Sellado secundario en sellos mecánicos

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Sellado secundario en sellos mecánicos

FSA Knowledge Series

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© (April, 2023), Fluid Sealing Association. All Rights Reserved.

Sellos secundarios

Elastómeros

Resumen

▪ Esta presentación de capacitación de la Fluid Sealing Association Knowledge

Series presenta sellos secundarios. Los sellos secundarios son los elementos de sellado entre las caras rotativas y estacionarias que son accionadas por el eje y los componentes de la brida y alojamientos. Una descripción se proporciona en:

• Parámetros de diseño del sello secundario

• Material del elastómero / PTFE y opciones de configuración (incluyendo anillos de respaldo)

• Modos comunes de fallas en los sellos secundarios

• Opciones de material termoplástico y otros

Componentes Básicos del Sello Mecánico

Ensamble rotativo

Anillo Primario Rotativo

Asiento estacionario

Brida
O-rings Elastoméricos
Camisa
Collar

O-Ring in Groove

Lado de alta presión

Espesor de ranura

Lado de Baja presión

D.E. de ranura
DI de ranura
Espacio de extrusión

Parámetros de diseño del o-ring de elastómero

▪ Ranura / Geometría del O-ring

▪ Estiramiento instalado

▪ Compresión instalada / Deformación (Squeeze)

▪ Relleno de la cavidad

▪ Espacio de extrusión

▪ Propiedades físicas

▪ Dureza del O-ring / Durómetro

▪ Coeficiente de Expansión Térmica (CET)

▪ Hinchamiento químico

▪ Set de compresión

Estiramiento de O-Ring

▪ Ejemplo: AS-568226 2.000”

Diámetro interno nominal del O-ring.

▪ Cambios de la sección transversal del o-ring en relación no lineal con el estiramiento.

▪ El estiramiento excesivo puede causar roturas o follar al o-ring debido a las elevados esfuerzos internos (efecto Gow-Joule).

Compresión Instalada / Deformación (Squeeze)

▪ La deformación (Squeeze) se requiere para que el o-ring selle efectivamente

▪ Deformación típica:

▪ 10 – 15% para O-rings estáticos

▪ 5% - 10% para O-rings dinámicos

▪ Depende de la sección transversal, tolerancias del o-ring y de la ranura.

▪ Los diseños especializados podrían desviarse de estos números típicos.

Relleno de la Cavidad

▪ El porcentaje de volumen libre o relleno de la cavidad de un o-ring se ve afectado por el crecimiento térmico e hinchamiento químico en operación.

▪ El rango de llenado normal es altamente dependiente del diseño.

▪ Las condiciones de alto llenado pueden limitar la capacidad del o-ring para flexionarse o moverse según sea requerido.

▪ Un llenado excesivo puede causar una falla del sello a través de:

▪ Extrusión del O-ring

▪ Falla del componente debido al alto esfuerzo.

Coeficiente lineal de expansión térmica (CTE) (77-485°F)

▪ Los elastómeros crecen a una tasa sustancialmente más alta que los aceros o las cerámicas, lo que resulta en un aumento efectivo de la compresión y una reducción en el volumen libre

▪ Perfluoroelastomero (FFKM) ~ 300 x 10-6 m/m/°C (170 x 10-6 in/in/°F)

Fluorocarbono (FKM) ~ 170 x 10-6 m/m/°C (95 x 10-6 in/in/°F)

Etileno Propileno (EPDM) ~ 160 x 10-6 m/m/°C (89 x 10-6 in/in/°F)

Nitrilo (NBR) ~ 110 x 10-6 m/m/°C (62 x 10-6 in/in/°F)

▪ Acero inoxidable ~ 16 x 10-6 m/m/°C (9 x 10-6 in/in/°F)

Materiales de elastómero

▪ NBR – Nitrilo

▪ HNBR – Nitrilo hidrogenado

▪ EPR/EPDM – Etileno propileno

▪ FKM – Fluorocarbono (Viton®)

▪ FEPM – Etileno Propileno Fluorinado (Fluoraz®, Aflas®)

▪ FFKM – Perfluoroelastomero (Chemraz®, Kalrez®)

▪ Chloroprene (Neoprene®)

Viton ® is a registered trademark of Chemours

Neoprene ® and Kalrez ® are registered trademarks of DuPont Performance Elastomers

Aflas ® is a registered trademark of Asahi Glass Company, Limited

Fluoraz ® and Chemraz ® are registered trademarks of Greene Tweed & Co.

