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Sellos Mecánicos
C. Ramírez
H. Benites John Crane Perú
1Teoría Básica de Sellos
Mecánicos
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Teoría Básica de Sellos Mecánicos
Temas a tratar1.- Dispositivos de Sellado
2.- Definición de Sellos Mecánicos
3.- Componentes del Sello Mecánico
4.- Principios de Funcionamiento
5.- Arreglos de Sellos Mecánicos
Dispositivos de Sellado
Clasificación de los dispositivos de sellado
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Definición de Sellos Mecánicos
Se definen técnicamente como un dispositivo que previene el
escape de un fluido de un recipiente, al cual atraviesa un eje
rotativo.
El sellado se realiza por el contacto axial de sus caras que se
encuentran perpendiculares al eje y en movimiento relativo una
respecto a la otra.
Sellos Mecánicos
Componentes del Sello Mecánico
Componentes básicos de un sello mecánico Todos los sellos mecánicos constan de dos elementos básicos:
- El elemento rotativo
- El elemento estacionario.
Estos elementos son identificados generalmente como:
- Cabezal de sello
- Asiento.
En bombas centrifugas de proceso se tienen adicionalmente dos
elementos adaptadores:- Brida, adapta el asiento a la bomba
- Camisa, adapta el sello al eje
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Componentes del Sello Mecánico
Componentes básicos de un sello mecánico
Componentes del Sello Mecánico
Cabezal de Sello
Es el lado flexible que se acomoda a los movimientos axiales y radiales del
equipo.
El cabezal de sello es el ensamble de varios componentes.
- Anillo primario o Inserto (balanceado, no balanceado).
- Sellantes secundarios (Empuje, No empuje).
- Sistema de compensación de desgaste (Resortes únicos, múltiples, etc.).
- Sistema de arrastre (Componentes metálicos misceláneos).
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Componentes del Sello Mecánico
Cabezal de sello
Componentes del Sello Mecánico
Anillo Primario
Es el anillo de desgaste del cabezal de sello que junto con el
asiento produce el sellado primario.
Una de las características del anillo primario es que aunque gira
solidario con el eje debe también moverse axialmente para
acomodarse a la posición del asiento.
Se tienen diferentes formas de anillo primario que se adaptan alas condiciones de operación del equipo con las opciones de
balanceado hidráulicamente especialmente cuando la presión es
elevada y no balanceado para bajas presiones
El Anillo primario se fabrica generalmente en Carbón (C), pero
cuando el líquido manejado contiene abrasivos se fabrica en
Carburo de Tungsteno (TC) o Carburo de Silicio (SiC)
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Componentes del Sello Mecánico
Componentes del Sello Mecánico
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Componentes del Sello Mecánico
Los Elementos Sellantes Secundarios se clasifican endos grupos:
1. Empuje (Anillos deslizantes)
2. No Empuje (Fuelles)
Componentes del Sello Mecánico
Los Elementos Sellantes Secundarios se fabrican en
diversos materiales:
Fluoroelastomero (FKM)
Perfluoroelastomero (FFKM)
Nitrilo (NBR)
Grafito Flexible
Politetrafluoroetileno (PTFE)
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Componentes del Sello Mecánico
Componentes del Sello Mecánico
Resortes Helicoidales
Los resortes únicos de muelle helicoidal se fabrican en acero inoxidable
316 y los resortes múltiples de muelle helicoidal en Hastelloy C. Los
fuelles metálicos para alta temperatura se fabrican en Inconel 718 o
AM350 y los de baja temperatura en Hastelloy C-276
Fuelles Metálicos
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Componentes del Sello Mecánico
Sistema de arrastre Es el que se encarga de transmitir el movimiento rotacional
desde el eje hasta la cara rotativa. Los materiales de fabricación
dependen del producto bombeado, generalmente son acero
inoxidable 316 para el manejo de productos que no ataquen
químicamente los metales y Hastelloy C para el manejo de
productos agresivos
Componentes del Sello Mecánico
Asiento
El asiento es el anillo de desgaste removible instalado en la brida, si es
estacionario o en un adaptador en la camisa, si es rotativo.
Este anillo no provee flexibilidad al ensamble del sello, pero guía el
acomodamiento del anillo primario del cabezal de sello en los
movimientos axiales y radiales del equipo.
