operación, lo cual permitirá un buen funcionamiento y una mayor vida útil del sello.
Los controles ambientales más utilizados son:
Control de temperatura: debido a que por alta temperatura se restringe la
lubricación entre las caras del sello produciendo corrosión y al operar el fluido fuera
de los limites de temperaturas produce cristalización o endurecimiento del fluido, es
necesario que la temperatura del fluido en la cámara de sellado deba ser mantenida
dentro de ciertos límites, el cual es determinado por el punto de solidificación o
vaporización, viscosidad, concentración, etc.
Control de la presión: la presión en la cámara de sellado es necesario controlarla
por varias razones, evitar la vaporización del producto, purgar la caja si el producto
contiene partículas sólidas, eliminar la caída de presión entre los sellos (doble) o para
bajar la presión de la caja cuando el sello no tiene la capacidad de sellar a alta
presión.
Mantener el aire apartado del producto: muchos productos pueden cambiar de
estado o de fase en presencia de aire u oxigeno. La condensación de vapores puede
dar lugar a la cristalización así como la reacción de algún producto químico puede
aumentar su corrosividad o convertirse en un elemento tóxico y peligroso.
Cuando se utilizan fluidos externos para un control ambiental se debe considerar la
posibilidad de que se mezcle con el producto y en este caso se debe evaluar su
compatibilidad con el proceso.
72
5.2. SISTEMA DE CONTROL. Hay varios sistemas mediante el cual se puede realizar el control de las
condiciones ambientales de operación de un sello mecánico. No existe un
determinado sistema para un cierto control, sino que un sistema puede utilizarse
para el control de una o más condiciones ambientales, así como para el control de
determinada condición se puede elegir, en algunos casos, entre varios sistemas de
control. A continuación se describen los sistemas de control más comunes.
Purga o flushing. Consiste en introducir un líquido limpio, compatible y a la
temperatura deseada, desde una fuente externa a la caja del sello con apoyo de un
buje al fondo de ella que actúe como anillo de restricción, a una presión mayor a la
de la caja, de manera de reemplazar el producto a sellar. Este caso es muy
recomendable para productos pastosos o con mucho sólido en suspensión o cuando
el fluido de proceso no es lubricante para las caras de contacto. Este control índica el
poder inyectar fluido de aproximadamente 2.1*10~6 (2Gal/hrs). Con este sistema hay
dilución del producto bombeado, por lo que se debe tener presente el punto de
dilución autorizado, ya que esta cantidad de fluido a mayor presión que la existente
encargada provocará un barrido efectivo del fluido de proceso hacia la succión,
logrando que ahora el sello trabaje con un fluido fresco, limpio y lubricante.
Recirculación de la succión. Una línea de recirculación se conecta desde el fondo
de la caja hacia el lado de succión de la bomba, con lo que se trae el fluido desde
detrás del impulsor hasta dentro de la caja. Este sistema permite tener menor
presión en la caja, disminuir la temperatura disipando el calor generado por las caras
del sello y además la conexión al fondo de la caja permite evacuar los sólidos
depositados en el fondo de ella. Este sistema no se puede utilizar cuando la presión
de la caja es de vacío.
Recirculación de la descarga. Una línea es conectada desde el lado de la
descarga de la bomba a la conexión del anillo de cierre hidráulico en la caja, o a una
conexión en la brida del sello, trayendo el fluido hasta dentro de la caja
recirculandolo por detrás del impulsor. Con este sistema se logra aumentar la presión
dentro de la caja y se utiliza cuando la presión en la caja es de vacío o cuando el
fluido de proceso este creando una evaporización en las caras del sello dejándolas
73
sin lubricación, pudiendo incluso provocar un abrir y cerrar repentino de las caras del
sello. Este sistema no es recomendable, cuando el producto contiene sólidos en
suspensión.