Materiales de elastómero – NBR

Exhibe buena compresión, resistencia al desgarro y abrasion.

Usar en Evitar uso en Fluidos a base de petróleo, agua, fluidos de silicona, etilenglicoles

Éster de fosfato, vapor, hidrocarburos halogenados, cetonas, ácidos, líquidos de frenos, ozono y H2S

Butadiene

"Vulnerable" double covalent bond

Electronegative Nitrogen (Polar –ve)

Acrylonitrile

Materiales de elastómero– HNBR (Nitrilo hidrogenado)

Mejor resistencia a altas temperaturas y sustancias químicas que el nitrilo estándar.

Todavía exhibe buena compresión, resistencia al desgarro y a la abrasión.

Usar en Evitar uso en

Aceites minerales y grasas; ácido

diluido, caustica, H2S y aminas

"Vulnerable" double covalent bond replaced with hydrogen

HC aromático, HC clorado, cetonas, alta

concentración de H2S

Materiales de Elastómeros – EPR/EPDM (Etileno propileno)

Excelente compresión y resistencia, rango limitado de temperatura.

Usar en Evitar uso en

Agua/vapor, acetona, ácidos diluidos y causticas, cetonas

Aceite mineral, solventes, HC aromático

Materiales de Elastómero – FKM (Fluorocarbono)

Excelente resistencia a altas temperaturas con buena resistencia química y buenas propiedades de compresión.

Usar en Evitar uso en

Aceites minerales, algunos ácidos y bases, HC, bajas concentraciones de H2S

Aminas, cetonas, vapor, y ácidos seleccionados

Vinylidene

Fluoride

Hexafluoropropylene

Materiales de Elastómero – FEPM

Excelente resistencia térmica y química.

Usar en Evitar uso en Agua/vapor, aceites minerales, aceites térmicos, fluidos hidráulicos, H2S hasta 35%, aminas, radiación

Hidrocarburos Aromáticos, HC clorado, cetonas, acetona

Materiales de Elastómero –

Mayor resistencia térmica y química.

Usar en Evitar uso en

Agua/vapor, aceites minerales, aceites térmicos, fluidos hidráulicos, productos químicos agresivos

Disolventes perfluorados y metales alcalinos

Desempeño relativo de los elastómeros

NBR FKM

Dureza

Compatibilidad

Química

Dureza

Compatibilidad

Química

Compatibilidad

Química

Dureza

Soluciones de Sellado de Alto Rendimiento – O-rings

▪ Ventajas

▪ Relativamente fácil de diseñar

▪ Sellos efectivos

▪ Económico

▪ Disponibilidad

▪ Desventajas

▪ Temperatura (alta / baja)

