sellos mecanicos seleccion
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CAMPUS COATZACOALCOS
TEMA:
ESTUDIO TÉCNICO PARA LA SELECCIÓN DE UN SELLO
MECÁNICO PARA UNA BOMBA QUE MANEJA NAFTA EN
UNA REFINERÍA
MODALIDAD:
MONOGRAFÍA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO
PRESENTA:
JOSÉ ROBERTO SÁNCHEZ VALENCIA
ASESOR:
ING. AGUSTÍN RODRÍGUEZ ALLERDI
COATZACOALCOS, VER. 2009
DEDICATORIA
A Dios.
Por permitirme terminar mis estudios, me ha dado salud, porque siempre me ayuda en
lo bueno y en lo malo, y sobre todo por darme la dicha de ser papa.
A mi Mamá (Josefa).
Con mucho cariño y agradecimiento a mi mama, ya que con su esfuerzo y trabajo ha
logrado sacarme adelante todos estos años sabiendo que jamás existirá una forma de
agradecerle todo lo que has hecho por mí en esta vida de lucha y superación constante,
deseo expresarles que mis ideales, esfuerzos y logros han sido también suyos y
constituyen el legado más grande que pudiera recibir, ya que uno de sus más grandes
anhelos es verme titulado. ¡¡¡Te amo mama!!! ¡¡¡Te amo!!!
A mi hija (Diana Itzel).
Ya que es mi adoración, mi alegría de todos los días, la amo con todo mi corazón y
aunque me adelanté a ser papá, quiero que sepan que jamás me arrepentí, ya que lo
considero una bendición. ¡¡¡Te amo Itzel!!!
AGRADECIMIENTOS
Principalmente a mi familia, no los nombro a todos por que son bastantes, pero ustedes
saben que tienen todo mi respeto y agradecimiento y sobre todo que los quiero mucho.
A mis padres.
Con mucho cariño y agradecimiento a mis padres por todo el apoyo que me han
brindado sabiendo que jamás existirá una forma de agradecer todo lo que han hecho
por mí en esta vida de lucha y superación constante, deseo expresarles que mis
ideales, esfuerzos y logros han sido también suyos y constituyen el legado más grande
que pudiera recibir. Con cariño, amor y respeto.
A mi escuela.
Dedico este agradecimiento al apoyo brindado durante estos años de estudio y como un
reconocimiento de gratitud al haber finalizado esta carrera. Ya que fue esa institución y
el personal que en ella labora un estímulo para lograr concretar mis metas.
A mis maestros.
Mi eterno agradecimiento, respeto y admiración por todas sus enseñanzas, que me
brindaron para el logro y desarrollo de mis objetivos.
A mí asesor (Ing. Agustín Rodríguez Allerdi).
Mi más sincero agradecimiento y admiración por apoyarme y guiarme en el desarrollo
de mi trabajo.
INDICE
i
INDICE
Pagina
INDICE .............................................................................................................................. i
OBJETIVO........................................................................................................................1
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................2
CAPÍTULO I: GENERALIDADES.....................................................................................4
1.1 Principio de funcionamiento y tipos de bombas ......................................................5
1.1.1 ¿Qué es una bomba? .......................................................................................5
1.1.2 Tipos de bombas ..............................................................................................5
1.1.2.1 Bombas centrífugas....................................................................................6
1.1.2.2 Bombas rotativas.......................................................................................7
CAPÍTULO II: SELLOS MECÁNICOS............................................................................10
2.1 Comparación empaquetadura y sello mecánico ...................................................11
2.2 ¿Qué es un sello mecánico?.................................................................................12
2.3 Tipos de sellos mecánicos ....................................................................................15
2.3.1 Rotativo o estacionario ...................................................................................16
2.3.2 Equilibrados o sin equilibrar............................................................................17
2.3.3 Horizontal o verticalmente montado................................................................19
2.3.4 Característica de diseño .................................................................................20
2.3.5 Disposiciones..................................................................................................22
2.4 Equilibrio del Sello.................................................................................................24
2.5 Plenitud de las caras.............................................................................................29
2.6 Desgaste del eje ...................................................................................................31
2.7 Selección de los materiales adecuados ................................................................33
INDICE
ii
2.8 Hoja de datos requeridos para la selección del sello ............................................38
2.9 Selección del fluido buffer / barrera.......................................................................41
2.10 Norma API 682....................................................................................................43
2.10.1 Objetivos API ................................................................................................43
2.10.2 Categorías, tipos y arreglos de sellos ...........................................................43
2.10.2.1 Generalidades ........................................................................................43
2.10.2.2 Categorías de sello.................................................................................43
2.10.2.3 Tipos de sello .........................................................................................44
2.10.2.4 Arreglos de sello.....................................................................................46
2.10.3 Selección de material adecuados por API ....................................................47
2.10.4 Espacio disponible en la caja del sello mecánico .........................................48
2.11 Planes de ambientación o lubricación API ..........................................................50
2.11.1 Características de los planes API .................................................................50
2.11.2 Planes API para sellos mecanicos................................................................51
CAPÍTULO III: SELECCIÓN DE UN SELLO MECÁNICO PARA LA BOMBA P-2103 QUE MANEJA NAFTA EN UNA REFINERÍA.................................................................60
3.1 Identificación del servicio ......................................................................................61
3.2 Análisis de falla del sello mecánico existente instalado en la bomba P-2103 .......65
3.2.1 Sello mecánico existente en la bomba P-2103 .............................................65
3.2.2 Plan API y fluido barrera existen en la bomba P-2103....................................67
3.3 Mejora de selección de sello mecánico para la bomba P-2103 ............................69
3.3.1 Sello CAPI DUAL A1 como solución de sellado en la bomba P-2103 ............71
3.3.2 Plan API y fluido barrera como solución en la bomba P-2103 ........................73
3.4 Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103 ..............76
INDICE
iii
CONCLUSIÓNES...........................................................................................................77
BIBLIOGRAFÍAS............................................................................................................78
GLOSARIO.....................................................................................................................80
ANEXO A .......................................................................................................................83
ANEXO B .......................................................................................................................87
ANEXO C .......................................................................................................................91
OBEJTIVO
1
OBJETIVO
Realizar un estudio de factibilidad técnica para la selección de un sello mecánico para
una bomba que maneja nafta, con el objeto de remplazar y minimizar las frecuencias de
falla del sello mecánico existente para contribuir con la confiabilidad operacional en los
sellos mecánicos instalados en las refinerías.
