Un sello mecánico de cara frontal , o un sello mecánico de cara frontal , también conocido como sello mecánico de cara pero generalmente simplemente como sello mecánico , es un tipo de sello que se utiliza en equipos rotativos, como bombas , mezcladores , sopladores y compresores . Cuando una bomba funciona, el líquido podría escaparse de la bomba entre el eje giratorio y la carcasa de la bomba estacionaria. Dado que el eje gira, puede resultar difícil prevenir esta fuga. Los modelos de bombas anteriores usaban empaquetaduras mecánicas(también conocido como empaquetadura de prensaestopas) para sellar el eje. Desde la Segunda Guerra Mundial, los sellos mecánicos han reemplazado a las empaquetaduras en muchas aplicaciones.
Un sello mecánico de extremo utiliza elementos rígidos y flexibles que mantienen el contacto en una interfaz de sellado y se deslizan entre sí, lo que permite que un elemento giratorio pase a través de una caja sellada. Los elementos se cargan tanto hidráulica como mecánicamente con un resorte u otro dispositivo para mantener el contacto. Para diseños similares que utilizan elementos flexibles, consulte sello de eje radial (o "sello de labio") y junta tórica .
Fundamentos de los sellos mecánicos
Un sello mecánico de cara frontal consta de componentes giratorios y estacionarios que se presionan firmemente entre sí mediante fuerzas mecánicas e hidráulicas. A pesar de que estos componentes están apretados entre sí, se produce una pequeña cantidad de fuga a través de un espacio que está relacionado con la rugosidad de la superficie.
Componentes
Todos los sellos mecánicos frontales tienen elementos giratorios y elementos estacionarios e incluyen cinco componentes básicos: [1]
- anillo de sello
- anillo de apareamiento
- elementos de sellado secundarios
- muelles
- hardware.
El anillo de sello y el anillo de acoplamiento a veces se denominan superficies de sellado primarias. Las superficies de sellado primarias son el corazón del sello mecánico de la cara del extremo. Una combinación de materiales común para las superficies de sellado primarias es un material duro, como carburo de silicio, cerámica o carburo de tungsteno y un material más blando, como carbono. Se pueden usar muchos otros materiales dependiendo de la presión, la temperatura y las propiedades químicas del líquido que se está sellando. El anillo de sello y el anillo de acoplamiento están en contacto íntimo, un anillo gira con el eje y el otro anillo está estacionario. Cualquiera de los anillos puede ser giratorio o estacionario. Además, cualquiera de los anillos puede estar hecho de material duro o blando. Estos dos anillos se mecanizan mediante un proceso llamado lapeado para obtener el grado necesario de acabado superficial y planeidad. El anillo de sello es flexible en la dirección axial; el anillo de acoplamiento no es flexible.
Anillo de sello
Por definición, el anillo de sello es el miembro axialmente flexible del sello mecánico de la cara del extremo. El diseño del anillo de sello debe permitir minimizar la distorsión y maximizar la transferencia de calor al considerar el elemento de sellado secundario, el mecanismo de accionamiento, el resorte y la facilidad de montaje. Muchos anillos de sello contienen los diámetros de la cara del sello, aunque esto no es un requisito del anillo primario. El anillo de sello siempre contiene el diámetro de equilibrio. La forma del anillo de sello puede variar considerablemente según la incorporación de varias características de diseño. De hecho, la forma del anillo de sello es a menudo la característica de identificación más distintiva de un sello. [1]
Anillo de apareamiento
Por definición, el anillo de acoplamiento es el miembro no flexible del sello mecánico. El diseño del anillo de acoplamiento debe permitir minimizar la distorsión y maximizar la transferencia de calor considerando la facilidad de montaje y el elemento de sellado secundario estático. El anillo de acoplamiento puede contener los diámetros de la cara del sello, aunque esto no es un requisito del anillo de acoplamiento. Para minimizar el movimiento del anillo primario, el anillo de acoplamiento debe montarse sólidamente y debe formar un plano perpendicular para que el anillo primario corra contra él. Al igual que los anillos de sello, los anillos de acoplamiento están disponibles en muchas formas diferentes. [1]
