Sello mecánico de cara frontal

En ingeniería mecánica , un sello mecánico de cara frontal (a menudo abreviado como sello mecánico ) es un tipo de sello utilizado en equipos rotativos , como bombas , mezcladores , sopladores y compresores . Cuando una bomba está en funcionamiento, el líquido puede filtrarse entre el eje giratorio y la carcasa fija. Dado que el eje gira, evitar esta fuga puede resultar difícil. Los primeros modelos de bombas utilizaban empaquetaduras mecánicas (también conocidas como empaquetaduras 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 la interfaz de sellado y se deslizan entre sí, permitiendo que un elemento giratorio atraviese la carcasa sellada. Los elementos se cargan hidráulica y mecánicamente mediante un resorte u otro dispositivo para mantener el contacto. Para diseños similares con elementos flexibles, consulte el sello radial de eje (o "sello labial") y la junta tórica .

Un sello mecánico de extremo consta de componentes giratorios y estacionarios que se presionan firmemente entre sí mediante fuerzas mecánicas e hidráulicas . A pesar de esta presión, se produce una pequeña fuga a través de una holgura relacionada con la rugosidad de la superficie.

Existen diversas formas de clasificar los «sellos». A veces, el término «sello» se refiere a un sistema de sellado, mientras que otras veces alude a un dispositivo como una junta , una junta tórica , una empaquetadura de compresión, etc. En este artículo, nos referimos a un sello mecánico frontal.

Un método de clasificación considera las características de diseño o la configuración en la que se pueden utilizar. La clasificación por diseño tiene en cuenta los detalles y las características incorporadas en un único par de anillo de sellado/anillo de acoplamiento. La clasificación por configuración incluye la orientación y la combinación del par de anillo de sellado/anillo de acoplamiento.

^{[ 2 ]}

Configuraciones

Aunque todos los sellos mecánicos de cara frontal deben contener los cinco elementos descritos anteriormente, estos elementos funcionales pueden disponerse u orientarse de diversas maneras. Existen varias normas dimensionales y funcionales, como la norma API 682 - Sistemas de sellado de ejes para bombas centrífugas y rotativas, que describe las configuraciones utilizadas en aplicaciones de petróleo y gas. Si bien el alcance de la norma API 682 es algo limitado, puede extenderse para describir los sellos mecánicos de cara frontal en general. La configuración se refiere al número y la orientación de los componentes en el conjunto del sello mecánico de cara frontal. Por ejemplo, los resortes pueden ser giratorios o fijos. Se pueden utilizar uno o varios pares de caras de sellado. En el caso de sellos múltiples, los pares individuales de caras de sellado pueden estar orientados de forma similar u opuestos. Los dispositivos de contención, como los bujes, pueden o no utilizarse como parte de la configuración.

Componente frente a cartucho

Los componentes básicos de un sello mecánico de cara frontal pueden instalarse directamente en el eje, pero un método común es preensamblarlos en un 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 se puede deslizar fácilmente sobre el eje y atornillar, reduciendo así la posibilidad de errores de instalación. Algunos sellos de cartucho utilizan piezas de sellado estándar, mientras que otros pueden utilizar piezas específicas. La norma API 682 especifica que solo los sellos de cartucho son aceptables.

Muelles giratorios frente a muelles estacionarios

Tanto el anillo de sellado como el anillo de acoplamiento pueden ser el elemento giratorio. Los sellos con anillos de sellado giratorios se denominan sellos "rotativos", mientras que los sellos con anillos de sellado fijos se denominan sellos "estacionarios". Dado que los resortes siempre están asociados a los anillos de sellado, a veces se hace la distinción entre "resortes giratorios" y "resortes fijos". Por conveniencia, los sellos giratorios se utilizan en la mayoría de los equipos; sin embargo, los sellos fijos presentan algunas ventajas. En sellos pequeños de producción en masa para aplicaciones modestas, el sello completo puede colocarse en un paquete que minimiza los requisitos de eje y carcasa del equipo. Los sellos fijos también se utilizan con ventaja en tamaños grandes o a altas velocidades de rotación.