▪ Presión de Servicio

▪ Uso dinámico limitado

Soluciones de Sellado de Alto Rendimiento

▪ Ventajas

▪ Más fácil de instalar

▪ Menos posibilidades de daño en espiral

▪ Desventajas

▪ Ranura no estándar

▪ Menos espacio para la expansión

▪ Ventajas

▪ Menor fricción

▪ Bidireccional

▪ Desventajas

▪ El estiramiento afecta el rendimiento

▪ Más propenso a mordisquear

▪ Pobre disponibilidad Quadring

Soluciones de Sellado de Alto Rendimiento Anillos de respaldo

Reduce la brecha de extrusión para aplicaciones de alta presión

Componente de Anillo de respaldo

Elastómero
Presión

Soluciones de Sellado de Alto Rendimiento Anillos de respaldo

Variaciones de diseño

Presión
Corte recto
Concavo Angulado
Presión

Soluciones de Sellado de Alto Rendimiento Sellos de PTFE energizados

Ventajas

▪ Químicamente inerte

▪ Baja fuga y fricción de carrera

▪ Amplia gama de temperaturas utilizables (-270 °C to 315°C) (- 450°F to

▪ Mecanizado de precisión

Desventajas

▪ Acabados de superficie mas finos

▪ Debe ser presurizado

▪ Unidireccional

▪ Resorte metálico expuesto al fluido

Soluciones de Sellado de Alto Rendimiento Sellos de PTFE energizados

Soluciones de ingeniería personalizadas

Sellado Bidireccional

▪ Bridas altas y estrechas

▪ Presión/Movimiento extremos

▪ Instalación a ciegas

Sellos secundarios

Modos de falla

Modos comunes de falla del sello de elastómero

▪ Instalación

▪ Falla espiral

▪ Set de compresión

▪ Ataque Químico

▪ Polimerización

▪ Daños por Extrusión/Mordisqueado

▪ Degradación térmica

▪ Descompresión rápida de Gas (Explosivo)

* Se reconoce que esta lista no incluye todo, pero abarca los modos de falla más comunes observados en la industria petroquímica.

Modos comunes de falla del sello

Daño por instalación

▪ Corte del sello durante la instalación

▪ El o-ring debe resultar en:

▪ Perdida de material y posibles caminos de fuga

▪ Vida útil muy corta

Modos comunes de falla del sello

Fallas espiral

Identificadores:

▪ Cortes en espiral en elastómero

▪ El O-ring está torcido

▪ Las líneas del molde de del o-ring siguen un patrón en espiral alrededor del sello

Causas:

▪ Inadecuada lubricación durante la instalación

▪ La instalación hace que el o-ring se pellizque y ruede

▪ Deformación desigual del o-ring

▪ Movimiento dinámico

▪ Fuera de perpendicularidad

Recomendaciones:

▪ Use adecuada lubricación y cuidado

▪ Use elastómeros con mayor dureza

▪ Compruebe la deviación radial de los componentes

▪ Use un diseño de sello alternativo

Modos comunes de falla del sello

Set de compresión / Relajación del estrés

Identificadores:

▪ Sección transversal plana que corresponde a las superficies de sellado.

Causas:

▪ Diseño inadecuado de la brida

▪ Temperatura excesiva

▪ Medios Incompatibles

▪ Curado incompleto del o-ring

▪ Largo tiempo en estado comprimido

Recomendaciones:

▪ Verificar la deformación del o-ring (tener en cuenta el hinchamiento)

▪ Reducir la temperatura del sistema

▪ Asegurar el compuesto correcto para la aplicación

Modos comunes de falla del sello

▪ Recuperación del sello después de ser comprimido

▪ Resultados en fuerza de sellado reducida

Cantidad de Compresión

FUERZA

Conjunto de compresión + TIEMPO

Modos comunes de falla del sello

Ataque químico

Identificadores:

▪ Hinchazón

▪ Endurecimiento

▪ Ampollas/Burbujas

▪ Degradación visual en el lado del proceso

Causas:

▪ Elastómero y fluido proceso incompatible (a temp.)

Recomendaciones:

▪ Evaluar la sección de o-ring

▪ Bajar la temperatura del sistema

▪ Sello de PTFE energizado

Modos comunes de falla del sello

Polimerización

Identificadores:

▪ Endurecimiento

▪ Solidos, partículas extrañas dentro del o-ring

▪ Piel clara a blanca

▪ Set de compresión

Causas:

▪ El medio de sellado es un fluido de polimerización fácil.

▪ Dureza baja del elastómero

▪ Catálisis de polimerización en elastómero (ejemplo óxidos metálicos)

▪ Mezclas no reportadas o inesperadas

Recomendaciones:

▪ Utilice un elastómero de mayor dureza posible

▪ Asegurar la compatibilidad entre fluidos y elastómeros

▪ Considere un sello MSE®

Modos comunes de falla del sello

Extrusión/Mordisqueado

Identificadores:

▪ Bordes desiguales que corresponden al claro de las piezas a sellar.

▪ Apariencia mordisqueada

▪ Generalmente ocurre en la esquina lateral de baja presión.

Causas:

▪ Claros demasiado grandes y sistema con alta presión

▪ Dureza baja del elastómero

▪ Pulsaciones de presión, vibración, material extruido por mordisqueo.

▪ Mezclas no reportadas o inesperadas.