John Crane fabrica usualmente el asiento en materiales más durosque los del anillo Primario, los mas comunes son Carburo de Silicio
“Reaction Bonded” (RBSiC) o Carburo de Silicio Sinterizado (SSiC),
pero también se puede usar el Carburo de Tungsteno con unión de
Níquel (TC)
Los sellantes terciarios sellan los senderos de fugas que se producen
al instalar el asiento.
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Componentes del Sello Mecánico
Sellantes terciariosLos sellantes terciarios sellan los senderos de fugas que se producenal instalar el asiento en la brida con el sello estacionario.
Se tienen cuatro tipos básicos:
• O-rings (Elastómeros)
• Anillos de sección cuadrada o rectangular (PTFE, Grafito flexible)
• Anillos de Copa (Elastómeros)
• Empaques o juntas planas (PTFE, Fibras comprimidas)
Componentes del Sello Mecánico
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Principios de Funcionamiento
Película lubricante
Las caras de contacto del sello mecánico que se mueven una con
respecto a la otra y son empujadas por fuerzas axiales que dan como
resultado una presión entre ellas.
Esta presión se distribuye en el área de contacto en forma de cuña
y se conoce como una "cuña de presión".
Para asegurar el correcto desempeño de ambas caras, estas deben
estar separadas a una distancia menor a 0.001 mm., en este
espacio “la cuña de presión” forma una capa del fluido de proceso,
la cual permite lubricar y enfriar las caras evitando un desgasteexcesivo de las piezas, esta capa se conoce como “película
lubricante” y es el principio de funcionamiento del sellado primario.
Principios de Funcionamiento
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Principios de Funcionamiento
Aspectos a cubrir con el sellado primario
Al funcionar adecuadamente, el sellado primario debe cubrir dos
aspectos:
1. Retención de fluido.
2. Preservación de las superficies deslizantes por medio de la
película de lubricación interfacial.
La película de lubricación debe:
1. Estar siempre presente.
2. Ser estable.
3. Estar limpia, libre de abrasivos.
4. Mantener una viscosidad razonable.
5. Estar a temperatura controlada.
6. Tener una presión aceptable
Principios de Funcionamiento
Película lubricante
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Principios de Funcionamiento
Espesor de la película de lubricación interfacial
El espesor de la película dependerá de las condiciones de diseño del
sello mecánico, además de la forma y el acabado superficial de las
caras de contacto.
Si el espesor de la película es mayor al requerido por diseño, las fugas
del sello serán visibles, en caso contrario las caras entraran en
contacto generando un desgaste excesivo lo que a su vez generara
una falla prematura del sello.
Principios de Funcionamiento
Espesor de película de lubricación Interfacial ancha
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Principios de Funcionamiento
Espesor de película de lubricación Interfacial inexistente.
Principios de Funcionamiento
Balanceo hidráulico
El término balanceo hidráulico cuando se aplica a sellos
mecánicos sirve para describir la relación entre las presiones del
fluido que actúan axialmente en las áreas de contacto de las caras.
La presión hidráulica P actúa en todas las direcciones.Las fuerza axial debida a la presión hidráulica P actúa axialmentesobre un área denominada área de cierre Ac.
La fuerza que actúa sobre el área de cierre Ac se conoce comofuerza de cierre Fc. A esta fuerza se le opone otra fuerza axial llamada fuerza de
Apertura que actúa sobre el área anular de contacto entre la cara
rotativa y la estacionaria, conocida como área de apertura Aa.
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Principios de Funcionamiento
Fuerzas Axiales que intervienen en la cara de los sellos
Principios de Funcionamiento
Relación de Balanceo
La relación de Balanceo se define como el cociente entre el área
de cierre Ac y el área de apertura Aa.
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Principios de Funcionamiento
Sello no balanceadoEn un sello no balanceado, el área de cierre es mayor o igual al
área de apertura, lo cual permite que el área de contacto soporte la
fuerza de cierre.
Principios de Funcionamiento
Sello balanceado
El sello balanceado permite aliviar la presión entre las caras al
hacer mayor el área de apertura respecto al área de cierre, para lo
cual se requiere fabricar un escalón en la camisa o eje.
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Principios de Funcionamiento
Sellos de empuje Utilizan como elementos sellantes secundarios, empaques deslizantes
que se desplazan axialmente en la camisa o en el eje simultáneamente
con los movimientos del anillo primario.
Principios de Funcionamiento
Caras de contacto sello de empuje
En un sello de empuje las caras de contacto proporcionan el área
donde actúan las fuerzas de cierre y apertura.
