Materiales de los Sellos Mecánicos

Materiales de los Sellos Mecánicos FSA Knowledge Series

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Extracto A continuación la FSA presenta dentro su Serie de Entrenamientos una revisión de los materiales utilizados en los anillos primarios y Asientos de los sellos mecánicos. Esto incluye: ​

3

▪

Materiales mas communes

▪ ▪

​Características y Propiedades Consideraciones especificas de la aplicación

Causas de falla de los sellos mecánicos ▪

Se estima que los materiales de las caras del sello contribuyen a menos del 9% de todas las fallas de sello.

▪

Una parte significativa de esas fallas está asociada con la selección inadecuada de materiales para la aplicación, no con los materiales en sí.

9%

8% 40%

19% 24% Operacion del sistema Diseňo del sistema Otras 4

Mecanicas Componentes del sello

Basado en datos publicados de “terceras partes”

Aspectos generales de los Materiales 5

Materiales de las Caras

6

▪

Carbón

▪

Cerámicos

▪

Carburo de Tungsteno

▪

Carburo de Silicio

▪

Otros

Carbón: Materia Prima Materia Prima

7

Relleno (20-80%)

–

Grafito Natural, Grafito sintético, Coke base de petróleo, negro de humo

Aglutinante (15-50%)

–

Resinas sintéticas, Brea de alquitrán de carbón, Petróleo, Metales, Carbohidratos

Aditivos (0-10%)

–

Formadores de película, Abrasivos, Antioxidantes, grafitos.

Carbón: Generalidades del proceso Materia Prima

Molino

Lotes

Mezcla

Clasificacion de la mezcla

Impregnado

Horno Moldeado

8

Maquinado

Impregnado

Laspeado y Pulido

Inspección y Empaque

Efecto de la composición en las características físicas

Densidad

Limite de Temp

Dureza

Conductividad T

Carbón

Grafito/ Carbón

Mejora la Resistencia Química 9

Grafito

Flexibilidad

Modulo de Rigidez

Efecto de la impregnación en las características físicas

Densidad

10

Limite de Temp

Conductividad T

Dureza

Flexibilidad

Modulo de Rigidez

Carbón: Efectos de la impregnación en la tribología

8 7 6 5 4 3 2 1 0

0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00

Impregnation Radio de Desgaste 11

Friccion

Friccion

Radio de Desgaste (x10-9)

Carbón-Grafito (70:30) 375 psi de contacto, 75 fpm, sobre un aro de SAE 4620

Carbón: Efectos de la corrida ▪ Torqu e (lb s)

Temp de l Sel lo (°C)

Carbon-Grafito vs Sil Carbide 181 psi de contacto; 1820 fpm; 115F

▪ Tiemp o (hrs)

Carbon-Grafito vs Sil Carbide 181 psi de contacto; 1820 fpm; 115F

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Torqu e (lb s)

Temp de l Sel lo (°C)

▪

Tiemp o (hrs)

▪

El período de rodamiento está asociado con todos las caras de sellos de contacto después de una condición de estado estable.

Esta condición es afectada por: ▪ Planitud en las dos caras ▪ Acabado en la superficie de las caras ▪ Presión de contacto ▪ Temperatura ▪ El fluido Mas cantidad de elementos de grafito va a liberar mas cantidad de material a la cara mas dura.

La falta de lubricación durante el rodaje (es decir, girar en seco) tenderá a exagerar la gravedad de esta condición.

Mechanical Carbón: Materials Selection

Impregnación

Servicio

Resina Termo Estable

Servicio General a 260°C / 500°F en agua, refrigerantes, combustibles, aceites, soluciones químicas ligeras, alimentos y medicinas.

Carbón

Ambientes altamente corrosivos

Antimonio

Vapor, Hidrocarburos livianos, Servicio Pesado

Formados de película (Fluoruros etc.)