INTRODUCCION
2
INTRODUCCIÓN
El movimiento mecánico principal que impulsa a la industria de hoy es un mecanismo
rotativo, la bomba rotativa, en todas sus variaciones de diseño, es la pieza de
maquinaria más comúnmente utilizada en la industria de hoy. Las bombas tienen que
sellarse. Si a esto añadimos otras piezas de maquinaria rotativa que también necesitan
sellarse, como mezcladoras (orificio superior, lateral e inferior), compresores, además
de otros equipos rotativos de uso industrial.
Donde quiera que haya una industria, un proceso o servicio de producción, habrá
maquinaria rotativa. Donde quiera que haya una maquina rotativa habrá necesidad de
instalar cierres mecánicos. De forma que llegamos al cierre mecánico de hoy,
verdaderamente una pieza de maquinaria extremadamente importante y sofisticada,
con una función cada vez más esencial debido a las consideraciones
medioambientales.
El presente trabajo plantea el estudio técnico para la selección de un sello mecánico
para una bomba que maneja nafta en una refinería, para remplazar y minimizar la
frecuencia de falla del sello mecánico instalado en la bomba P-2103.
El Capítulo uno de este trabajo está dedicado a la presentación de una definición
generalizada al principio de funcionamiento y tipos de bombas.
El Capítulo dos describe la comparación empaquetadura y sello mecánico, ¿Qué es un
sellos mecánico?, los tipos de sellos mecánicos, equilibrio del sello, plenitud de las
caras, desgasté del eje, selección de los materiales adecuados, hoja de datos
requeridos para la selección del sello, la selección del fluido barrera, norma API 682 y
planes de ambientación o lubricación API.
INTRODUCCION
3
El capitulo tres se propone la selección de un sello mecánico para la bomba P-2103 que
maneja nafta en una refinería, este explica la identificación del servicio, el análisis de
falla del sello mecánico existente, mejora de selección de sello mecánico para la bomba
P-2103 y la evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103.
CAPITULO I
4
CAPITULO I
GENERALIDADES
CAPITULO I
5
1.1 Principio de funcionamiento y tipos de bombas
1.1.1 ¿Qué es una bomba?
Una bomba es una máquina que toma la energía de un motor móvil primario (motor
eléctrico, motor de combustión, etc.) y la convierte en energía contenida dentro del
medio que se está bombeando. Esta energía puede ser: [1]
a) Una energía de velocidad
b) Una energía de presión
c) Una combinación de (a) y (b)
1.1.2 Tipos de bombas
Las definiciones más aceptadas sobre el tipo de bomba a tratar, es por su movimiento y
básicamente son: [1]
1. Alternativo
2. Rotativo
3. Centrífugo
Si extendemos estos tipos de movimiento a sus tipos individuales por diseño,
encontraremos la siguiente clasificación: [1]
Alternativo - Pistón No adecuado
- Pistón buzo para cierre
- Diafragma mecánico
CAPITULO I
6
Rotativo - Engranajes
- Tornillo
- Aletas
- Lóbulo
- Cavidad progresiva
Centrífuga - Flujo radial Adecuados
- Flujo mezclado Para cierre
- Flujo axial mecánico
Todos estos diseños de bombas y variaciones de ellos tienen un dispositivo de sellado
de eje, los más comunes son: [1]
1. Un sello mecánico
2. Una empaquetadura de compresión
En la actualidad, la utilización de bombas alternativas es poco común, si se compara
con las otras dos. No obstante, para ciertas tareas específicas este tipo es todavía el
diseño más eficaz. El sellado del eje normalmente se efectúa por empaquetaduras de
compresión o un diseño sofisticado de éste, como anillos de Chevron y por estas
razones sólo consideraremos las bombas centrífugas y rotativas, las centrífugas son por
mucho las más versátiles y por lo tanto las más comunes. [1]
1.1.2.1 Bombas centrífugas
Una bomba centrífuga horizontal sencilla, está formada por un elemento rotativo,
llamado impulsor (1) contenido en una envoltura (2). El impulsor está montado sobre el
extremo de un eje de rotación llamado flecha (3). El líquido entra en el centro u ‘ojo’ (4)
del impulsor y es rotado por medio de las aletas del impulsor (5). Entonces, la fuerza
centrífuga arroja el líquido desde el centro del impulsor a su periferia con una
CAPITULO I
7
considerable velocidad y presión. Dentro de la envoltura hay un pasillo helicoidal (6) de
cada vez más áreas transversales, éstas recogen el líquido y convierten parte de su
velocidad en más energía de presión. [1]