Los sellos balanceados de empuje se recomiendan para el manejo de
productos volátiles
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Principios de Funcionamiento
Sellos de no empuje
Los sellos de no empuje se caracterizan por tener un fuelle que
puede ser elastomerico, de PTFE o metal.
El sellante secundario no se desplaza axialmente en la camisa o eje.
Principios de Funcionamiento
Sello de no empuje con balanceo inherente
Los sellos de no empuje con fuelle metálico se definen como
inherentemente balanceados a bajas presiones.
No requieren de escalón en el eje o camisa, por cuanto no existe un
diámetro definido físicamente.
El diámetro efectivo de balance se establece por la línea media del
fuelle.
El balanceo hidráulico no es constante, cambia con las variaciones de
la presión, la relación de balanceo se incrementa a mayor presión. Los sellos de fuelle metálico auto balanceados se presentan en dos
versiones :
• Para baja temperatura con O-ring de elastómero y fuelle de Hastelloy C
• Para alta temperatura con empaque de grafoil y fuelle de Inconel 718
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Principios de Funcionamiento
Sello de no empuje con balanceo inherente
.
Arreglos de Sellos Mecánicos
Arreglo de sellos sencillos
El arreglo de sellos sencillos está conformado por un solo sello
mecánico que puede montarse:
- Interiormente
- Exteriormente.
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Arreglos de Sellos Mecánicos
Sello sencillo de montaje interior
El sello se monta en el interior del equipo y se encuentra inmerso en
el líquido de operación.
La presión hidráulica se produce en el diámetro externo y la
atmosférica en el diámetro interno.
Arreglos de Sellos Mecánicos
Sello sencillo de montaje Exterior
El sello se instala fuera de la caja de sellado.
La presión hidráulica se produce en el diámetro interior y la
atmosférica en el diámetro externo
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Arreglos de Sellos Mecánicos
Arreglo de sellos dualesSon arreglos que están compuestos de dos juegos de caras
contactantes, y pueden ser dual no presurizado o dual presurizado.
Los arreglos de sellos duales no presurizados se usan en el manejo de
productos explosivos e inflamables y los arreglos de sellos duales
presurizados en el manejo de productos tóxicos, cancerígenos,
corrosivos y abrasivos.
Arreglos de Sellos Mecánicos
Arreglo dual no presurizadoEs un arreglo en el cual el sello interno es lubricado por el fluido
bombeado y el sello externo por un fluido amortiguador que recircula
con una presión ligeramente mayor a la atmosférica.
Debido a que la presión del proceso es mayor que la del fluido
amortiguador, las fugas normales van del proceso al fluido
amortiguador y de este a la atmósfera.
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Arreglos de Sellos Mecánicos
Arreglo dual presurizado
En este arreglo se hace recircular un fluido, denominado fluido de
barrera, a mayor presión que la del fluido de proceso.
En este caso, el fluido de barrera al tener una presión mayor, obliga a
que las fugas normales sean dirigidas hacia el proceso y la atmósfera .
Arreglos de Sellos Mecánicos
No Cartucho
El sello se instala en el equipo por componentes en forma
individual, puede incluir camisa y brida
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Arreglos de Sellos Mecánicos
Cartucho
El sello es una unidad auto contenida de sus componentes que incluye
además del sello y el asiento, la brida, la camisa, el collar de arrastre,
los espaciadores, etc.
El cartucho es pre ensamblado antes de la instalación
2Sistemas Soporte
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Sistemas Soporte
Temas a tratar1.- Sistemas de Lubricación y Enfriamiento del Sello
2.- Planes API
3.- Clasificación del los Planes API
4.- Planes de Circulación
5.- Planes Auxiliares
6.- Planes para Gases
La selección de un sello con materiales y características de diseño
adecuados no garantiza su buen funcionamiento.
Es necesario instalar sistemas para lubricar las caras de contacto
del sello y extraer el calor que en ellas se genera por el
deslizamiento de una contra la otra..
Lubricación y Enfriamiento
Sistemas de Lubricación y Enfriamiento del sello
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La American Petroleum Institute (API) conjuntamente con la
American Society of Mechanical Engineers (ASME) y la
International Standards Organization (ISO) crearon un sistema con
números para los diferentes métodos de lubricación y protección a
los sellos mecánicos, conocidos comúnmente como “Planes API”.