Elementos de sellado secundarios
Los elementos de sellado secundarios son empaquetaduras que proporcionan sellado entre el anillo de sello y el eje (o carcasa) y el anillo de acoplamiento y el eje (o carcasa). Los elementos de sellado secundarios típicos incluyen juntas tóricas, cuñas o diafragmas de goma. Los elementos de sellado secundarios (puede haber varios) no giran entre sí. El elemento de sellado secundario para el anillo de acoplamiento siempre es estático axialmente (aunque puede estar girando). Los elementos de sellado secundarios para el anillo de sellado se describen como empujadores o no empujadores en la dirección axial. El término empujador se aplica a los sellos secundarios que deben ser empujados hacia adelante y hacia atrás por el movimiento del eje o anillo primario, mientras que los sellos secundarios no empujadores son estáticos y están asociados con anillos de sello de fuelle. [1]
muelles
Para mantener las superficies de sellado primarias en contacto íntimo, se requiere una fuerza de accionamiento. Esta fuerza de accionamiento es proporcionada por un resorte. Junto con el resorte, las fuerzas axiales también pueden ser proporcionadas por la presión del fluido sellado que actúa sobre el anillo de sellado. En los sellos mecánicos se utilizan muchos tipos diferentes de resortes: resorte simple, resortes múltiples, resortes ondulados y fuelles metálicos. [1]
Hardware
El término "hardware" se usa para describir varios dispositivos que mantienen juntos a los otros componentes en la relación deseada. Por ejemplo, se podría usar un retenedor para empaquetar el anillo de sello, el elemento de sellado secundario y los resortes en una sola unidad. Otro ejemplo de hardware es el mecanismo de accionamiento que es necesario para evitar el deslizamiento axial y rotacional del sello en el eje. [1]
Clasificaciones
Hay varias formas diferentes de clasificar los "sellos". A veces, una referencia a un "sello" puede ser a un sistema de sellado, mientras que otras veces la referencia es a un dispositivo como una junta, una junta tórica, una empaquetadura de compresión, etc. En este artículo, la referencia es a un extremo sello mecánico.
Uno de estos métodos de clasificación considera las características de diseño o la configuración en la que se pueden utilizar estas características. La clasificación por diseño tiene en cuenta los detalles y las características incorporadas en un solo par de anillo de sello / anillo de acoplamiento. La clasificación por configuración incluye la orientación y combinación del par de anillo de sello / anillo de acoplamiento.
Caracteristicas de diseño
Los componentes individuales de los sellos mecánicos frontales pueden diseñarse para incluir características tales como: [2]
- tratamientos faciales como características hidrodinámicas, almohadillas, etc.
- relación de equilibrio
- empujador o fuelle
- diseño de primavera
- hardware para contener el ensamblaje y proporcionar mecanismo de accionamiento
- Consideraciones para el elemento de sellado secundario.
En general, las características de diseño no son completamente independientes; es decir, el énfasis de una característica particular también puede influir en otras características. Por ejemplo, la selección de un elemento de sellado secundario particular puede influir en la forma del anillo de sellado.
Tratamiento facial
El diseño de cara de sello más común es una superficie lisa, plana y lisa, pero existen muchos tratamientos especiales destinados a aplicaciones específicas. El objetivo más común del tratamiento facial es reducir la magnitud del contacto mecánico. En general, los tratamientos faciales proporcionan un medio para modificar la distribución de presión entre las caras del sello a través de una topografía hidrostática o hidrodinámica. La topografía de la cara del sello se refiere a los aspectos tridimensionales de la superficie de la cara del sello.
Relación de equilibrio
Además de la fuerza del resorte, las caras del sello se juntan mediante presión que actúa hidrostáticamente sobre la geometría del sello. La relación entre el área geométrica que tiende a cerrar las caras del sello y el área que tiende a abrir las caras del sello se denomina relación de equilibrio.
