Fundamentos del sello Principios de Operación Básicos

Fundamentos del sello Principios de Operación Básicos FSA Knowledge Series

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Resumen (Principios de funcionamiento de los sellos mecánicos lubricados por liquido) Esta serie de entrenamientos presentados por la Fluid Sealing Association (FSA) proporciona una introducción a la operación y construcción básica de sellos mecánicos. Esta sección incluye:

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▪

Elementos esenciales de los sellos mecánicos.

▪ ▪

Fuerzas efectivas en el sello mecánico.

Rata de fuga de un sello mecánico lubricado por liquido.

▪

Consumo de energía de un sello mecánico lubricado por liquido.

▪

Regímenes de lubricación de los sellos mecánicos.

▪

Balance del Sello.

Elementos esenciales de un sello mecánico.

▪

Caras de sellado: Una rotando con el eje y la otra estacionaria en la carcaza de la bomba, caja de sellado o brida.

▪

Sello secundario: Una para sellar la cara que gira con el eje y otra para sellar la cara estacionaria con la carcaza de la bomba o brida.

▪

Partes metálicas: Transmiten torque y proveen fuerza axial para comprimir las caras de sellado.

Brida Caja de sellado Collar de arrastre

O-ring estacionaria

Cara estacionaria

Tornillos de fijación Cara rotativa

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Pin de arrastre

Resorte

O-ring rotativa

Requisitos esenciales para el correcto funcionamiento de un sello mecánico Requisitos esenciales para el correcto funcionamiento de un sello mecánico

▪

Las caras de sellado deben ser planas y pulidas.

▪

Las caras de sellado deben instalarse perpendicular al eje.

▪

La fuerza del (los) resorte debe ser suficiente para mantener contacto entre las caras de sellado.

Rugosidad 10 μm Maquin ado de pre cisión

% de Áre a de Contacto 4 %

5

5 μm Lijad o

1 μm Lap eado

0.1 μm Pulid o

12 %

40 %

95 %

Grado de rugosidad en relación con el % de contacto

The Fluid in the Pump and Seal Area Funcionamiento del Sello

Fluido de proceso/barrera lubrica y enfría las caras de sellado

Enfriamiento

Fluido

Lubricación

Eje

Typical Pump Cross-section

Compromete desgaste y fuga

Puntos Claves: El fluido entra en contacto con las caras del sello, en partes de áreas abiertas, en espacios muy pequeños del sello y en la salida de las caras de sellado. La presión y temperatura del fluido dependerá de su ubicación y determinará su estado respectivo, es decir, liquido, gas solido o mezcla.

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Algunos hechos sobre el comportamiento de la fuga (y desgaste) en sellos mecánicos de contacto ▪ ▪

▪ ▪ ▪ ▪ ▪ 7

Es esencial para una adecuada lubricación y poco desgaste de las caras.

Las ratas de fugas normales oscilan entre goteos casi imperceptibles a constantes y a veces son goteos temporales. Algunos sellos gotean de vez en cuando, algunos nunca gotean y otro gotean todo el tiempo. Los patrones de fuga puede ser de naturaleza constante, progresiva o errática.

Puede ser en estado liquido, gaseoso y/o solido.

Los sellos tienden a tener un contacto exitoso cuando presentan poco desgaste y baja rata de fuga.

Se necesita contacto para obtener baja rata de fuga. Con poco contacto (hidrostático o hidrodinámico) tienden a tener mayores ratas de fuga mucho mayores y usualmente visibles.

La gran mayoría de los sellos nunca se desgastan completamente y son removidos para servicio por alguna otra razón.

Las fallas de sellos ocurren por una amplia gama de razones. Algunas fallas son producto de una interacción de la tribología fluido

Fuerzas efectivas en el Sello Mecánico.

▪ ▪ ▪

Fuerzas axiales y radiales.

Fuerzas de apertura y cierre.

Fuerzas hidrostáticas e hidrodinámicas.

P1

h

ΔP

ΔP

ΔP

(2)

(3)

(4)

(5)

Ao Ac Ao

Ac FSpring

P0

(1)

FSpring P1

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Ac = Área cargada hidráulicamente Ao = Área de contacto P1 = Presión de sellado P0 = Presión en el lado atmosférico de la cara de sellado

(1) Fuerzas de cierre por resorte e hidráulicas (2) Espesor de la película de lubricación (3) Curva de presión cuando la bomba esta en condición estática.