Fluido de barrera. Se hace circular un líquido externo y limpio entre los sellos
mecánicos de un sello doble, a una presión que normalmente es menor que la de la
caja, por lo que en este caso no hay dilución del producto, aunque también se puede
utilizar a una presión de l00Kpa (1BAR) mayor que el de la caja. Este líquido permite
mantener el aire apartado del producto que está sellando, controlar la temperatura
en la cara de los sellos y además proporcionar protección en el caso de falla del sello
interior. Cuando se utiliza a una presión mayor que la de la caja, permite mantener
los sólidos del producto apartados de la cara del sello.
Fluido de extinción. Un fluido que puede ser agua, condensado o vapor de
condensación, se inyecta por la parte superior de la brida y sale por la conexión de
drenaje en el fondo de la misma, con lo que se logra hacer pasar el fluido entre el
sello y un buje instalado en la parte posterior de la brida del sello que sirve como un
dispositivo de seguridad cuando el sello falla dirigiendo las fugas al drenaje. La
presión del fluido de extinción debe ser lo más baja posible para no botarlo al
ambiente por el buje. Este fluido permite controlar la temperatura ya se ha enfriado
(disipando la temperatura generada por las caras del sello), o calentando para
derretir los productos que se depositan en las caras del sello cuando el equipo se
detiene (ejemplo: cristalización de licor negro a 60° C). En otras aplicaciones este
sistema se utiliza para mantener el aire apretado en las caras del sello y sacar las
fugas del producto que puedan escaparse entre sus caras, los que al condensarse
pueden ser tóxicos, corrosivos o inflamables, o también para sacar las fugas
producidas por desgaste o por falla del sello dirigiéndolas a un lugar donde pueden
ser recogidas.
Uso de chaqueta: un fluido de enfriamiento o calentamiento fluye a través de una
chaqueta que rodea la caja de la bomba con el objeto de enfriar o calentar el
producto. Su uso más efectivo es el de calentar, ya que el enfriar no ayuda mucho al
sello mecánico, debido a que el calor generado por las caras del sello se transmite
por conducción sobre el eje afectando los elastómeros del sello mecánico.
74
Capitulo 6 EMPAQUETADURA V/S SELLO MECANICO
75
CONSIDERACIONES TÉCNICAS EN BOMBAS CENTRIFUGAS.
6.1. CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARA USO DE EMPAQUETADURAS.
Tradicionalmente, el sellado de bombas centrífugas en la zona donde el eje penetra
en la carcasa se ha realizado; en la mayoría de los casos; mediante
empaquetaduras de compresión. En la actualidad y desde algún tiempo, existe la
tendencia hacia el uso de sellos mecánicos, y es así que hay bombas diseñadas para
el uso de este dispositivo, es decir, no tiene la tradicional caja prensa estopa donde
van instalados los anillos de empaquetadura. Sin embargo, muchas son;
seguramente la gran mayoría; las bombas diseñadas para trabajar con
empaquetaduras. Para el buen funcionamiento de ellas, además de la ya
mencionada buena selección e instalación se deben tener ciertas consideraciones
técnicas, de diseño, estado mecánico y de operación del equipo.
6.1.1. Consideraciones de diseño:
Uso de camisa sobre el eje: su función es proteger al eje del desgaste en la
zona donde van montadas las empaquetaduras.
Control ambiental: se introduce un fluido lubricante refrigerante a la caja
prensa estopa el cual es distribuido y dirigido por medio de un anillo linterna. Esta
modalidad se utiliza también cuando la presión de la caja es de vacío, para evitar la
entrada de aire a la bomba por la zona de las empaquetaduras,
denominándose en este caso fluido de sello.
En otros casos, es necesario usar chaqueta en la bomba, para que permita controlar la
temperatura, ya sea para calentar o enfriar la zona de la caja prensa estopa.
76
6.1.2. Consideraciones del estado mecánico. Estado del eje: Un eje torcido, provocará un aplastamiento de tos anillos de
empaquetadura provocando serios inconvenientes en su funcionamiento. De la
misma forma un excesivo desalineamiento o juego radial de los rodamientos
producirá el efecto señalado. Las fuerzas hidráulicas en una bomba pueden
producir movimiento radial y empuje axial, que es absorbido en los cojinetes y en el
sistema de sellado dinámico. Las cargas y deflexiones se alternan más rápidamente
que lo que la empaquetadura puede reaccionar, lo cual genera aplastamiento de los
anillos y finalmente daños y fugas de fluido.