El pasillo helicoidal termina en la brida del lado de evacuación (7). El siguiente diagrama
ayudará a la hora de entender esta explicación (ver figura 1.1). [1]
Figura 1.1 Bomba Centrifuga [1]
1.1.2.2 Bombas rotativas
Si se compara con la bomba centrífuga, el principio de la bomba rotativa es simple. [1]
Una bomba rotativa está compuesta de engranajes, lóbulos, aletas, tornillos sencillos,
dobles, triples, etc. Funcionando en una envoltura muy ajustada, es una máquina de
desplazamiento positivo. [1]
El líquido, en vez de girar según entra en la envoltura, es atrapado por rotación en su
elemento de rotación, como en el caso de la bomba centrífuga, lo fuerza alrededor del
interior de la envoltura y lo expulsa a través de la evacuación. [1]
CAPITULO I
8
A continuación se dan tres diagramas que ilustran el principio de funcionamiento de una
bomba rotativa de lóbulo y de una bomba rotativa de aleta. Estas son las bombas de
diseño más común que se utilizan en la actualidad. [1]
Los diagramas y breves notas adjuntos servirán para indicar claramente cómo
funcionan estas bombas, tan simples en su funcionamiento. [1]
Bomba rotativa de lóbulo
Según los rotores comienzan a girar (ver figura 1.2) se forma una cavidad expandida
que crea un vacío parcial en el puerto de entrada que atrae al producto a la cámara de
bombeo. Cada pozo del rotor es consecuentemente llenado (ver figura 1.3) y
positivamente desplazado, por lo tanto sellándose a si mismo contra las caras internas
de la envoltura. Finalmente, el producto se expulsa por el puerto de evacuación (ver
figura 1.4). [1]
Figura 1.2 [1] Figura 1.3 [1] Figura 1.4 [1]
Bomba de aleta
El eje gira y las aletas se propulsan contra la superficie interior de la envoltura (a). Esto
crea un vacío parcial en la entrada de la bomba, que atrae el líquido a la cámara de
bombeo y llena los huecos entre las aletas individuales. Según el líquido se transporta
alrededor de las venas, se comprime y presuriza y se expulsa a través del orificio de
salida de la bomba (ver figura 1.5). [1]
CAPITULO I
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Figura 1.5 Bomba de aleta [1]
Cavidad progresiva
Un rotor metálico helicoidal gira dentro de un estator de goma que también tiene una
forma helicoidal en su interior. El rotor es una interface fijada dentro del estator y según
rota forma una cavidad en movimiento continuo que empuja al líquido hacia la
evacuación (ver figura 1.6). [1]
Figura 1.6 Cavidad progresiva [1]
CAPITULO II
10
CAPITULO II
SELLOS MECÁNICOS
CAPITULO II
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2.1 Comparación empaquetadura y sello mecánico
Empaquetadura: [13]
-No es un sello, sino un dispositivo de restricción que requiere de gotear o de lo
contrario se quema. [13]
-Ranuras y desgaste a las flechas y mangas. [13]
-Alto consumo de potencia (H.P.) por elevarse la fricción. [13]
-Pérdidas de producto. [13]
-Requiere grandes cantidades de agua (más de 3000 lts / año). [13]
-Requiere de tiempo de mantenimiento y tiempos perdidos por instalación. [13]
-Equipo dañado y destruido por goteo. [13]
Sello mecánico: [13]
-Es un dispositivo de sellado, el cual sella con goteo invisible. [13]
-En aplicaciones difíciles el rango de goteo entre sello y empaquetadura es de 1:1000, o
mejor (menos de 30 lts. al año). [13]
-Los sellos tienen larga vida de operación. De 1 a 2 años sin fallas. [13]
-Ahorros monetarios por poca pérdida o nula de producto. [13]
-Ahorro de agua y energía. [13]
-Poco mantenimiento requerido después de instalación inicial. [13]
-Los sellos ofrecen mejor seguridad cuando los materiales a sellar son potencialmente
peligrosos. [13]
Un sello mecánico ideal deberá ofrecer larga vida, fácil mantenimiento y bajo
costo.[13]
CAPITULO II
12
2.2 ¿Qué es un sello mecánico?
Es un dispositivo de sellado que previene el escape de fluido de un recipiente, al cual
atraviesa un eje rotativo, realizando el sellado por contacto axial de sus caras que se
encuentran perpendiculares al eje y en movimiento relativo una respecto a la otra. [1]
Las bases
Un sello mecánico consiste de dos componentes, uno estacionario y otro que gira
contra él, para lograr un sellado con un mínimo de fugas (véase figura 2.1). [1]
Figura 2.1 Sello mecánico axial [1]
Diseño
El diseño del sello mecánico más sencillo y práctico consta de seis componentes (ver
figura 2.2): [1]