Anillo de sello de fuelle o empujador
Los sellos de empuje emplean un elemento de sellado secundario dinámico (típicamente una junta tórica) que se mueve axialmente con el anillo de sello. Los sellos de fuelle emplean un sello secundario estático (como una junta tórica, empaquetadura de grafito de alta temperatura o fuelles elastoméricos y el movimiento axial se acomoda mediante la contracción o expansión de los fuelles).
Diseño de primavera
Se utilizan muchos tipos diferentes de resortes, que incluyen: resortes helicoidales simples relativamente grandes, juegos múltiples de resortes helicoidales pequeños y resortes ondulados. Un fuelle metálico formado o soldado también puede actuar como resorte. La corrosión, la obstrucción y el movimiento son consideraciones importantes al seleccionar un diseño de resorte.
Hardware
Además de retener los otros componentes, el hardware del sello incluye el mecanismo de accionamiento que es necesario para evitar el deslizamiento axial y rotacional del sello en el eje. El mecanismo de accionamiento debe resistir el par producido por las caras del sello al mismo tiempo que permite que el anillo de sello se mueva axialmente. Además del par, el mecanismo de accionamiento debe resistir el empuje axial producido por la presión hidrostática que actúa sobre los componentes. Los diversos tipos de mecanismos de accionamiento incluyen: accionamiento de abolladuras, accionamiento por llave, tornillos de fijación, pasadores, ranuras, anillos de retención y muchos más. Por lo general, el retenedor del anillo de sello puede incluir tornillos de fijación, una abolladura o ranura, cavidades para el resorte y un anillo de resorte para completar el ensamblaje. Por el contrario, el hardware del anillo de acoplamiento puede ser solo un pasador o ranura para evitar la rotación. La corrosión es una consideración importante al seleccionar el hardware del sello.
Consideraciones para elementos de sellado secundarios
Tanto el anillo de sello como el acoplamiento deben acomodar elementos de sellado secundarios. En algunos diseños, varios retenedores, manguitos y otros componentes también pueden incluir elementos de sellado secundarios. Mientras que una junta tórica simple puede requerir solo una ranura para el montaje, algunos elementos de sellado secundarios (por ejemplo, el empaque) pueden requerir compresión mecánica. Aunque las juntas tóricas están disponibles en muchos elastómeros, a veces un elastómero puede no ser compatible con el fluido que se está sellando o puede considerarse demasiado caro. En tales casos, se podría fabricar un elemento de sellado secundario a partir de perfluoroelastómero y darle la forma de una cuña, V o U.
Configuraciones
Aunque todos los cierres mecánicos de cara frontal deben contener los cinco elementos descritos anteriormente, esos elementos funcionales pueden disponerse u orientarse de muchas formas diferentes. Existen varios estándares dimensionales y funcionales, como el Estándar API 682 - Sistemas de sellado de ejes para bombas centrífugas y rotativas, que describe las configuraciones para su uso en aplicaciones de petróleo y gas. Aunque el alcance de API 682 es algo limitado, puede extenderse para describir los sellos mecánicos de cara de extremo en general. La configuración se refiere al número y la orientación de los componentes en el conjunto del sello mecánico de la cara del extremo. Por ejemplo, los resortes pueden ser giratorios o estacionarios. Se pueden usar pares únicos o múltiples de caras de sellado. Para sellos múltiples, los pares individuales de caras de sellado pueden estar orientados u opuestos de manera similar. Los dispositivos de contención, como los casquillos, pueden usarse o no como parte de la configuración.