El juego radial del eje en la zona de empaque no debe exceder de 0,080 mm. El
juego axial no es tan incidente en el funcionamiento de la empaquetadura por lo
que se acepta hasta 0,130 mm.
Calidad Superficial: El eje debe tener una terminación superficial tipo espejo. La
superficie de la caja, a pesar de ser una zona de sellado estático, no debe presentar
picaduras, corrosión o aspereza, ya que dificultará el sello en el diámetro exterior
de los anillos, siendo necesario un sobre apriete de la prensa estopa, lo cual
deforma los anillos generando mayor roce sobre el eje y exprime el lubricante de
la empaquetadura, todo lo cual conlleva a una prematura destrucción de la
misma.
Huelgo entre fondo de la caja y el eje: Un huelgo excesivo puede provocar la
extrusión de la empaquetadura, por lo que se debe usar un anillo restrictivo. Se
acepta hasta 0,25 - 0,5 mm al radio, dependiendo del tipo de empaquetadura.
6.2. CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARA USO DE SELLOS MECÁNICOS.
6.2.1. Consideraciones mecánicas.
El sello mecánico es un dispositivo con un diseño mecánico de precisión. Su buen
funcionamiento y su vida útil dependen en gran medida del estado mecánico en
que se encuentre la bomba. Las siguientes consideraciones, permiten determinar si
la bomba está o no en condiciones para instalar en ella un sello mecánico.
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Estado del eje o camisa:
♦ Terminación superficial mínima: (0,8 micrones µm).
♦ Tolerancia del diámetro del eje: + 0,000 a + 0,050 mm.
♦ Excentricidad Máxima del eje 0,001 mm por cada mm de diámetro del eje.
♦ Juego Axial Máximo 0,125 mm.
♦ Juego Radial Máximo 0,075 mm.
Estado de la caja prensa Estopa: ♦ Alineación de la caja prensa estopa (perpendicularidad respecto del eje),
♦ Desviación máxima 0,050 a 0,100 mm.
♦ Concentricidad de la caja respecto al eje < 0,125 mm.
♦ Alineación del acoplamiento < 0,075 mm.
Vibración:
No mayor al permitido por normas para la bomba.
6.2.2. Consideraciones de diseño.
Espacio suficiente: para adaptar o modificar una bomba diseñada para
empaquetadura o sello mecánico, debe existir el espacio suficiente para instalar el
sello adecuado para la aplicación, el cual dependerá de la medida y modelo de
sello.
Factor de Flexión: (esbeltez del eje). Para una bomba con impulsor en voladizo la
deflexión del eje a la altura de las caras del sello mecánico no debe ser mayor 0,075
mm.
Se ha podido establecer por fabricantes de sellos mecánicos que para cumplir la
condición anterior en este tipo de bombas; considerando que la deflexión estática
del eje está dada por la relación:
Y = FL³ 3I
Si se toma un eje con módulo de elasticidad (E) por lo menos igual al del acero
inoxidable 316 y considerando además que la bomba trabaje con una ventaja de
funcionamiento de un caudal entre un 50% menor y un 25% mayor, respecto al
caudal correspondiente al punto de mayor eficiencia; la relación L3 /D4 debe ser
menor a 3I.
78
En donde:
L: distancia entre la línea central del rodete a la línea del centro del rodamiento lado
rodete en (mm).
D: diámetro del eje en (mm).
6.2.3. Consideraciones respecto del tipo de fluido.
El sellado mecánico de un líquido lubricante, a temperatura ambiente y limpia, no
presenta inconvenientes respecto del tipo de fluido. Sin embargo con otros tipos de
fluidos se debe tener ciertas consideraciones. Los primeros nueve casos que se
analizan a continuación, pueden ser resueltos con el uso de un control ambiental
apropiado aplicado a un sello con anillo-O balanceado, seleccionando
correctamente el material del O-Ring.