Individual versus múltiple

Al clasificar los sellos mecánicos de cara frontal según su configuración, lo primero que se debe considerar es si existe un único conjunto de caras de sellado o varios. Si se utilizan varios conjuntos, ¿están configurados para funcionar sin presión o con presión?

sellos en tándem

Un sello en tándem consta de dos conjuntos de superficies de sellado primarias, con el espacio entre ambos sellos lleno de un fluido compatible a baja presión, denominado fluido amortiguador. Este fluido amortiguador/espacio puede ser monitoreado para detectar el rendimiento del conjunto. Desafortunadamente, la definición de "sello en tándem" se solía expresar 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 el funcionamiento de la configuración, y la API optó por utilizar el término Disposición 2 en lugar de tándem en la norma API 682.

Sellos dobles

Un sello doble consta de dos conjuntos de superficies de sellado primarias, con el espacio entre ambos sellos lleno de un fluido presurizado compatible, denominado fluido de barrera. Este fluido/espacio de barrera puede ser monitoreado para detectar el rendimiento del conjunto. Desafortunadamente, la definición de "sello doble" se solía expresar de forma confusa. En particular, se describía habitualmente como dos sellos apuntando en direcciones opuestas; es decir, en una orientación espalda con espalda. Esta orientación no es necesaria para el funcionamiento de la configuración, y la API optó por utilizar el término Disposición 3 en lugar de "doble" en la norma API 682.

Un sello mecánico de cara frontal genera calor por fricción y cizallamiento viscoso, por lo que debe enfriarse para asegurar un buen rendimiento y un funcionamiento fiable. Normalmente, el enfriamiento se proporciona haciendo circular un fluido alrededor del sello. Este fluido, conocido como lavado, puede ser el mismo que el que se está sellando o uno completamente diferente. El lavado puede calentarse, filtrarse o tratarse de otra manera para mejorar el entorno operativo alrededor del sello. En conjunto, los sistemas de lavado y tratamiento se conocen como planos de tuberías. Los planos de tuberías para sellos mecánicos están definidos por la especificación 682 del Instituto Americano del Petróleo y se les asigna un número. Algunos planos de tuberías se utilizan para sellos simples y otros solo para sellos múltiples. Algunos planos de tuberías están diseñados para proporcionar un medio de monitorización del 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 ]}

El sello mecánico parece haber sido inventado por George J. Cooke ^{[ 5 ].} Su diseño se denominó originalmente "Sello Cooke" y fundó la Cooke Seal Company. El sello de Cooke (que en realidad no tenía mecanismo de accionamiento) se utilizó por primera vez en compresores de refrigeración . La Cooke Seal Company era un producto secundario para Cooke, quien la vendió 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, que posteriormente fue adquirida por John Crane Incorporated.

El primer sello mecánico de éxito comercial utilizado en bombas centrífugas probablemente fue fabricado por la División Cameron de la compañía Ingersoll-Rand. El sello Cameron se instaló en varias bombas centrífugas para tuberías en 1928. ^{[ 6 ]}

En la década de 1930, los sellos mecánicos solían utilizar una combinación de acero endurecido y bronce con plomo en la superficie. El grafito de carbono no se utilizó ampliamente como material para la superficie de sellado hasta después de la Segunda Guerra Mundial. Se empleaban empaquetaduras blandas como elementos de sellado secundarios. La junta tórica se desarrolló en la década de 1930, pero no se utilizó en sellos mecánicos hasta después de la Segunda Guerra Mundial.

A finales de la década de 1930, probablemente alrededor de 1938 o 1939, los sellos mecánicos comenzaron a reemplazar las empaquetaduras en las bombas de agua de los automóviles. El famoso Jeep de la Segunda Guerra Mundial utilizaba un sello de fuelle de goma en la bomba de agua. Después de la Segunda Guerra Mundial, todas las bombas de agua de los automóviles comenzaron a usar sellos mecánicos.