Componente vs cartucho
Los componentes básicos de un sello mecánico de extremo se pueden instalar directamente en el eje, pero un enfoque popular es preensamblar los componentes en algún tipo de paquete para facilitar la instalación. [3] [4] Cuando los componentes se preensamblan en un manguito y una placa de prensaestopas, el conjunto completo se denomina sello de cartucho. Este conjunto completo puede deslizarse fácilmente sobre el eje y atornillarse en su lugar, reduciendo así la posibilidad de errores de instalación. Algunos sellos de cartucho usan piezas de sello de componentes normales, mientras que otros sellos de cartucho pueden usar piezas de propósito específico. API 682 especifica que solo los sellos de cartucho son aceptables para el estándar.
Resortes giratorios vs estacionarios
El anillo de sello o el anillo de acoplamiento pueden ser el elemento giratorio. Los sellos con anillos de sello giratorios se denominan sellos "giratorios"; Los sellos con anillos de sello estacionarios se denominan sellos "estacionarios". Debido a que los resortes siempre están asociados con los anillos de sello, a veces la distinción se hace como "resortes giratorios" versus "resortes estacionarios". Por conveniencia, los sellos giratorios se utilizan en la mayoría de los equipos; sin embargo, los sellos estacionarios tienen algunas ventajas sobre los sellos giratorios. En sellos pequeños producidos en serie para servicios modestos, el sello completo puede colocarse en un paquete que minimiza los requisitos del eje y la carcasa del equipo. Los sellos estacionarios también se utilizan con ventaja en tamaños grandes o a altas velocidades de rotación.
Único vs múltiple
Al clasificar los sellos mecánicos de cara frontal por configuración, la primera consideración es si hay solo un conjunto de caras de sellado o varios conjuntos. Si se utilizan varios conjuntos, ¿están configurados para que no estén presurizados o presurizados?
Sellos en tándem
Un sello en tándem consta de dos conjuntos de superficies de sellado primarias con el espacio entre los dos sellos lleno de un fluido de baja presión compatible llamado fluido tampón. Este fluido / espacio tampón se puede controlar para detectar el rendimiento del conjunto. Desafortunadamente, la definición de "sello en tándem" se expresó a menudo de manera confusa. En particular, un sello en tándem se describía generalmente como dos sellos apuntando en la misma dirección; es decir, en una orientación cara a cara. Esta orientación no es necesaria para la función de la configuración y la API eligió utilizar el término Arrangement 2 en lugar de tándem en el estándar API 682.
Sellos dobles
Un sello doble consta de dos conjuntos de superficies de sellado primarias con el espacio entre los dos sellos lleno de un fluido presurizado compatible llamado fluido de barrera. Este fluido / espacio de barrera puede controlarse para detectar el rendimiento del conjunto. Lamentablemente, la definición de "doble sello" se expresó a menudo de manera confusa. En particular, un sello doble se describía generalmente como dos sellos que apuntan en la dirección opuesta; es decir, en una orientación espalda con espalda. Esta orientación no es necesaria para la función de la configuración y la API optó por utilizar el término Arrangement 3 en lugar de double en el estándar API 682.