Cada organización adoptó una designación ligeramente diferente
para los planes.
Planes API
Método
Los planes API se desarrollaron inicialmente para la norma API 610,
Con creación de la norma API 682, se han agregado nuevos números
de los sistemas y otros han sufrido modificaciones (especificadas en las
normas API 682, 2da, 3ra Edición y 4ta Edición).
Planes API
Desarrollo
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Los planes API, aunque son muy importantes para los sellos
mecánicos, generalmente su funcionamiento es desconocido por
los usuarios
Los planes API se utilizan para proveer al sello del ambiente
apropiado dependiendo del tipo de equipo usado y del medio al que
el sello estará expuesto.
Planes API
Usos
Los diferentes tipos de planes API se pueden agrupar como:
- Planes de circulación
- Planes auxiliares
- Planes para gas.
Clasificación de los Planes API
Tipos de Planes API
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• Planes de circulación lubrican y enfrían las caras del sello
Evitar el roce en caras de contacto.
Lubricación
Disipar el calor generado en caras de contacto.
Enfriamiento
• Planes auxiliares protegen los sellos y controlan las emisiones
• Planes para gas lubrican, protegen y controlan las emisiones en lossellos secos.
Clasificación de los Planes API
Descripción de los Planes API
Planes de Circulación
Lubricación y EnfriamientoAPI ANSI ISO DESCRIPCIÓN GENERAL
01 7301 1 Recirculación interna desde la descarga de la bomba.
02 7302 0 Cavidad cerrada, sin recirculación.
11 7311 2 Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por un orificio.
12 7312 - - Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por un orificioy un filtro en “Y”.
13 7313 7 Recirculación de la cavidad de sellado a la succión de la bomba.
14 7314 - - Circulación desde la descarga a la cavidad de sellado pasando por una
placa orificio. Así mismo, circulación desde la caja de sellado a la succión.21 7321 - - Circulación desde la descarga pasando por un orificio y un enfriador a la
cavidad de sellado.
22 7322 - - Circulación desde la descarga pasando por un filtro en “Y”, orificio yenfriador a la cavidad de sellado.
23 7323 6 Recirculación desde un anillo de bombeo ubicado en la cavidad del sellopasando por un enfriador y regresando a la cavidad.
31 7331 4 Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por unseparador ciclónico.
32 7332 8 Inyección de fuente externa a la cavidad de sellado.
41 7341 - - Circulación de la descarga a la cavidad de sellado pasando por separadorciclónico y un enfriador.
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Planes de Circulación
Descripción Planes de Lubricación y Enfriamiento
FLUIDO BOMBEADO FUNCIÓN PLANES API
Fluido Limpio
Lubricación
01, 11, 12, 13, 14
Fluidos a Temperatura Lubricación y Enfriamiento 02, 21, 22, 23
Fluidos Abrasivos
Lubricación
03, 31, 32
Fluidos Abrasivos a Temperatura Lubricación y Enfriamiento 41
Planes de Circulación
Fluidos Limpios
Son todos aquellos que no solo están exentos de impurezas o
suciedades, sino que también son capaces de lubricar y enfriar al sello
mecánico, por tanto, lo único que se requiere es proporcionarle al
fluido limpio una circulación hacia el sello.
Los Planes para líquidos limpios son:
- Plan 01
- Plan 11- Plan 12
- Plan 13
- Plan 14
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Planes de Circulación
Fluidos Limpios
Planes de Circulación
Fluidos a Alta Temperatura
Son todos aquellos donde la temperatura es la condición problema.
Cuando a la temperatura de bombeo el líquido no es estable y tiende a
vaporizarse al llegar a las caras de contacto, se crean tres problemas
básicos:
- Perdida de lubricación interfacial
- Descomposición del producto
- Inseguridad.
Los Planes para líquidos a temperatura son:- Plan 02
- Plan 21
- Plan 22
- Plan 23
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Planes de Circulación
Fluidos a Alta Temperatura
Planes de Circulación
Fluidos AbrasivosSon todos aquellos que contienen partículas que efectúan una acción
erosiva o abrasiva entre las caras y aceleran su desgaste.
Para combatir una condición abrasiva debe conocerse ante todo el
origen del abrasivo.
Se conocen cuatro categorías distintas:
- Térmica.
- Por Contacto Atmosférico.
- Inherentes.- Sólidos en suspensión.