1. Componente estacionario, comúnmente llamado el asiento.
2. Elemento de sellado del componente estacionario.
3. Componente rotativo.
4. Elemento de sellado del componente rotativo.
5. Resortes.
6. Brida prensaestopas.
CAPITULO II
13
Figura 2.2 Diseño de Sello mecánico sencillo [1]
Un Sello mecánico tiene cuatro puntos principales de sellado: [1]
1. El sello entre las caras rotativas (3) y las caras estacionarias (1). Este se conoce
como sello primario. [1]
2. El sello entre el elemento estacionario (1) y la cara de la caja de estopas, es decir, la
junta (2). [1]
3. El sello entre el elemento rotativo y el eje (4). Este se conoce como sello secundario
y podría ser una O-ring, o cualquier tipo similar de O-ring. [1]
4. El sello entre el plato del prensaestopas y la caja de estopas, éste es normalmente
una junta o un O-ring. [1]
Puntos de sellado
3 de los 4 puntos principales de sellado de un sello mecánico no requieren explicación,
pero el número uno entre los elementos rotativos y estacionarios necesita un poco más
de consideración. Este sello “primario” es la base del diseño de todos los sellos
mecánicos y es el que lo hace funcionar. [1]
Las superficies de los componentes rotativos y estacionarios que “friccionan” entre sí
son extremadamente planas, de hecho, normalmente están solapadas dentro de dos
bandas ligeras (un método óptico de medir la uniformidad). Esta uniformidad minimiza
CAPITULO II
14
las fugas hasta el punto que para todos los propósitos e intenciones son casi
inexistentes. [1]
De hecho, existen fugas entre estas dos caras pero éstas son insignificantes y (para
consideración inmediata) aparecen en forma de vapor. [1]
Película líquida y vaporización
Si los componentes rotativos de un sello mecánico girasen entre sí sin forma alguna de
lubricación, se desgastarían muy pronto debido a la fricción de las caras y al calor que
esto genera. [1]
De forma que se requiere lubricación y en esta etapa de nuestra consideración esta
lubricación se proporciona mediante el líquido objeto del sellado. Esta se conoce como
película de fluido y mantener su estabilidad es de primordial importancia, si el sello ha
de funcionar de forma satisfactoria. La película de fluido ha sido y sigue siendo objeto
de debate e investigación y se vuelve más interesante según se progresa en materia de
sellos mecánicos pero por ahora asumamos que existe una situación como la que se
presenta en la figura 2.3. El producto que se está bombeando forma una película de
fluido estable a través de las dos caras que se casan. El calor friccional puede aumentar
dando como resultado una vaporización del líquido entre las caras. Si se produjese esta
vaporización y no hubiera una película de fluido estable entre las caras, se produciría un
rápido desgaste y el sello fallaría. [1]
Volviendo al diseño
El componente rotativo gira con el eje y normalmente está accionado por un resorte. La
compresión del resorte, normalmente 1 ó 2 bars, proporciona el contacto inicial de la
cara y también lo mantiene cuando el sello está inactivo, evitando de esta forma
cualquier fuga entre las caras casadas. [1]
CAPITULO II
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El componente estacionario se mantiene firmemente en la brida del prensaestopas y
normalmente está ranurado o taladrado para acomodar un perno antirotativo en la placa
del prensaestopas - un importante requerimiento en tamaños de sello más grandes. [1]
Entre el eje y el resorte y el elemento rotativo y el resorte, existen varias disposiciones
de resortes de transmisión. [1]
Figura 2.3 Diseño de sello mecánico sencillo
2.3 Tipos de sellos mecánicos
Inicialmente, definir los sellos mecánicos por tipo podría parecer algo complicado pero
en realidad es bastante sencillo y en seguida se hace más sencillo con un poco de
experiencia. Por supuesto que puede hacerse complicado pero es totalmente
innecesario. [1]
Definiremos los sellos mecánicos, cinco formas básicas, pero una definición podría
comprender dos, tres, cuatro o incluso cinco combinaciones diferentes de sellos. [1]
• Rotativo o estacionario
• Equilibrado o sin equilibrar
• Horizontal o verticalmente montado
• Característica de diseño
• Disposición
CAPITULO II
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2.3.1 Rotativo o estacionario
Como ya sabemos, un sello mecánico consta de dos componentes básicos, la unidad o
sello y el asiento, como se muestra a continuación: [1]
Figura 2.4 Sello rotativo [1]
En la disposición ilustrada (ver figura 2.4), la unidad o sello está situada sobre el eje,
por lo tanto gira con el eje y se llama un sello rotativo (el elemento rotativo contiene los
resortes). Esta es la disposición más común de las dos disposiciones. [1]
Similarmente si las posiciones de los dos componentes se invierten y la unidad o sello
(que contiene los resortes) se mantiene estacionaria sobre el plato del prensaestopas,
se denomina sello estacionario (ver figura 2.5). [1]
Figura 2.5 Cierre estacionario [1]
CAPITULO II
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¿Cuándo pasamos de una situación de unidad rotativa a otra de unidad estacionaria?
Principalmente cuando las velocidades de rotación se aproximan o están por encima de
los 25 m/s. (5000 r.p.m.). A estas velocidades, las fuerzas dinámicas superan las
limitaciones de la unidad de rotación. Un sello estacionario evita el movimiento excesivo
del sello secundario, mantiene de forma satisfactoria el recorrido del componente
primario de sellado y maneja los altos pares torsores implicados. A estas velocidades, si
la unidad estuviera girando, su peso, mayor que el del asiento acentuaría cualquier
movimiento del eje o distorsión. [1]
2.3.2 Equilibrados o sin equilibrar
Los sellos mecánicos se refieren bien como equilibrados o sin equilibrar. Más
correctamente, deberían ser hidráulicamente equilibrados o sin equilibrar
hidráulicamente. [1]
Consideremos el siguiente diagrama (ver figura 2.6) que representa la forma más
sencilla de una unidad de sello mecánico rotativo con asiento estacionario. [1]
Figura 2.6 sello estacionario [1]
La presión de la caja de estopas (más la presión del resorte) tiende a empujar a las
caras y al asiento de la unidad hacia sí. Sin embargo, hay una película de fluido entre
las caras, sujeta a un gradiente de presión hidráulica entre la presión de la caja de
CAPITULO II
18
estopas y la presión atmosférica. Se supone que el gradiente de presión es lineal. Esto,
de hecho, origina una fuerza en forma de cuña que intenta separar las caras, como se
muestra en el siguiente diagrama (ver figura 2.7). [1]
Figura 2.7 Sello mecánico sin equilibrar [1]
Según la presión de la caja de estopas aumenta, la presión que actúa sobre el área de
sellado de las caras aumenta, la cuña se hace menos eficaz hasta que finalmente la
película de fluido de la cuña se rompe y no hay lubricación. Las caras se destruyen
entre sí y se dice que el sello primario ha fallado. [1]
La presión máxima que un sello sin equilibrar puede soportar depende del diámetro del
eje, la velocidad, los materiales de las caras y la naturaleza del fluido que se está
sellando, pero siempre es inferior a la presión de un sello equilibrado. [1]
Habiendo considerado el sello sin equilibrar, a continuación consideraremos el mismo
sello en una configuración equilibrada (ver figura 2.8). La presión de la caja de estopas
permanece igual y la utilizaremos para reducir la presión de la cara. [1]
CAPITULO II
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Figura 2.8 Sello mecánico equilibrado [1]
En el diagrama anterior hemos proporcionado un eje con un escalón de reducción del
diámetro. Las condiciones hidráulicas permanecen iguales que para la consideración
del sello sin equilibrar. [1]
La diferencia es que la unidad rotativa está sujeta a una presión igual más allá del
diámetro ‘D’ y hay un equilibrio hidráulico de esta área. La presión de la caja de estopas
ahora actúa sobre el área ‘A’ del sello entre el eje y el diámetro ‘D’. Puesto que el área
de la cara permanece igual, la carga de la cara se reduce. [1]
2.3.3 Horizontal o verticalmente montado
Sencillamente esto se relaciona con la posición de funcionamiento del sello mecánico
del que la pieza de equipo rotativo forma parte, es decir, si la bomba es horizontal tiene
un eje horizontal y por lo tanto el sello se describe como horizontalmente montado. De
forma similar, si la bomba es vertical, el sello se describe verticalmente montado. [1]
En maquinaria de mezclado o agitación, las disposiciones más comunes son las
verticales (eje entrada superior), horizontal (eje entrada lateral). El tercer montaje en
este tipo de maquinaria es otro vertical (eje entrada inferior). [1]
CAPITULO II
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2.3.4 Característica de diseño
Esto normalmente se relaciona con: [1]
• Si la fuerza estacionaria del sello primario es por resorte sencillo, multiresorte o fuelle.
