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APÉNDICE E EMPAQUETADURAS Y SELLOS
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APÉNDICE E EMPAQUETADURAS Y SELLOS
APÉNDICE E . DISPOSITIVOS DE SELLADO
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1. SELLADO DE EJES ROTATORIOS
En las plantas petroquímicas, el bombeo de fluidos debe realizarse eficientemente,
reduciendo al mínimo los costes y evitando riesgos.
Para que esto sea posible, deben reducirse al máximo las fugas de fluido. Así se evita
la aparición de depósitos e incrustaciones, se previene el riesgo de explosiones, etc.
El eje de algunos equipos (bombas, compresores, ventiladores, agitadores, etc.)
separa dos medios (normalmente, el fluido que se impulsa y la atmósfera). Para
prevenir fugas, o evitar la entrada de aire, se emplean dispositivos de sellado.
La figura 1 muestra el eje de una bomba centrífuga, sin dispositivo de sellado. Existe
un espacio entre el eje y la carcasa, ya que en caso contrario, el desgaste de ambos
elementos sería excesivo. Por esta holgura se fuga el fluido.
F¡g. 1: Ausencia de dispositivos de sellado. Para evitar las fugas se emplean:
empaquetaduras.
cierres mecánicos.
bombas sumergibles.
cierres o sellos de gas.
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2. EMPAQUETADURAS
Durante mucho tiempo, las empaquetaduras fueron los dispositivos más empleados
para sellar ejes. En la actualidad, han sido desplazadas por los cierres mecánicos.
La empaquetadura está compuesta por fibras que primeramente se trenzan, retuercen
o mezclan en tiras y, luego, se conforman como espirales o anillos.
Existen dos tipos de empaquetadura (fig. 2):
Trenzada: puede ser entretejida cuadrada, plegada cuadrada, trenzado sopre
trenzado, y trenzado sobre núcleo.
Las empaquetaduras de este tipo más empleadas son la entretejida cuadrada y la
trenzada sobre núcleo. Las diferencias en el trenzado dependen del tipo de máquina
en que se fabrican las empaquetaduras.
Los materiales que se emplean para fabricar la empaquetadura son fibras animales,
vegetales, minerales o varias sintéticas. Las más utilizadas son el asbesto, tela, yute y
esparto.
Metálica: se fabrica con plomo, babbitt, cobre o aluminio. El núcleo es de material
elástico compresible (caucho sintético o mecha de asbesto) al que se le añade algún
lubricante.
Las empaquetaduras metálicas se emplean por su resistencia física y al calor.
Las empaquetaduras de asbesto grafitado son las más usadas en los equipos que
trabajan con productos petrolíferos y agua.
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Cuando el eje de la máquina gira a velocidades muy elevadas, se suelen emplear
empaquetaduras de material plástico, formadas por diversas fibras aglutinadas y un
lubricante.
La empaquetadura, una vez fabricada, se impregna con una cantidad de lubricante, en
función del servicio a que se destine el empaque.
La falta de lubricación hace que las empaquetaduras se endurezcan y pierdan
elasticidad, de modo que aumenta la fricción, se acorta su vida útil y se elevan los
costos de operación.
Las empaquetaduras se cortan para formar anillos cerrados, que se albergan en la
estopera (espacio libre que queda entre el eje y la carcasa de la bomba). La longitud a
la que se cortan debe ser la adecuada para que rodeen completamente al eje del
equipo.
La forma de la junta del anillo depende del material con el que están fabricados:
Generalmente, los empaques metálicos trenzados y flexibles tienen juntas de
ajuste o de ensamble (fig. 3a).
En el resto, la experiencia muestra que el uso de las juntas sesgadas o
biseladas es más eficaz (fig. 3b).
Las juntas biseladas permiten un pequeño deslizamiento/ capaz de absorber parte de
la dilatación del anillo.
Fig. 3: Empaquetaduras. a. Juntas por ensamble. b. Juntas por biselado.
Los anillos que forman la empaquetadura se introduce en el estopero. Luego, se
aprietan con los tornillos del prensaestopas, de manera que los anillos de
empaquetadura comprimen al eje (figura 4).
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Fig. 4: Empaquetadura mecánica.