A mediados de la década de 1940, fabricantes de bombas como Ingersoll-Rand, Worthington, Pacific, Byron Jackson, United, Union y otros comenzaron a fabricar sus propios sellos mecánicos. Con el tiempo, 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 de forma regular hacia 1950; este práctico empaque de sello, manguito y prensaestopas probablemente fue desarrollado por CE Wiessner de Durametallic alrededor de 1942. ^{[ 3 ]}

Para 1954, los sellos mecánicos se utilizaban con tanta regularidad en las industrias de refinación y procesamiento que el Instituto Americano del Petróleo incluyó especificaciones sobre sellos en la primera edición de su Norma 610, "Bombas centrífugas para servicios generales de refinería".

Para 1956, ya se habían desarrollado muchos de los diseños conceptuales y las directrices de aplicación que se utilizan hoy en día. Los diseños disponibles comercialmente incluían elementos flexibles giratorios 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 incluían juntas tóricas, cuñas, copas en U y diversos empaquetaduras. El grafito de carbono se utilizaba ampliamente como material de la cara de sellado; la cara de sellado de acoplamiento solía ser de hierro fundido, Ni-resist, acero inoxidable serie 400 , Stellite u óxido de aluminio, aunque el carburo de tungsteno comenzaba a utilizarse. El acero inoxidable se utilizaba ampliamente para resortes, retenedores, manguitos y prensaestopas. Se utilizaban configuraciones de sellado simples y múltiples según fuera necesario para lograr el rendimiento requerido. En 1957, Sealol introdujo el sello de fuelle metálico soldado en el borde. Anteriormente, los sellos de fuelle metálico habían utilizado un fuelle conformado que era mucho más grueso y rígido. ^{[ 7 ]}

En 1959, John C. Copes, de Baton Rouge, Luisiana, solicitó una patente para un sello dividido y se le concedió la patente n.° 3025070 en 1962. En el diseño de Copes, solo las caras estaban divididas. Copes optó por fabricar sellos divididos a medida, por lo que se produjeron muy pocos de ellos. ^{[ 8 ]}

La Ley de Aire Limpio de 1990 impuso límites a las emisiones fugitivas de las bombas. Los fabricantes de sellos respondieron con diseños mejorados y mejores materiales. En octubre de 1994, el Instituto Americano del Petróleo publicó la norma API 682 , "Sistemas de sellado de ejes para bombas centrífugas y rotativas". Esta norma tuvo un gran impacto en la industria de los sellos. Además de proporcionar directrices para la selección de sellos, la API 682 exige pruebas de calificación por parte de los fabricantes de sellos. ^{[ 9 ]} La API 682 se encuentra actualmente en su cuarta edición y se ha comenzado a trabajar en la quinta edición.

Se ha producido una gran consolidación en la industria de los sellos mecánicos. Entre los principales fabricantes:

• John Crane (Est. 1917) (Grupo Smiths de Gran Bretaña) incluye Sealol (Rotary), Flexibox, Safematic, Ropac;
• Flowserve incluye BW/IP (Borg-Warner), Durametallic, Five Star, Pacific Wietz;
• AW Chesterton Co. (Est. 1884)
• EagleBurgmann incluye Eagle, Burgmann.

Actualmente, además de patrones superficiales como ranuras espirales y ondas, se han desarrollado materiales con superficies especiales para favorecer la sustentación hidrodinámica. Los láseres permiten grabar texturas microscópicas que mejoran el rendimiento en la superficie del sello. Se están investigando materiales piezoeléctricos y controles electrónicos para crear sellos verdaderamente controlables. La aplicación de patrones, superficies y controles especializados en el sello es una tecnología emergente que se desarrolla rápidamente y ofrece grandes perspectivas de futuro.

• Sello del laberinto
• Sello de gas seco

1. Bloch, Heinz P. y Budris, Allan R., "Manual del usuario de bombas, segunda edición", CRC Press, 2006.
2. Lebeck, AO, "Principios y diseño de sellos mecánicos frontales", Nueva York: Wiley-Interscience, (1991).