• Si el sello secundario es O-ring o una junta.
• Separación de la sección metálica del sello del producto.
• Una combinación de las tres primeras.
Resortes sencillos
Normalmente de bajo precio, especialmente en tamaños de sello más pequeños y (no
siempre es el caso) relativamente fáciles de colocar. Sólo pueden utilizarse con
presiones de bombeo bajas hasta un máximo de 80 p.s.i. y velocidades bajas de
superficie de eje cuando se trata de un diseño normal sin equilibrar. El resorte sencillo
tiene un área de baja presión de apoyo en la cara, que da como resultado un desgaste
desigual de la cara. Dependiendo de su diseño, a veces sólo puede girar en una
dirección (ver figura 2.9). [1]
Figura 2.9 Sello mecánico con resorte sencillo [1]
CAPITULO II
21
Resortes múltiples
Puede tolerar velocidades de eje y presiones mayores que la versión de resorte
sencillo. Proporciona carga uniforme de la cara. Puede girar en ambas direcciones.
Normalmente más fácil de equilibrar hidráulicamente. Limitaciones - límites de
temperatura del elastómero. Puede resultar más caro (ver figura 2.10). [1]
Figura 2.10 Sello mecánico con múltiple resortes [1]
Sello no metálico
Diseñado para remover cualquier componente metálico del líquido y evitar el ataque
químico. Normalmente la cara es de carbono o teflón, también es conocido como sello
químico o externo (ver figura 2.11). [1]
Figura 2.11 Sello mecánico no metálico [1]
CAPITULO II
22
Sello completamente metálico
Normalmente de diseño de fuelle metálico. Desarrollado para la industria del aceite e
industrias asociadas. Si se utiliza con temperaturas muy elevadas puede ser “como
indicado” todo de metal puesto que el elastómero puede sustituirse con una abrazadera
mecánica al eje. Normalmente se encuentra con sellos de O-ring y por lo tanto puede
sustituirse con sellos del tipo de O-ring de empuje. [1]
Puede obstruirse con facilidad y si el fuelle se raja, puede dar como resultado una gran
pérdida del producto (ver figura 2.12). [1]
Figura 2.12 Sello completamente metálico [1]
2.3.5 Disposiciones
Hasta ahora, sólo hemos considerado sellos sencillos pero la seguridad, la salud y las
consideraciones medioambientales requieren cada vez más que se tomen medidas
para asegurar que no se produzcan fugas, el medio no se filtre a la atmósfera o se
contenga o diluya de forma adecuada. [1]
Para lograr esto, existen varias adiciones a una disposición de sello sencillo que son
adecuadas, de las cuales trataremos más adelante. Por ahora, consideremos las
disposiciones que están formadas por más de un sello. [1]
CAPITULO II
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Básicamente existen tres disposiciones de sellos formadas por sellos dobles: [1]
• Doble espalda con espalda
• Doble cara con cara
• Sellos en Tándem.
Doble de espalda con espalda
A continuación se ofrece un boceto típico de esta disposición (ver figura 2.13). [1]
Figura 2.13 Sello doble de espalda con espalda [1]
Como su nombre indica, en esta disposición se montan dos sellos en la caja de estopas
espalda con espalda. [1]
Doble de cara con cara (unidades de cierre separadas)
Esta disposición es típica como se muestra en el siguiente boceto (ver figura 2.14). [1]
Figura 2.14 Sello doble de cara con cara [1]
CAPITULO II
24
La disposición del sello doble, cara con cara, no es una disposición muy común y
principalmente es una alternativa a la disposición espalda con espalda cuando la caja
de estopas es muy poco profunda para acomodarla. [1]
Tándem
La disposición es como se indica en el siguiente boceto (ver figura 2.15). [1]
Figura 2.15 Sello doble “tándem” [1]
En esta disposición, el sello interno actúa exactamente como un sello sencillo, de forma
que el trabajo debe ser adecuado para un sello sencillo. La presión del fluido de barrera
es menor que la presión de sellado y una vez más, el sello exterior actúa como un sello
sencillo para sellar la presión del fluido de barrera. [1]
2.4 Equilibrio del Sello
Es importante ajustar sellos mecánicos equilibrados a las bombas. El equilibrio sirve
para reducir el efecto de la presión existente en la caja de estopas, reduciéndose así el
área de sellado sobre el que actúa. [1]
Observemos las principales fuerzas que actúan sobre un sello mecánico (ver figura
2.16). [1]
CAPITULO II
25
Figura 2.16 Fuerzas que actúan sobre un sello mecánico
En la figura 2.17, WF está representando una película de fluido. Se sabe que en el lado
de la caja de estopas de las caras del cierre, se ve el 100% de la presión, y en el lado
atmosférico de las caras del cierre, se ve el 0% de la presión. No se sabe, sin embargo,
lo que pasa entre medio, aunque una diminuta cantidad del producto pasa por las caras
para lubricarlas y enfriarlas. [1]
Si no ocurriese esto, el calor excesivo se concentraría debido a la fricción y daría como
resultado el fallo del sello. [1]
Figura 2.17
WF
CAPITULO II
26
También sabemos por nuestros conocimientos físicos que la presión actúa por igual en
todas las direcciones (ver figura 2.18). [1]
La presión actúa sobre la parte posterior del cierre al diámetro deslizante y al exterior de
la línea de la cara. Otras fuerzas por encima de ella se cancelan por fuerzas opuestas. [1]
Apliquemos los mismos principios de dispersión de carga física. [1]
Figura 2.18
La figura 2.19 muestra un cono. Si cargamos la superficie superior con 200 lbf en un
área dada de 4 in2, la presión resultante será de: [1]
Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2)
P = F / A= (200 lbf) / (4 in) = 50 lbf / in2
Cuando esto se transmite a la superficie inferior, que está reducida en área, la presión
resultante todavía es una carga de 200lbf, pero actuando sobre un área de sólo 2
pulgadas cuadradas, por lo tanto la presión resultante es: [1]
Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2)
P = F / A= (200 lbf) / (2 in) = 100 lbf / in2
CAPITULO II
27
¡La presión aumenta!