Apriete de la empaquetadura:
• Se recomienda apretar paulatinamente las tuercas, de manera que el
prensaestopas no quede inclinado.
• Se deben apretar las tuercas de los pernos por igual; en primer lugar, se
aprieta una tuerca 1 / 6 de vuelta, y luego, la otra; se repite la operación hasta
conseguir el apriete adecuado.
La holgura de la estopera permite:
• Que el eje gire libremente, y se mueve en el sentido axial (atrás y adelante).
Por tanto, las pérdidas por rozamiento en el empaque serán mínimas.
• El ajuste y la expansión del empaque. Cuando el equipo está en funciona-
miento, la empaquetadura se dilata debido al incremento de temperatura
(originada por la fricción) y por la absorción de líquido.
• Que la empaquetadura contenga aceite lubricante, para suavizar la fricción con
el eje.
En condiciones reales de funcionamiento, la empaquetadura no evita totalmente las
fugas, ya que los anillos circulares no pueden estar completamente comprimidos.
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Con la bomba en funcionamiento, se suele fugar una mínima parte del fluido. Siempre
que el producto sea inocuo y barato, se aceptan estas pequeñas pérdidas, ya que
actúan como un lubricante y refrigerante adicional.
Por otra parte, si una bomba funciona en condiciones de vacío, a través de la
empaquetadura puede entrar aire al interior del equipo. En estos casos, es posible que
se originen problemas de descebado.
A continuación se describen las principales ventajas e inconvenientes de las
empaquetaduras en relación con los otros dispositivos de sellado.
Ventajas de las empaquetaduras
• Facilidad para realizar su ajuste y su sustitución.
• Bajo coste.
Inconvenientes de las empaquetaduras
• Vida útil relativamente corta.
• Requieren reajustes frecuentes.
• En muchas ocasiones, necesitan una entrada de refrigeración.
Una empaquetadura se utiliza cuando se bombean productos inocuos y las fugas son
mínimas. Su gran ventaja es su bajo coste.
Sin embargo, no son aptas para manejar productos químicos peligrosos. En este caso,
se usan en combinación con anillos de cierre o sellado, denominados anillos linterna.
Anillos linterna
Cuando los fluidos que se manejan son tóxicos o corrosivos, las fugas deben
detenerse o minimizarse todo lo posible.
Dado que la empaquetadura permite pequeñas fugas, se combina su utilización junto
con un anillo linterna, anillo de cierre o jaula de sello.
La figura 5 muestra un anillo linterna. El anillo tiene un perfil en forma de H. y tiene
agujeros distribuidos a lo largo de su parte central.
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Fig. 5: Anillo linterna.
La figura 6 muestra la disposición del anillo linterna en el estopero. El anillo se sitúa
entre dos o más empaquetaduras dispuestas alrededor del eje, a modo de separación
de las mismas.
Fig. 6: Disposición del anillo linterna.
En la carcasa del equipo hay un orificio, al que se conecta una tubería por la que
circula un fluido de seguridad que atraviesa el anillo linterna. En función de la presión
del fluido, existen dos disposiciones;
Si la presión del fluido es la de vacío, el fluido succiona el aire que se introduce
a través de la empaquetadura o cualquier fuga de fluido; posteriormente, se
trata adecuadamente.
Si se introduce un fluido de seguridad (agua, nitrógeno, etc.) por el anillo a una
presión menor que la del fluido bombeado, cualquier fuga que se produjera
sería recogida y diluida por el fluido de seguridad; posteriormente, se somete a
un tratamiento.
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Los anillos linterna se utilizan para el sellado de las bombas que manejan fluidos
peligrosos.
A continuación, se muestran las principales ventajas e inconvenientes de los anillos
linterna:
Ventajas de los anillos linterna
• Pueden emplearse con líquidos peligrosos.
• Minimizan los riesgos originados por las fugas.
• Sus costes de adquisición y mantenimiento son relativamente bajos o
reducidos.
• Permiten refrigerar la empaquetadura cuando se manejan fluidos calientes.
• Posibilitan la limpieza de partículas abrasivas.
Inconvenientes de los anillos linterna
• Necesitan un mantenimiento regular, que asegure que la empaquetadura esté
en contacto con el eje.
• Precisan una alimentación con un fluido de seguridad o una linea de vacío, con
el consiguiente coste añadido.