Sellar planos de tuberías
Un sello mecánico de extremo genera calor por frotamiento y cizallamiento viscoso y debe enfriarse para asegurar un buen desempeño y operación confiable. Normalmente, el enfriamiento se proporciona haciendo circular fluido alrededor del sello. Este fluido, conocido como descarga, puede ser el mismo que el fluido que se está sellando o un fluido completamente diferente. La descarga se puede calentar, filtrar o tratar de otro modo para mejorar el entorno operativo alrededor del sello. En conjunto, los sistemas de descarga y tratamiento se conocen como planos de tuberías. Los planos de tuberías para sellos mecánicos se definen en la especificación 682 del American Petroleum Institute y se les asigna un número. Algunos planos de tuberías se utilizan para sellos individuales y algunos solo para sellos múltiples. Algunos planos de tuberías están destinados a proporcionar un medio para monitorear el sello. Algunos sistemas de sellado incluyen más de un plano de tuberías. Consulte la tabla a continuación para obtener un resumen y una descripción de los planos de tuberías. [1]
Plan API | Descripción |
---|---|
01, 02, 03 | Sistema interno para sellos individuales |
11, 12, 13, 14 | Sistema de recirculación simple para sellos individuales |
21, 23, 31, 41 | Sistema de recirculación con equipo auxiliar para sellos individuales |
52, 53A-C, 54, 55, 74 | Sistema externo para sellos dobles |
32, 62 | Sistema de inyección externo |
65A / B, 66A / B | Contención y gestión de fugas |
61, 71 | Solo conexiones (enchufado) |
72, 75, 76 | Sistema de control externo y gestión de fugas para sellos de contención |
99 | Varios, requiere un boceto |
Origen y desarrollo
El sello mecánico parece haber sido inventado por George J. Cooke [5] Su diseño originalmente se llamaba "Cooke Seal" y fundó Cooke Seal Company. El sello de Cooke (que en realidad no tenía un medio de accionamiento) se utilizó por primera vez en compresores de refrigeración. Cooke Seal Company era un producto secundario de Cooke y vendió la empresa a Muskegon Piston Ring Company, donde se convirtió en la división de sellos rotativos. Muskegon Piston Ring vendió su división de sellos rotativos a EG&G Sealol, quienes luego fueron adquiridos por John Crane Incorporated.
El primer sello mecánico comercialmente exitoso que se usó en bombas centrífugas probablemente fue fabricado por la División Cameron de Ingersoll-Rand Company. El sello de Cameron se instaló en varias bombas de tubería centrífugas en 1928. [6]
Los sellos mecánicos de la década de 1930 solían utilizar una combinación frontal de acero endurecido frente a bronce con plomo. El grafito de carbono no se usó ampliamente como material de la cara del sello hasta después de la Segunda Guerra Mundial. Se utilizó empaque blando como elementos de sellado secundarios. La junta tórica se desarrolló en la década de 1930, pero no se usó en sellos mecánicos hasta después de la Segunda Guerra Mundial.
A fines de la década de 1930, probablemente alrededor de 1938 o 1939, los sellos mecánicos comenzaron a reemplazar el empaque en las bombas de agua de los automóviles. El famoso Jeep de la Segunda Guerra Mundial usó un sello de fuelle de goma en la bomba de agua. Después de la Segunda Guerra Mundial, todas las bombas de agua para automóviles utilizaron sellos mecánicos.
A mediados de la década de 1940, los fabricantes de bombas como Ingersoll-Rand, Worthington, Pacific, Byron Jackson, United, Union y otros comenzaron a fabricar sus propios sellos mecánicos. Finalmente, la mayoría de estas empresas abandonaron el negocio de los sellos, pero el sello de Byron Jackson se convirtió en el sello de Borg-Warner (ahora Flowserve) y el sello de Worthington se vendió a Chempro (ahora John Crane - Sealol).
Los sellos de cartucho se usaban regularmente en 1950; Este conveniente empaque de sello, manguito y prensaestopas probablemente fue desarrollado por CE Wiessner de Durametallic alrededor de 1942. [3]
En 1954, los sellos mecánicos se usaban con tanta regularidad en las industrias de refinación y procesamiento que el Instituto Americano del Petróleo incluyó especificaciones de sellos en la primera edición de su Norma 610, "Bombas centrífugas para servicios generales de refinería".