Figura 2.19 [1]
La figura 2.20 representa una pirámide. Si cargamos la superficie superior con 200lbf
sobre un área dada de 4 pulgadas cuadradas. De nuevo, la presión de esa superficie
será de: [1]
Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2) P = F / A= (200 lbf) / (4 in) = 50 lbf / in2
Si se transmite la carga de este sólido a la parte inferior de la cara tenemos 200 lbf,
pero en un área de 8 pulgadas cuadradas, por lo tanto la presión resultante será: [1]
Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2) P = F / A= (200 lbf) / (8 in) = 25 lbf / in2
¡La presión se reduce!
Figura 2.20 [1]
200 lbf Sección circular de 4 in
2
Sección circular de 2 in2
Presión sobre la superficie superior =
50 lbf / in2
Presión sobre la superficie inferior =
100 lbf / in2
200 lbf
Presión sobre la superficie superior =
50 lbf / in2
Presión sobre la superficie inferior =
25 lbf / in2
Sección circular de 4 in2
Sección circular de 8 in2
CAPITULO II
28
Apliquemos estos principios a los cierres mecánicos. [1]
La figura 2.21 muestra como se observará, el área de la presión de la caja de estopas
(área A) es mucho mayor que el área de las caras de sellado (área B), por lo tanto la
carga del fluido sobre el sello hace que aumente la presión sobre las caras de sellado. [1]
Si la válvula de descarga en la tubería de la bomba se cerrase en este caso, la presión
resultante podría hacer que el sello fallara, debido al exceso de presión. [1]
Figura 2.21 [1]
Las figuras 2.22 y 2.23 muestran las formas en las que el área A se reduce,
disminuyendo así la fuerza de la interface del sello. [1]
Figura 2.22 [1] Figura 2.23 [1]
A este nivel básico, lo que realmente es importante recordar, son las ventajas de los
cierres equilibrados comparados con los cierres sin equilibrar. [1]
CAPITULO II
29
Ventajas de los cierres equilibrados: [1]
• Pueden operar bajo mayores presiones
• Se genera menos calor
• Se reduce el desgaste de la cara
• Mayores velocidades del eje
• Menor distorsión de la cara
• Menor par de torsión
• Menor consumo de energía
• Gama más amplia de materiales de la cara
• Menos necesidad de controles internos / externos
• Versatilidad
• Permite sobrecargas / mal funcionamiento del sistema
• Sellado al vacío
2.5 Plenitud de las caras
Para reducir la separación de las caras en el “área de sellado primario” las superficies
del asiento y del anillo primario deben estar lapeadas y planas. [10]
La medida para definir una superficie plana, naturalmente es la planitud. El lapeo es un
proceso de mecanizado, de remoción de material por medio de partículas abrasivas
(carburo de boro) mezcladas con un aceite, que reduce y transfiere la cantidad de calor
generado entre la superficie de trabajo y el útil, sin que la pieza sea guiada
positivamente, para conseguir superficies extremadamente planas. Las superficies
lapeadas se miden en “bandas de luz”. Una banda de luz es 11,6 millonésimas de
pulgada (0,0000116”). [10]
Las bandas de luz rectas, paralelas y equidistantes indica que la superficie es plana
dentro de una millonésima de pulg (ver figura 2.24). [10]
CAPITULO II
30
Figura 2.24 [10]
Una línea tangente imaginaria cruza una banda. Esto indica que los bordes están bajo
una banda de luz (ver figura 2.25). [10]
Figura 2.25 [10]
Para medir cuantas bandas de luz tiene una superficie, únicamente requerimos de un
plano óptico y una luz monocromática. [10]
Un plano óptico es una pieza gruesa de cristal muy plana, que requiere que la pieza a
medir sea reflectiva, es decir esté pulida. La luz monocromática es una fuente luminosa
(de helio) que emite ondas de una sola longitud (ver figura 2.26). [10]
CAPITULO II
31
Figura 2.26 [10]
Como Interpretar las Lecturas: [10]
Las líneas absolutamente rectas, paralelas y equidistantes indican verdadera planitud.