(4) Caída de presión lineal (5) Curva de presión con el componente hidrodinámico

Fugas del sello mecánico lubricado con liquido. 𝝅 𝒉𝟑𝚫𝑷 𝑸= 𝒓 𝟔 𝝁 𝒍𝒏 𝟎 𝒓𝒊

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Punto Clave: La rata de fuga Q depende fuertemente del espesor de la película de lubricación h

▪

La fuga genera la película de lubricación que evita que el sello mecánico se sobre caliente. Por lo que para mantener una fuga aceptable (Q), es requerido un espesor de película de lubricación adecuado.

▪

El espesor de la película de lubricación es determinado por diferentes factores: Materiales, Calidad de manufactura, régimen de lubricación, distorsión en las caras.

▪

La rata de fuga de los sellos de contacto es también influenciada por otros factores relacionados con el equipo rotativo, como por ejemplo el “run out” y los niveles de vibración.

Consumo de energía del sello mecánico lubricado con liquido.

Generación de calor y disipación.

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▪

Fricción en las caras, agitación y transferencia de calor (heat soak).

▪

“Flush” para disipar el calor en la película de lubricación.

▪

El coeficiente de fricción puede variar considerablemente durante operaciones transitorias.

▪

La clave es mantener el perfil de la película de lubricación tan paralela como sea posible, como por ejemplo para minimizar la distorsión.

Transferencia de calor del fluido caliente

Calor de la agitación de las partes rotativas

Flujo del “Flush”

Generación de calor en las caras

Típicamente el Flush requerido es basado en un máximo de ΔT de 20F

𝑭𝒏𝒆𝒕 = Fuerza de contacto neta 𝒇𝒄 = Coeficiente de fricción 𝒗𝒈 = Velocidad de deslizamiento.

H = Calor por fricción.

𝑯 = 𝑭𝒏𝒆𝒕 · 𝒇𝒄 · 𝒗𝒈

Lubrication Regimes F

F

F

V

V

V

1.00 Fricción de Contacto Solid Friction Solido

LubricaciónLubrication Hidrodinámica Hydrodynamic

Combinado Mixed

de fricción Coeficiente Friction Coefficient

0.50 0.30 0.20 0.10

𝑮=

0.05

(Viscosidad de la película ) x ( Velocidad de rozamiento ) (Radio de balance de la fuerza) x (Presión diferencial )

0.03 0.02 0.01 1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

Sealde Duty Parameter Parámetro servicio del sello

El parámetro de servicio es una herramienta para evaluar la severidad de una aplicación y el comportamiento de fuga esperado de un sello mecánico. Es una unidad adimensional para la caracterización tribológica de las condiciones de operación de un sello mecánico.

Tamaño del sello o diámetro de eje

50 mm (2.000”) 11

Relación de Balanceo

1.1 0.7

Presión sellada

0.5 MPag (72 psig)

Velocidad del eje

Fluido

Viscosidad Dinámica

Parámetro de servicio G

Rata de fuga teórica Q

1500 RPM

Water

0.47 cP

1.5E-8

0.4 ml/hr

3000 RPM

ISO VG 46 Oil

17.2 cP

1.5E-6

11.3 ml/hr

Balance del Sello ▪ ▪ ▪ ▪

Para reducir la carga axial en las caras lo que permite sellar a altas presiones , como por ejemplo hasta 200 Barg/3000 psig en ambas caras de contacto.

El radio (k) de 2 áreas geométricas: La de cierre (Ac) y el área de apertura (Ao) Para sellos no balanceados k ≥ 1 Para sellos balanceados k ≤ 1 k>1 Ao

Ac

Presión OD Diámetro de balanceados

Diámetro de balanceados efectivo

Presión ID Diámetro de balanceados

sellos no balanceados

Presión OD Diámetro de balanceados

Ao Ac

Diámetro de balanceados del sello de fuelle

Sello doble balanceados

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k<1 Presión OD Diámetro de balanceados

sellos balanceados

¡GRACIAS!

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