Sin embargo, ni la empaquetadura, ni la empaquetadura combinada con anillos
linterna es capaz de evitar totalmente las fugas, simplemente las minimizan.
3. CIERRES MECÁNICOS
En la actualidad, los sellos mecánicos son los dispositivos más usados para sellar
líquidos en ejes rotatorios.
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En un sello mecánico, las fuqas son despreciables durante toda su vida útil.
Un sello mecánico es un dispositivo que forma un sello móvil entre superficies planas.
Generalmente, los sellos mecánicos constan de:
Un anillo sellador giratorio, que gira solidario al eje de la máquina. Este anillos
suele ser de carbón.
Un anillo sellador estacionario metálico, unido a la carcasa de la máquina.
Unos resortes o muelles, que presionan el anillo giratorio contra el sello
estacionario.
En la figura 7 se muestra un esquema de un sello mecánico.
Fig. 7: Sello mecánico.
El sellado se produce debido al deslizamiento entre las superficies en contacto del
sello giratorio y del sello estático.
El gran ajuste (holguras de cien milésima de milímetro) que existe entre el anillo de
grafito (estático) y el anillo de metal (rotatorio) evita las fugas de fluido.
El grafito actúa como lubricante y asegura que no se produce un desgaste excesivo. El
grafito del anillo estático puede sustituirse por teflón, que tienen gran resistencia y
buenas propiedades lubricantes.
El material de los resortes y del anillo rotatorio se elige en función de las temperaturas
y del ataque químico que deben soportar.
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Normalmente, las superficies selladoras se orientan en ángulo recto respecto a las
superficies de rotación. Por tanto, la dirección de las fuerzas que realizan el sellado
(fuerzas ejercidas por los resortes) es paralela el eje.
Las principales ventajas e inconvenientes que presentan los sellos mecánicos frente a
las empaquetaduras son:
Ventajas de los sellos frente a las empaquetaduras
• Fugas despreciables a lo largo de toda la vida de servicio.
• Menor pérdida de potencia por fricción.
• Eliminación del desgaste en el eje o en los manguitos.
• Ausencia de mantenimiento periódico.
Inconvenientes de los sellos frente a las empaquetaduras
• Requieren una instalación y manejo más delicados.
• Son bastante más caros que las empaquetaduras.
• Su sustitución requiere la parada del equipo.
3.1. TIPOS DE SELLOS MECÁNICOS Los sellos mecánicos se clasifican en sellos internos o externos. En ambos casos, el
principio de funcionamiento es el mismo que se ha expuesto anteriormente.
A. Sellos internos
Los sellos internos se instalan con todos los componentes selladores expuestos al
líquido de proceso, es decir, al líquido que circula por la bomba.
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La figura 8 muestra un sello mecánico interno. El cierre se produce por el gran ajuste
que se produce entre le anillo sellador giratorio y el anillo sellador estático.
Además, el sello incorpora dos juntas (anillos), que contribuyen al cierre.
Fig. 8: Sello mecánico interno.
La junta tórica inferior está comprimida contra el anillo sellador giratorio, debido a la
acción de los resortes y evita que la fuga de líquido entre el eje y el anillo sellador
giratorio. La otra junta tórica evita la fuga de fluido entre el anillo sellador estático y la
carcasa.
Las ventajas que presenta esta disposición son:
Ventajas de los sellos internos
• Capacidad de sellado contra presiones elevadas, puesto que la presión del
fluido se ejerce en la misma dirección que la fuerza del resorte.
• Protección de las partes selladoras contra daños mecánicos externos/ ya que
no están expuestos al exterior.
• Reducción de la longitud externa del eje.
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Cuando se trabaja con sólidos abrasivos se recurre a los sellos internos dobles (fig. 9).
En este caso, circula a través de ellos un fluido que los protege.
Fig. 9: Sello interno doble.
B. Sellos externos
El principio de funcionamiento es el mismo que en los sellos internos, sólo se
diferencian en que los componentes selladores están protegidos del fluido del proceso
(fig. 10).
Fig. 10: Sello mecánico externo.
Ventajas de los sellos externos
Necesitan materiales de construcción menos resistentes que los sellos
internos, ya que están aislados de los fluidos de proceso.