Para rodaje en seco, Criogénicos, Vacío

Alta temperatura y velocidad, Aplicación de Inhibidores de Oxidación (Fosfatos etc.) turbinas hasta 245 m/s / 800 ft/sec. y 540°C / 1000°F

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Condiciones donde el material de carbón no debe ser usado ▪ Ciertos químicos oxidantes ▪ Temperaturas elevados mayores a 650°C / 1200°F con presencia de oxigeno.

▪ Presencia de abrasivos.

▪ Contacto en seco (Gas no absorbible) en ausencia de formadores de película.

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Gas Seco

Acuoso Aceite/Solven

Carbón

Condiciones fundamentales para la una satisfactoria operación del carbon ▪ Presencia de gas absorbible ▪ Selección apropiada del material del carbón ▪ Preparación adecuada de la superficie de contacto ▪ Selección apropiada del material del asiento

Grafito

Carbón: Selección de materiales

Cryogenic

200

600

800

Temperatura °F

1000

Carbón: Limites de presión de contacto en las caras 600 500

Limite de presion en las caras (PSI)

400 300 200 100 0 Aire, Metano, Vapor, Dioxido de Carbono, etc.

Agua, Gasolina, Metanol, Keroseno

Aceites Livianos

Materiales de las Caras: Aplicación de tipos de grados de material Recomendación para los tipos de grados de material ▪ Condiciones de la aplicación ▪ Analiza “Combinan los materiales” ▪ Considera materiales actualmente presentes en la aplicación.

▪ Los materiales presentes funcionan?

▪ Problemas con la aplicación actual?

▪ Costo de los materiales actuales

▪ Cantidades de compra de los materiales actuales ▪ Requisitos para la evaluación de los nuevos materiales ▪ Información adicional de la aplicación.

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Materiales de las Caras: Combinaciones Típicas Aplicaciones de hidrocarburos livianos y pesados.

▪

Carbón Impregnado con Antimonio vs Carburo de Silicio “Reaction Bonded”

Aplicaciones Altamente Corrosivas ▪

Carbón de Grafito impregnado vs Carburo de Silicio “Sinterizado”

Aplicaciones con Vapor ▪

Carbón de Grafito impregnado vs. Carburo de Silicio “Reaction Bonded”

▪

Carbón Impregnado con Antimonio vs. Carburo de Silicio “Reaction Bonded”

Aplicaciones de Agua Caliente ▪

Carbón de Grafito impregnado vs. Carburo de Silicio “Reaction Bonded”

Aplicaciones de Gas ▪ Carbón Impregnado con Antimonio vs. Carburo de Silicio “Reaction Bonded” 17

Materiales de las Caras: Aplicaciones Materiales Tribología • Lubricidad • Resistente a la corrosión • Resistente a la abrasión • Rígido • Resistente a la corrosión • Alto Desempeño (P-V) • Duro • Resistente a la abrasión • Rígido • Resistente a la abrasión • Rígido

• Abrasión

Metal

• Fácil Fabricación

• Bajo Desempeño

Recubrimientos

• Aplicable a varios materiales

• Se puede des laminar • Se desgasta

Carbón de Grafito

Carburo de Silicio

Carburo de Tungsteno Alúmina

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Desventaja

• Frágil

• Corrosión • Choque Térmico

Not Self Lubricating

Ventaja

Alúmina: Procesamiento Materia Prima

Alúmina, Cerámica , aglutinantes

Preparación del polvo

Molino húmedo, Atomizado en seco

Compactado

Comprimido en seco, Iso-Procesamiento, Extrusión, CIM

Solidificación

Sinterizado de alta temp, 1440 -1650°C

Rectificado con diamante

DE, rectificado, rectificado de cara, lapeado y pulido

Inspección y empaque 19

Inspección y empaque

Alúmina: Opciones 99.5% Alúmina Blanca

97% Alúmina Blanca

96% Alúmina Marrón

88% Alúmina Rosada

Superior Resistencia Química

Servicio General

Ejes de Bombas, Rodamientos, y Caras de Sellos

Aplicaciones Medicas

% de perdida de peso después de 6 días a 90°C

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Niv el de Pureza de la Alúmina

Alúmina: Características Características Principales ▪ Excepcionalmente resistente.