Productos que se cristalizan. (Soluciones cáusticas o de azúcar): por cambio
de temperatura o por contacto con el aire. Se debe aplicar control ambiental para
evitar fugas por cristalización del fluido entre las caras o por inmovilidad de los
elementos deslizantes.
Productos que se solidifican: por cambio de temperatura, exposición al aire o
agitación. Se debe aplicar control ambiental para evitar la inoperancia de los
elementos deslizantes.
Productos viscosos: situación similar al caso anterior.
Productos que se vaporizan: la expansión del fluido puede abrir las caras del
sello. Se debe aplicar control ambiental para evitar la vaporización del fluido.
Productos que forman película (aceite caliente, soluciones de enchapado,
etc.): por aumento de temperatura o contacto con el aire, Se debe aplicar control
ambiental para evitar que los depósitos restrinjan el movimiento de los elementos
deslizantes y que las acumulaciones abran las caras del sello.
Productos a elevada temperatura: en los sellos con elastómeros, estos
pueden dañarse. Los productos base petróleo se coquifican causando abertura de las
caras y obstrucción de los elementos deslizantes. Se debe usar control ambiental
para enfriar la caja, o para purgarla, o usar un sello de fuelle metálico.
79
Productos peligrosos (con riesgo de incendio, explosivo, radiactivo,
bacteriano, etc.): En estos tipos de fluidos no se toleran fugas ya sea por
desgaste total del sello o por falla del mismo, por lo cual se debe usar un sello
doble o aplicar controles ambientales como los especificados por la norma API 610
para productos peligrosos de refinerías.
Líquidos no lubricantes (solventes, agua caliente, etc.): En estos casos se
produce un desgaste más rápido de la cara del sello, especialmente si hay alta
presión. Se puede usar un sello doble con fluido barrera a presión más alta que la de
la caja.
Productos con sólidos en suspensión: las partículas sólidas se introducen en
los componentes del sello y restringen sus movimientos, provocando que las
caras se abran y que los sólidos penetren en las caras pulidas del sello, causando
daño. Se debe aplicar control ambiental tal como purga o recirculación a la
succión de la bomba.
Líquidos corrosivos (ácidos, bases): pueden afectar las piezas del sello. Se
debe utilizar un sello "no metálico", es decir, que no tiene piezas metálicas en
contacto con el fluido.
Productos criogénicos: se debe usar sellos con fuelle metálico (sin
elastómeros), ya que estos se endurecen provocando la obstrucción de los
componentes deslizantes del sello.
6.2.4. Consideraciones respecto a condiciones de operación. Alta presión en la caja: presiones mayores a 2.800 k Pa (28 Bar) en la caja
provocan extrusión del elastómero, mayor desgaste y distorsión de las caras del sello.
Se debe usar sellos con componentes metálicos de sección transversal mayor
para evitar la distorsión y con anillos de respaldo para los anillos-O.
Velocidades mayores a 25 m/s: las caras pueden generar calor excesivo y los
resortes pueden deformarse debido a la fuerza centrífuga. Se debe usar un sello
estacionario.
80
6.3. COMPARACION TÉCNICA ENTRE EMPAQUETADURAS Y SELLOS MECÁNICOS. El uso de empaquetaduras y sellos mecánicos en bombas centrífugas implica ciertas
consideraciones y/o consecuencias tanto desde el punto de vista técnico como
económico que es importante analizar. A continuación se presenta un análisis
comparativo entre el uso de uno u otro dispositivo de sellado.
6.3.1. VENTAJAS DEL USO DE EMPAQUETADURAS.
Selección e instalación. La selección se facilita, ya que los cambios físico-
químico que pueda sufrir el fluido no son tan incidentes en el funcionamiento de
la empaquetadura. Para instalarlas no se requiere desmontar ni desarmar el
equipo.