La instalación y el ajuste resultan sencillos, ya que las piezas ocupan una
posición más accesible.
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El tamaño de la estopera no es un factor limitante a la hora de elegir el sello.
4. BOMBAS SUMERGIDAS
Ninguno de los métodos de sellado de los ejes de bombas, descritos hasta ahora, son
óptimos. Todos presentan problemas en términos de coste o de funcionamiento.
Actualmente se está extendiendo un nuevo método de sellado, que consiste en
sumergir la bomba en el fluido que se debe impulsar. Esta disposición recibe el
nombre de bomba sumergida o sin prensaestopas.
La figura 11 muestra una bomba centrífuga sumergida, donde la totalidad de la
carcasa está en el seno de líquido. El motor se deja fuera del líquido en la parte
superior de la instalación.
Fig. 11: Bomba sumergida o sin prensaestopas.
El motor y la carcasa están conectados por medio de un eje. No es necesario ningún
sello que se interponga entre ellos, ya que cualquier fuga que se produzca, regresa al
tanque.
Esta "recirculación" de líquido ocasiona una pérdida de rendimiento de la bomba.
Las principales ventajas de este método son:
Ventajas de las bombas sumergidas
• No existe el problema del sellado.
• No existe el problema de la cavitación.
• No tienen problemas de fricción, ya que no hay contacto entre el eje y el sello.
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Los puntos de apoyo del eje (los cojinetes) están situados por encima del nivel de
líquido. Así, se evitan problemas de corrosión en los cojinetes.
Por tanto, los puntos de apoyo del eje están localizados en un extremo, lo que origina
una vibración. Esta vibración u oscilación, que tiene la forma que se muestra en la
figura 12, causa una tensión o sobrecarga adicional en el eje.
Fig. 12: Eje vibrante.
Inconvenientes de las bombas sumergidas
Pérdida de rendimiento, debida a la recirculación del fluido.
Vibración u oscilación del eje, que se traduce en una sobrecarga del mismo.
Existen varias alternativas a este tipo de bombas sumergidas, entre las que destacan:
Todo el conjunto (motor, eje y bomba) estén totalmente sumergidos en el
líquido. El motor debe estar protegido dentro de un encapsulado especial, que
le permita trabajar sumergido. Esta protección encarece muchísimo el equipo.
Emplear una transmisión magnética. El rodete o impulsor de estas bombas se
fabrica con un material magnético; la carcasa de la bomba no. El motor lleva
acoplado un imán que mueve el rodete magnético, sin necesitar una conexión
física que los una. Por tanto, no necesita ningún sistema de sellado.
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5. SELLADO DE GASES
El sellado de los gases es mucho más problemático que el de los líquidos.
La forma más sencilla de evitar que el gas fluya de una zona de mayor presión (interior
de! compresor) a una de menor presión (la atmósfera), es ajusfar estrechamente el eje
y la carcasa del compresor.
Este ajuste ocasionaría un gran ajuste de los elementos en contacto, y obligaría a
cambiarlos a menudo. Por lo tanto, ésta es una solución inviable.
En vez de realizar este ajuste, se recurre a sistemas de sellado que difieren de los
empleados con los líquidos, ya que los gases presentan unas características
particulares: la densidad de éstos y su viscosidad es mucho menor que la de los
líquidos.
5.1. CIERRES EN COMPRESORES CENTRÍFUGOS
El sistema de sellado en los compresores también se denomina cierre; el más común
es el de laberinto. Consiste en intercalar en el eje un número de puntos circulares
dispuestos en serie que proporcionen una expansión sucesiva del fluido.
La figura 13 muestra un esquema simple de un sello de laberinto. Observa que los
puntos de contacto están formados por una serie de cuchillas o filos circulares en
contacto con el eje.
Para formar los laberintos se emplean, por lo general, anillos de aluminio, que son los
que soportarán el desgaste.
Fig. 13: Cierre de laberinto.
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El gas pierde energía al atravesar las pequeñas aberturas. Por tanto, se produce una
pequeña caída de presión en cada filo.
Estas caídas sucesivas de presión hacen que, en un momento determinado, el gas ya
no tenga energía para fugarse.