▪ Ablandamiento del o-ring

Recomendaciones:

▪ Reducir el claro de extrusión

▪ Utilice un elastómero de durómetro más alto

▪ Asegurar el espacio libre adecuado de la temp. de operación.

▪ Anillo Anti-extrusión (BUR)

Modos comunes de falla del sello

Extrusión/Mordisqueado

▪ El material del sello es empujado dentro del claro de sellado por una presión mayor o movimiento dinámico.

▪ Las vibraciones y/o pulsaciones de presión pueden “picar” y eliminar el material

Extrusión
Presión

Modos comunes de falla del sello

Degradación térmica

Identificadores:

▪ Agrietamiento radial

▪ Elastómero frágil y endurecido

▪ Color opaco

▪ Set de compresión

Causas:

▪ La temperatura excede el límite del elastómero

▪ Inadecuada remoción de calor del sello mecánico

Recomendaciones:

▪ Seleccionar el elastómero adecuado para la temperatura de servicio

▪ Si la temperatura esta fuera del rango de servicio del elastómero utilice un sello alternativo

▪ Reducir la temperatura del servicio.

▪ Verifique los planes de ambientación API

Modos comunes de falla del sello

Descompresión de Gas Rápida (RGD)

Identificadores:

▪ Ampollas superficiales

▪ Roturas internas y fracturas en sustrato elastómero

▪ Fluido de alta presión de vapor

▪ Alto número de ciclos de descompresión

Causas:

▪ Despresurización rápida del sistema

▪ Pico repentino de temperatura que resulta en un cambio de fase

▪ Bajo módulo de elastómero

▪ Elastómero con inclusiones, huecos y/o aglomerados

Recomendaciones:

▪ Seleccione un material de sello resistente a RGD

▪ Pare servicios extremos use sellos termoplásticos

▪ Relleno de bridas alto (~90%) (la expansión térmica y el hinchamiento deben ser considerados)

▪ Sección transversal del sello lo mas pequeña posible

Modos comunes de falla del sello

Rapid Gas Decompression (RGD)

¡ Ninguno de estos sellos fallo !

Sellos secundarios

Otros materiales

Termoplásticos de ingeniería avanzada (PTFE)

Mayormente basado en (PFA, MFA)

▪ FDA

▪ USP Class VI

▪ Resistente al desgaste

▪ Criogénico

▪ Se ajustan a la mayoría de las ranuras estándar de los O-rings

Termoplásticos de ingeniería avanzada: (PTFE)

Ventajas:

▪ Resistencia química superior

▪ Fricción de baja ruptura

baja fricción de carrera

▪ Amplias capacidades térmicas

▪ Servicio criogénico

Desventajas: ▪ Sin memoria ▪ Baja fuerza ▪ Bajo factor de desgaste

▪ Resistencia a la radiación

Termoplásticos de ingeniería avanzada: (PTFE)

Filled PTFE

▪ Propiedades del material– Fibra de carbono, fibra de vidrio.

▪ Fricción y Desgaste – Grafito, otros termoplásticos

▪ Eléctricos, CTE, etc.

Termoplásticos de ingeniería avanzada: (PEEK)

▪ Mayormente basado en PEEK (PEK, PEKEKK)

▪ Muchos grados de producción

▪ Aprobado para contacto con alimentos

▪ Fricción y Desgaste

▪ Alta resistencia

▪ Moldeo por inyección y compresión

Termoplásticos de ingeniería avanzada: (PEEK)

Ventajas:

▪ Propiedades físicas altas

▪ Buenas propiedades al desgaste

▪ Resistencia a la radiación

Desventajas:

Ácidos concentrados fuertes

Sellabilidad

HC’s aromáticos

Advanced

Engineered Thermoplastics: (PEEK)

Filled PEEK

▪ Al igual que el PTFE, PEEK se puede procesar con rellenos

▪ Fuerza y rigidez – Fibras, Minerales

▪ Incrementa las propiedades de fricción/desgaste – PTFE, grafito, etc.

▪ Otras propiedades – Eléctricas y conductividad térmica

Agradecimiento

La FSA desea reconocer a Greene, Tweed & Co, quien proporcionó parte del contenido incluido en esta presentación.

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