Mayor disponibilidad. Para un amplio rango de aplicaciones, existe un amplio
rango de materiales, formas y medidas lo cual permite:
• Mayor disponibilidad para altos límites de presión.
• Mayor disponibilidad para altos límites de velocidad.
• Mayor disponibilidad para altos límites de temperatura.
• Que una medida de empaquetadura puede trabajar en diferentes medidas de eje,
siempre se mantenga la distancia entre eje y caja.
Condición mecánica del equipo es menos crítica: el uso de empaquetaduras
requiere también de ciertas consideraciones de estado mecánico del equipo
(alineamiento, juego radial y axial). El trabajo fuera de los rangos establecidos,
aunque produce un daño en la empaquetadura, éste es menos crítico, ya que si bien
es cierto, hay un aumento de fugas y una menor duración de la
empaquetadura, es improbable que ocurra una falla súbita desastrosa.
Se puede ajustar el impulsor sin mover la empaquetadura: muchas bombas
permiten regular el impulsor externamente. Con empaquetaduras no se requiere
moverlas para realizarlo.
Menor costo inicial: el valor del empaque requerido para una bomba es
generalmente menor que el de un sello mecánico. Sin embargo se debe
considerar los costos implícitos para determinar el costo real.
81
6.3.2. DESVENTAJAS DE LAS EMPAQUETADURAS.
Desgaste de eje o camisa. El roce entre empaquetadura y eje (o camisa)
produce un desgaste severo de este último, lo cual implica un cambio o
reparación periódica de él.
Goteo: El principio de funcionamiento de la empaquetadura requiere de un goteo
continuo, que muchas veces se traduce en un chorreo, lo cual significa
contaminación y pérdida de producto.
No se puede usar en ciertos líquidos: Ciertas normas establecen el uso de
sellos mecánicos, como por ejemplo, el API-610, para servicios en refinerías
Mayor consumo de energía: por haber mayor área de roce la energía disipada
es mayor.
Ajustes periódicos: para evitar excesivas fugas, producto del desgaste natural de
la empaquetadura.
Mayor costo de mantenimiento: la duración de la empaquetadura es menor, lo
cual requiere de un cambio con mayor periodicidad. Hay mayores costos por cambio
de camisa o reparación del eje, en mano de obra.
Mayor costo de producción: por pérdida de producto, mayor consumo de
energía y por contaminación.
6.3.3. VENTAJAS DEL USO DE SELLOS MECÁNICOS.
No hay desgaste de eje o camisas. Excepto de algunos diseños donde el
elastómero dinámico está en contacto con el eje, donde se produce un pequeño
desgaste, la mayoría de los diseños modernos no provoca desgaste ni daño al eje.
En ellos el elastómero dinámico no entra en contacto con el eje, de manera que no
se produce daño ni desgaste.
No hay goteo. Esto implica varias ventajas, tales como:
• No hay contaminación. Productos clasificados como peligrosos, por
normas, deben ser sellados mecánicamente, y en algunos casos
doblemente sellados. Otros casos, aunque no existen normales que indiquen
que deben ser sellados mecánicamente, el hacerlo significa disminuir la
contaminación ambiental.
82
• No hay pérdida de producto. Un goteo constante, como el caso de las
empaquetaduras, significa una pérdida que puede ser significativa. Con los
sellos mecánicos se elimina dicha pérdida.
• Mayor duración de los rodamientos. La contaminación del aceite de la
caja de rodamiento con fluido proveniente de las fugas de la empaquetadura
es causa de falla prematura de los rodamientos. Estudios realizados por
fabricantes de aceites (MOBIL OIL), revelan que un 0,002 % a un 6 % de
agua lo reduce en un 83 %.
Menor consumo de energía. El roce entre las caras pulidas de un sello
mecánico es significativamente menor que el de las empaquetaduras con el eje
de la bomba. Un sello balanceado con anillo-O consume aproximadamente un
sexto de energía eléctrica de la que consume una empaquetadura.
Uso en bombas verticales. Con sellos mecánicos se evitan los vapores que
emanan de la caja prensa estopa con empaquetaduras, los que fluyen hacia el
motor eléctrico, dañando los rodamientos u otras partes del motor.