La pérdida de energía en los filos hacen que al gas le resulte más fácil fluir por la
tubería principal de descarga que fugarse por los sellos
A. Situación de los cierres
Generalmente, los cierres de los compresores centrífugos se localizan:
Entre los alabes o paletas estacionarias. Recuerda que su misión es conducir
el gas hacia los alabes móviles. Los cierres evitan la recirculación del gas entre
los impulsores.
En el pistón de balance, con la misión de evitar que el gas pase a la cámara
que está en comunicación con la aspiración.
El pistón de balance es un disco macizo de acero, que tiene la función de eliminar parte del
empuje axial del rotor. La figura 14 muestra el cierre de un pistón de balance.
Fig. 14: Cierre de un pistón de balanceo
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En los cierres, situados en los extremos del compresor (aspiración o impulsión).
Generalmente, un cierre está constituido por tres partes (fig. 15):
a. Cierre interno (cámara A). El gas llega a la cámara A, regulado por una válvula
automática, desde la impulsión del compresor.
b. Cierre central (cámara B). Está comunicado por un eyector, que aspira el gas que
se haya podido escapar o filtrar entre los cierres.
c. Cierre externo o escalonado (cámara C). Se le inyecta nitrógeno, que tiene la misión
de crear una presión de cierre, que evite la entrada de aire atmosférico a través del
venteo de la cámara C. Esta entrada de aire daría lugar a la formación de una mezcla
explosiva.
Fig. 15: Cierres de los extremos.
La figura 16 representa el sistema de cierres por la laberinto.
Fig. 16: Esquematización de un sistema de cierres por laberinto.
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B. Cierres por aceite
El cierre por aceite, al igual que el de laberinto, evita que el gas salga entre el eje y la
carcasa del compresor.
La figura 17 muestra un cierre de aceite.
Fig. 17: Cierre de aceite.
Un cierre por aceite se compone de cuatro partes fundamentales:
Laberinto interno. Es una pieza de aluminio ranurada interiormente, que está
en contacto con el gas que circula por el interior del compresor. El laberinto
interno impide que el gas del compresor pase hacia la cámara A.
Anillos flotantes. Son dos anillos de acero, interior (1) y exterior (2), recubiertos
interiormente por una lámina de metal antifricción, que es la que está en
contacto con el eje.
Su misión es la de distribuir el aceite que llega a la cámara B hacia las cámaras
A y C de cierre. Entre el eje y los anillos queda un pequeño espacio por donde
se filtra el aceite. Este espacio u holgura es menor en el anillo flotante interior
que en el exterior.
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Laberinto externo. Es una pieza de aluminio ranurada interiormente, que está
situada en la parte exterior del cierre.
El laberinto externo impide que el aceite de la cámara B pase hada los
cojinetes.
Deflector de aceite. Es un anillo de bronce que está fijado al eje. Se sitúa entre
el anillo flotante (de mayor diámetro) y el laberinto externo.
Su misión es impedir que el aceite que sale del anillo flotante hacia la cámara
C, se escape por el laberinto externo. El aceite llega a la cámara C y vuelve de
nuevo al tanque impulsado por el deflector, a través, de una línea que
comunica esta cámara con el tanque.
El principio de este tipo de cierres es el siguiente:
El aceite que entra a la cámara B, situada entre los dos anillos flotantes, se filtra por un
lado hacia la cámara A, y por el otro hacia la cámara C.
El aceite que llega a la cámara A, junto con el gas que haya pasado a través del
laberinto interno, se envía a los purgadores, es decir, a drenaje.
El aceite que llega a la cámara C se envía mediante un deflector al tanque de
almacenamiento. El deflector de aceite es un dispositivo cuya misión es cambiar la
dirección de las partículas de aceite para que entren en el tanque.
5.2. CIERRES DE COMPRESORES ALTERNATIVOS
En los compresores alternativos, se emplean los aros de empaquetaduras. Su misión
es evitar las fugas de gas a través del eje. El cierre se realiza de dos formas:
Por una parte, con unas empaquetaduras montadas en una caja metálica.
Por otra, con aceite de lubricación que se le inyecta al pistón dentro de los
aros.
Una línea de venteo permite comprobar si la empaquetadura trabaja de forma
correcta. La figura 18 muestra este tipo de cierre.
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Fig. 18: Cierre de un compresor alternativo.