Los Planes API para líquidos abrasivos son:
- Plan 03
- Plan 31
- Plan 32
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Planes de Circulación
Fluidos Abrasivos
Planes de Circulación
Fluidos Abrasivos a alta Temperatura
Son todos aquellos líquidos a altas temperaturas que contienen partículas
abrasivas en forma de sólidos en suspensión.
El Plan para líquidos abrasivos a alta temperatura es
- Plan 41
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Planes de Circulación
Fluidos Abrasivos a alta Temperatura
Planes Auxiliares
Protección y Control de Emisiones
API ANSI ISO DESCRIPCIÓN GENERAL
52 7352 10 Circulación forzada en un reservorio no presurizado externamente.
53A* 7353 11 Circulación forzada en un reservorio presurizado externamente.
53B* - - - - - - Circulación forzada presurizada externamente en un reservorio tipoacumulador de vejiga. Se conocía como plan 53 modificado.
53C* - - - - 12 Circulación forzada presurizada externamente en un reservorio tipopistón. Se conocía como plan 53 modificado.
54 7354 9 Circulación de fluido limpio presurizado de fuente externa.
61 7361 - - Conexiones lado atmosférico taponadas.
62 7362 08b Fluido para sofoque (Quench) de fuente externa.
65 ** 7365 -- Recolector de fugas líquidas en sellos sencillos.
* Planes renumerados como resultado de la norma API 682 (2da Edición).** Planes renumerados como resultado de la norma API 682 (3ra Edición).
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Planes Auxiliares
Fluidos Peligrosos
Todos aquellos líquidos que por su condición ofrecen riesgos materiales
y/o humanos se categorizan como peligrosos y varían su peligrosidad
dependiendo de la dosis o concentración en que son manejados, por lo
que el sistema de sellado a aplicar depende del grado de peligrosidad de
dicho fluido.
Generalmente el sistema de sellado es un arreglo dual no presurizado
líquidos peligrosos de baja concentración y presurizado para líquidos
peligrosos de alta concentración.
Los Planes para líquidos Peligrosos son los planes auxiliares:
- Plan 52
- Plan 53A- Plan 53B
- Plan 53C
- Plan 54
- Plan 55
Planes Auxiliares
Fluidos Peligrosos
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Planes Auxiliares
Manejo de Emisiones
Cuando se tienen arreglos de sellos sencillos, en algunos casos se
requiere contar con un sistema que permita realizar el sofoque, lavado y/o
el control de emisiones de las fugas normales.
Estos planes auxiliares son:
- Plan 61
- Plan 62
- Plan 65A
- Plan 65B
- Plan 66A
- Plan 66B
Planes Auxiliares
Manejo de Emisiones
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Planes para Gases
Lubricación, Protección y Control en Sellos secos
API ANSI ISO DESCRIPCIÓN GENERAL
71* - - - - - - Conexiones taponadas. Usualmente para planes 72, 75, 76.
72* 7372 - - Gas amortiguador externo para sellos contenedoressecundarios.
74* - - - - - - Gas de barrera presurizado para sellos duales de gas.
75* - - - - - - Drenaje para el condensado de las fugas en selloscontenedores secundarios.
76* - - - - - - Drenaje para fugas no condensadas en selloscontenedores secundarios.
* Nuevos planes según la norma API 682 (2da Edición)Los estándares ISO y ASME no están sincronizados con los estándares del nuevo API.
Planes para Gases
Manejo de Fluidos Gaseosos
En la actualidad se cuenta con sellos mecánicos que pueden operar
con fluidos gaseosos para la lubricación y Protección. Estos sellos
pueden ser de caras contactantes o no contactantes, presurizados o
no presurizados, con o sin inyección de gas.
Los Planes para fluidos gaseosos son los siguientes planes
auxiliares:
- Plan 71- Plan 72
- Plan 74
- Plan 75
- Plan 76
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Planes para Gases
Manejo de Fluidos Gaseosos
En la actualidad se cuenta con sellos mecánicos que pueden operar
con fluidos gaseosos para la lubricación y Protección. Estos sellos
pueden ser de caras contactantes o no contactantes, presurizados o
no presurizados, con o sin inyección de gas.
Los Planes para fluidos gaseosos son los siguientes planes
auxiliares:
- Plan 71
- Plan 72
- Plan 74
- Plan 75
- Plan 76
Planes para Gases
Manejo de Fluidos Gaseosos
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