Menores costos de mantenimiento. Hay una considerable disminución
de costos, debido a:
♦ Mayor vida útil del sello.
♦ No hay costos por reparación de ejes o cambios de camisa.
♦ Mayor duración de los rodamientos.
♦ Eliminación de la corrosión producto de las fugas.
♦ No hay costos de mano de obra por ajustes periódicos de empaquetadura.
♦ Disminución de costos de mano de obra por aumento del tiempo entre cada
falla del equipo.
Menores costos de producción. Traducidos en:
♦ Eliminación de pérdidas de producto.
♦ Menor consumo de energía.
♦ Menores costos por tratamientos de desechos contaminantes producto de
fugas de la bomba.
83
6.3.4. DESVENTAJAS DE LOS SELLOS MECÁNICOS. Selección e instalación. La selección de un sello mecánico requiere de mayores
consideraciones, especialmente por los cambios físico-químico que puede sufrir el
producto, lo cual requiere de la selección del control ambiental apropiado para el
funcionamiento óptimo del sello. La instalación de un sello mecánico requiere de
personal más capacitado y en la mayoría de los casos se requiere desarmar parte de
la bomba. Esta última circunstancia desaparece con el desarrollo de diseños de sellos
partidos.
Condiciones mecánicas del equipo. El uso de sellos mecánicos requiere de
condiciones mecánicas más precisas, ya que su uso en un equipo que no cumpla con
las especificaciones requeridas, puede producir una falla súbita o un desgaste
prematuro del sello.
Para ajustar el impulsor se debe soltar el sello. En bombas en las cuales se
puede regular externamente el impulsor se debe soltar el sello, ya que por ser la
parte rotativa solidaria al eje, la tensión de los resortes es función de la posición del
eje. Con el diseño de sellos montados en cartucho, esta condición es más simple.
Rango de aplicaciones más restringidas. Aunque hay diseños para trabajar
con altas presiones, velocidades y temperaturas, su disponibilidad es más
restringida.
Mayor costo inicial. El costo de adquisición de un sello es generalmente
mayor que el de la empaquetadura. Sin embargo se deben considerar los costos a
mediano y largo plazo para evaluar el costo real del uso de empaquetadura o sello
mecánico.
84
CONCLUSION
De esta memoria se concluyo lo siguiente:
La presente memoria es un resumen del estudio del sellado dinámico mirando de
manera principal al aporte de los sellos mecánicos en sus distintos diseños y tipos.
El concepto cero absoluto es solo un término en la realidad esto no es factible por
que los sellos necesitan lubricación y por ende existe un pequeño escurrimiento
permanente.
Los sellos mecánicos tienen una resistencia a casi todos los compuestos químicos,
pudiendo ser indistintamente ácidos, bases u otro tipo, de la misma manera resiste
la fricción y rotura, esto permite ser muy usado en las industrias.
La vida útil de un sello es muy superior a la de una empaquetadura generando
ahorro económico al disminuir las operaciones de mantenimiento.
La confiabilidad de las empaquetaduras es baja en las zonas de sellado dinámico,
ya que con las horas de trabajo pierde eficiencia y genera goteo que luego se
transforma en escurrimiento y posteriormente en chorreo lo que puede ser perjudicial
para los equipos si el fluido a sellar es algún compuesto corrosivo o contaminante.
La manipulación de los sellos mecánicos debe hacerse por personal técnico
especializado lo que sube los costos, aunque siempre es compensado por las
prestaciones de los sellos a la industria.
Una consideración importante es que los sellos pueden fallar repentina y
violentamente causando incluso la detención de los equipos.
En los sellos existe menos fricción entre las caras de sellado, esto es un ahorro
energético y a su vez económico.
85
BIBLIOGRAFIA
• DURA SEAL MANUAL Catalogo de Durametallic.
• Programa de entrenamiento en SELLOS MECANICOS
ENVIROSEAL
• Catalogo INDUPAQ.