Para 1956, se habían desarrollado muchos de los diseños conceptuales y las pautas de aplicación que se utilizan en la actualidad. Los diseños disponibles comercialmente incluían elementos flexibles rotativos y estacionarios, carga hidráulica equilibrada y desequilibrada, fuelles de caucho y metal, y una amplia variedad de diseños y tipos de resortes. Los elementos de sellado secundarios incluyen juntas tóricas, cuñas, copas en U y varias empaquetaduras. El grafito de carbono se utilizó ampliamente como material de la cara del sello; la cara del sello de acoplamiento era a menudo de hierro fundido, Ni-resist, acero inoxidable serie 400, Stellite u óxido de aluminio, aunque el carburo de tungsteno estaba comenzando a usarse. El acero inoxidable se utilizó ampliamente para resortes, retenedores, manguitos y prensaestopas. Se utilizaron disposiciones de sellos únicos y múltiples según fue necesario para lograr el rendimiento requerido. En 1957, Sealol introdujo el sello de fuelle de metal soldado con bordes. Anteriormente, los sellos de fuelle de metal usaban un fuelle formado que era mucho más grueso y rígido. [7]
En 1959, John C. Copes de Baton Rouge, LA solicitó una patente sobre un sello dividido y se le otorgó la patente # 3025070 en 1962. En el diseño de Copes, solo se dividieron las caras. Copes optó por proporcionar sellos divididos personalizados que él mismo fabricó, por lo que se produjeron muy pocos de sus sellos divididos. [8]
La Ley de Aire Limpio de 1990 estableció límites a las emisiones fugitivas de las bombas. Los fabricantes de sellos respondieron con diseños mejorados y mejores materiales. En octubre de 1994, el American Petroleum Institute publicó la norma API 682 , "A Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps". Esta norma tuvo un efecto importante en la industria del sellado. Además de proporcionar pautas para la selección de sellos, API 682 requiere calificación pruebas realizadas por los fabricantes de sellos. [9] API 682 se encuentra ahora en su cuarta edición y se ha comenzado a trabajar en la quinta edición.
Ha habido mucha consolidación en la industria de los sellos mecánicos. Entre los principales fabricantes:
- John Crane (Smiths Group de Gran Bretaña) incluye Sealol (Rotary), Flexibox, Safematic, Ropac;
- Flowserve incluye BW / IP (Borg-Warner), Durametallic, Five Star, Pacific Wietz;
- EagleBurgmann incluye Eagle, Burgmann.
Hoy en día, además de los patrones de las caras, como las ranuras en espiral y las ondas, se han desarrollado materiales que tienen superficies especiales para promover la elevación hidrodinámica. Los láseres se pueden utilizar para grabar texturas microscópicas que mejoran el rendimiento en la superficie de la cara del sello. Se están investigando materiales piezoeléctricos y controles electrónicos para crear sellos verdaderamente controlables. La aplicación de patrones, superficies y controles especializados en las caras del sello es una tecnología emergente que se está desarrollando rápidamente y es muy prometedora para el futuro.
Ver también
Referencias
- ^ a b c d e f g Norma API 682, cuarta edición, 2014, "Bombas - Sistemas de sellado de ejes para bombas centrífugas y rotativas", American Petroleum Institute , Washington DC
- ^ a b Schoenherr, KS, "Terminología de diseño para sellos mecánicos de cara final", Transacciones de la sociedad de ingenieros automotrices, vol. 74, documento número 650301, (1966).
- ^ a b Miller, Arthur H., Personas, productos y progreso: la historia de Durametallic, Priscilla Press, Allegan Forest, Michigan, 1992.
- ^ Patente de Estados Unidos # 6685191, "Sello mecánico para eje giratorio", 11 de febrero de 2000
- ^ Patente de Estados Unidos # 1545080, "Sello para ejes giratorios", 7 de julio de 1925
- ^ Tetlow, "Importancia del sello mecánico en el manejo de fluidos", Manejo de fluidos, enero de 1951.
- ^ Elonka, Steve, A Eche un vistazo a los sellos mecánicos de hoy @, Power, 1956.
- ^ Patente de Estados Unidos # 3025070, "Sellos mecánicos divididos", 13 de marzo de 1962
- ^ Buck, GS, Huebner, M. B, Thorp, JM y Fernandez, CL "Avances en el sellado mecánico: una introducción a la segunda edición de API-682", Simposio de turbomaquinaria de Texas A&M, 2003.
- Bloch, Heinz P. y Budris, Allan R., "Pump User's Handbook Second Edition", CRC Press, 2006.
- Lebeck, AO, "Principios y diseño de sellos faciales mecánicos", Nueva York: Wiley-Interscience, (1991).