Si la pieza es menos plana, las líneas de interferencia se verán con mayor curvatura. En
todos los casos la base de comparación es una línea imaginaria tangente a la línea de
interferencia y paralela a la línea de contacto entre la pieza y el plano. Una regla puede
usarse como línea de referencia. El número de bandas que la tangente cruza indica la
desviación de la planitud de la pieza, por ejemplo si cruza dos bandas tiene una
desviación de dos bandas de luz. [10]
2.6 Desgaste del eje
Este fenómeno también se conoce como corrosión o erosión del eje y se produce en el
área de contacto entre el sello secundario y el eje o camisa (ver Figura 2.27). [1]
Se produce por el excesivo movimiento axial del eje, más allá de las especificaciones
del fabricante. Otros factores contribuyentes son la vibración de la máquina o la
deflexión del eje. La situación también puede agravarse cuando la escoria producida
por el desgaste del sello primario migra para depositarse debajo del sello secundario,
proporcionando así un medio muy eficaz de trituración. [1]
CAPITULO II
32
Es más generalizado cuando el sello secundario está fabricado de teflón (P.T.F.E.) o
materiales semirrígidos similares, en vez de estar fabricado de elastómero, ya que el
elastómero al ser una material más flexible puede soportar mejor los desplazamientos
del eje. [1]
El elastómero al ser más blando, también absorberá cierta cantidad de la escoria
producida por el sello primario mejor que el teflón (P.T.F.E) o similar. [1]
El movimiento del sello secundario sobre el eje o camisa finalmente remueve el
revestimiento óxido que proporciona protección anticorrosiva. Como resultado de esto,
en el área de contacto entre el eje y el sello secundario se forma una acanaladura que
aparece picada o brillante. Finalmente, el sello secundario se sitúa sobre esta
acanaladura más allá de la capacidad de la fuerza de sellado del sello primario. El
desgaste del sello primario no puede absorberse más, dando como resultado fugas. [1]
Las acciones para remediar el desgaste del eje son costosas, normalmente significan el
cambio de la camisa o el revestimiento del eje en el área del sello secundario con un
material duro como cromo u óxido de aluminio. Una solución incluso más costosa es por
supuesto eliminar las causas del movimiento excesivo. La mejor solución a largo plazo
es sustituir el tipo de cierre que produce el ‘desgaste del eje’ con un diseño diferente. [1]
Figura 2.27 Erosión del eje [1]
CAPITULO II
33
2.7 Selección de los materiales adecuados
Metalurgia
Los materiales más comúnmente empleados son:
Acero inoxidable 316L tiene excelente resistencia a la corrosión frente a ciertos medios
muy activos, como los siguientes: ácido acético concentrado (en caliente); ácido
sulfúrico diluido; ácido fosfórico; soluciones alcalinas; ciertas soluciones salinas. Está
compuesto de carbón, cromo, níquel y molibdeno. [8]
Hastelloy C-276 es una aleación austenítica de níquel, molibdeno, cromo con adición de
tungsteno diseñado para tener una excelente resistencia a la corrosión en un rango
amplio de ambientes severos. El alto contenido de níquel y de molibdeno hace que este
acero de aleación de níquel sea especialmente resistente a la picadura y a la corrosión
de rendija en ambientes de reducción, mientras que el cromo lo hace resistente a
medios oxidantes. [15]
Hastelloy B-3 es una aleación de níquel, molibdeno, con una excelente resistencia a la
picadura, corrosión y al agrietamiento por tensión de corrosión. La aleación B-3 también
resiste el ácido sulfúrico, acético, fórmico y fosfórico, y otros medios que no sean
oxidantes. Además, esta aleación de níquel tiene una excelente resistencia al ácido
hidroclórico en todas las concentraciones y temperaturas. [14]
El titanio es uno de los materiales comercialmente asequibles que ofrece mejor
resistencia anticorrosiva. Es resistente a medios tan agresivos como el ácido nítrico y el
dióxido de cloro. [1]
Nota: En el anexo “B”, se agrega una guía de resistencia química para la selección de
metales y aleaciones. [12]
CAPITULO II
34
Elementos de sellado secundario (Elastómeros u/o O-rings)
Los elastómeros más comúnmente empleados son: [9]
Viton (Flurocarbono, FPM)
Rango de temperatura de -20 a 200 °C, tiene resistencia a alta temperatura, usado para
aceites derivados del petróleo, ácidos, esteres. No se debe usar en aminas o clorados.
La temperatura máxima en aplicaciones de alta presión de agua caliente es 80 ºC. [9]
Nitrilo (Bunan-n, NBR)
Rango de temperatura de -40 a 108 °C. Es usado para toda clase de empaques de
sellado. Tiene gran resistencia a la compresión y abrasión. Se usa con éxito en agua.
Hidrocarburos. No se debe usar en acetonas y fosfatos. [9]
Aflas (Tetrafluoroetileno y Polipropileno, TFE/P)
Rango de temperatura de -20 a 200 °. Usado en ácidos, bases, vapor, aminas,
solventes. También usado en aplicaciones de agua a alta temperatura y aplicaciones
cáusticas. [9]
Kalrez (Perfluorocarbon, FFKM)
Rango de temperatura de -40 a 316°C. Excelente resistencia química semejante a la
del teflón. No debe aplicarse en servicios de freones. [9]
Nota: En el anexo “C”, se agrega una guía de resistencia química para la selección de
elastómeros. [11]
CAPITULO II
35
Combinaciones de materiales para sellos primarios
Carbono/Cerámica: [1]
• Una combinación ampliamente utilizada. [1]
• La cerámica es dura. [1]
• Es químicamente resistente. [1]
• Cuanto mayor contenido de alúmina, mayor resistencia al calor. Cuanto mayor sea el
porcentaje, mejor será la calidad. [1]
• La cerámica tiene cualidades de disipación del calor muy pobres, también es
quebradiza. [1]
Carbono/Oxido de Cromo: [1]
• El óxido de cromo tiene cualidades mucho mejores de disipación de calor que la
cerámica. [1]