▪ Excelente resistencia a la abrasión ▪ Alta resistencia a la tensión y flexión ▪ Alta densidad, no es poroso y es aglomerado al vacío.

▪ Excelente estabilidad en un rango de temperatura amplio.

▪ Resistente a ataque químico en niveles de mayor pureza.

21

Carburo de Tungsteno: Procesamiento Materia Prima

Carburo de Tungsteno, Aglutinantes, metalicos

Formado compacto

Comprimido en seco, Iso-Procesamiento

Solidificación

Sinterizado de alta temp, >2,000°C

Rectificado con diamante

DE, rectificado, rectificado de cara, lapeado

y pulido Inspección y empaque

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Inspección y empaque

Carburo de Tungsteno: Tipos de Materiales Considerado un carburo cementado

Cero Resistencia

El aglutinante determina la resistencia a la corrosión: ▪

Cobalt Bound – Menos resistente a la corrosión

▪

Nickel Bound – Preferido para la mayoría de las aplicaciones sellado (6% Binder)

▪

23

Ti-N Bound – Mayor resistencia a la corrosión.

Baja Resistencia

Resistente

Alta Resistencia

Carburo de Tungsteno: Características Características Principales ▪ Resistente (no es fragil)

▪ Excelente resistencia al desgaste ▪ Excelente resistencia a la abrasión ▪ Alta resistencia a la tensión y flexión ▪ Denso, no es poroso y es aglomerado al vacío

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Carburo de Silicio: Procesamiento Materia Prima

Carburo de Silicio, Carbón, aglutinantes

Preparación del polvo

Atomizado en seco

Formado compacto

Comprimido en seco, Iso-Procesamiento

Solidificación

Sinterizado de alta temp, >2,000°C

Rectificado con diamante

DE, rectificado, rectificado de cara, lapeado y pulido

Inspección y empaque

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Inspección y empaque

Carburo de Silicio: Reaction Bonded Reaction Bonded SiC (SiSiC) • SiC + C + Si  SiC + SiC

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Carburo de Silicio

Silicon

Carburo de Silicio: Reaction Bonded + Grafito Carburo de Silicio Reaction Bonded con Grafito (SiSiC-G) • SiC + C + Si  SiC

Carburo de Silicio

Silicon

Grafito

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Carburo de Silicio: Self Sintered Self Sintered SiC (SiC)

Lapeado 28

Pulido

Materiales de las Caras: Incrementando el Desempeño ▪ Mejora del rendimiento en condiciones de pobre lubricación.

▪ Capacidad de supervivencia en condiciones de rodaje en seco.

▪ Factor Presión-Velocidad (P·V) mejorado con combinaciones de caras duras.

▪ Resistencia a choque térmico.

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Materiales de las Caras: Tribología Mejorada ▪ La rugosidad de las caras es clave para los materiales con caras duras.

▪ Efectos Externos ▪ Lapeado Mate (0.18-0.33 μm / 7 - 13 μin Ra) mejora temporalmente el desempeño de las caras al alterar su superficie.

▪ Acabado inherentemente mas rugoso agregando un compuesto.

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Carburo de Silicio: Sintered SiC + Grafito

Matriz Uniforme

Interfaz bien enlazada

Aglomerado denso de Grafito

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Resistencia al Choque Termico Choque Térmico Relativo (En una cubeta con agua a temperatura ambiente)

Grafito

Temperatura (°C) 32

La topografía de la cara controlada, junto con una mejor conductividad térmica, mejoran la capacidad de contacto en combinaciones de caras duras con aglutinante de grafito.

Coeficiente de Fricción

Capacidad del Presión-Velocidad (P·V) Mejorada

Presión de la Caja de Sellado (BAR)

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¡GRACIAS!

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