• Tiene la resistencia química del acero inoxidable 316. [1]
• No es adecuado para aplicaciones extremadamente ácidas o alcalinas. [1]
• Un material de excelente propósito general para materiales de cara para su utilización
con medios de base acuosa. [1]
• La transmisión de metal a metal puede también extender la vida útil del cierre. [1]
• Bueno en entornos alcalinos. [1]
• No se deberá utilizar en entornos alcalinos. [1]
Carburo Sólido de Tungsteno/Carburo Sólido de Tungsteno: [1]
• Un material fuerte, bueno mecánicamente. [1]
• Muy buena disipación de calor. [1]
• No puede utilizarse en situaciones operativas secas bajo ninguna circunstancia. [1]
CAPITULO II
36
Carbono/Carburo Sólido de Tungsteno: [1]
• Buena combinación de agua caliente y temperatura alta o cualquier aplicación similar
‘próxima a la vaporización. [1]
• No es tan bueno con aplicaciones abrasivas, pero tiene mejores propiedades de
deslizamiento. [1]
Carbono/Carburo de Silicio: [1]
• Muy buena compatibilidad química. [1]
• Extremadamente buenas cualidades de disipación de calor. [1]
• Muy duro. [1]
• Muy quebradizo. [1]
Carburo Sólido de Tungsteno/Carburo de Silicio: [1]
• Generalmente la combinación preferida para trabajos abrasivos o ciertas aplicaciones
de presión. [1]
Carburo de Silicio/Carburo de Silicio: [1]
• Sólo deberá utilizarse para trabajos extremadamente ácidos (Cuando el ácido podría
atacar al carburo sólido de tungsteno). [1]
Características individuales de las caras
Los materiales de las caras deben cumplir con las siguientes características: [16]
• Bajo coeficiente de rozamiento. [16]
• Suficiente dureza para soportar la abrasión y tener un mínimo desgaste. [16]
CAPITULO II
37
• Alta conductividad térmica para eliminar el calor generado por el rozamiento. [16]
• Bajo coeficiente de expansión térmica para reducir los esfuerzos mecánicos. [16]
• Alto módulo de elasticidad para reducir las deformaciones. [16]
Evidentemente es muy importante escoger la combinación de materiales apropiada
para asegurar un sellado correcto. Para llegar a este punto es imprescindible conocer
en primer lugar las características individuales de los materiales de caras (Tabla 2.1). [2]
Tabla 2.1 Características individuales de las caras. [2]
CAPITULO II
38
2.8 Hoja de datos requeridos para la selección del sello
Detalles del cliente: [4]
Usuario final: ________________________
Sector industrial: ______________________
Localización: _________________________
Área o Planta: ________________________
Ingeniero: ___________________________
Detalles de las dimensiones del sello: [4]
Valor Unidades
D1:
D2:
PCD3:
D4:
L1:
L2:
L3:
Max. Brida O/D:
N° de Roscas:
Tipo de Rosca:
¿El eje es más duro que AISI 316L (160 HB)?: Si o No
En caso afirmativo. Especifique el material:
¿Ha adjuntado dibujos del sello o de la bomba? Si o No
CAPITULO II
39
Angulo de posición del puerto Ø Angulo de orientación del puerto ß
Puerto 1 Puerto 2 Puerto 3 Puerto 4 Puerto 5
Función del Puerto*:
Angulo de posición del puerto Ø:
Tamaño y tipo de rosca:
Distancia desde la cara de montaje:
Angulo de orientación del puerto ß:
* F = Inyección de un liquido, LBI = Entrada del liquido barrera, LBO = Salida del liquido
barrera, QI = Entrada de Lavado, QO = Salida de lavado, V = Venteo, D = Drenado, Q =
Lavado. [4]
CAPITULO II
40
Detalles de la bomba: [4]
Fabricante: Tamaño / Tipo:
Numero De serie: Velocidad del eje (rpm):
Numero De Tag: N° plan API:
Movimiento Radial
(Max):
Movimiento Axial
(Max):
Presión de la caja del
sello: Presión de descarga:
Presión de Succión: Posición del sello:
Información del producto: [4]
Producto: Composición Química /
Concentración:
Peligrosidad: Gravedad Específica :
Temperatura: Polimeriza: Si o No
Presión de
vapor: Contaminantes disueltos: Si o No
Viscosidad : Contenido Abrasivo: Si o No
Fluido del Flush: Flush Disponible: Si o No
Max. Tamaño de
Partícula: Funciona en seco: Si o No
CAPITULO II
41
2.9 Selección del fluido buffer / barrera
Lo siguiente debe ser considerado cuando se seleccione el fluido buffer / barrera: [18]
- Compatibilidad del fluido con el fluido bombeado que se está sellando de manera que
no reaccione entre ellos, para que no se forme goma, gel o lodo al mezclarse. [18]
- Compatibilidad del fluido con la metalurgia, elastómeros y los demás materiales de
construcción del sello mecánico y el sistema de ambientación. [18]
- Compatibilidad del fluido asumiendo que alcance la temperatura de proceso (alta o
baja). [18]
En sistemas con fluido barrera presurizado donde el método de presurización sea por
medio de un gas, se le deberá poner atención especial a las condiciones de operación y
la selección del fluido barrera. Normalmente la solubilidad del gas en el fluido barrera se
incrementa mientras aumenta la presión y decrece con el aumento de la temperatura
del fluido barrera. Mientras se alivia la presión o aumenta la temperatura, el gas es
liberado del líquido y puede resultar en espuma y pérdida de circulación del fluido
barrera. Este problema se ve con los fluidos barreras con alta viscosidad, como los
aceites lubricantes, se usan a presiones por arriba de 150 psi. [18]
La viscosidad del fluido buffer / barrera se deberá verificar durante todo el rango de la
temperatura de operación prestando especial atención en las condiciones de arranque.
La viscosidad deberá ser menor a 500 Centistokes (cSt) a la temperatura mínima a la
que este expuesto. [18]
Los siguientes comportamientos de los fluidos barrera deberán ser considerados: [18]
a) Para servicios por arriba de 50 ° F, con fluido buffer / barrera que sean hidrocarburos
con viscosidad por debajo 100 cSt a 100 ° F y entre 1 cSt y 10 cSt a 212 ° F han
operado satisfactoriamente. [18]
CAPITULO II
42
b) Para servicios por abajo de 50 ° F, con fluido buffer / barrera que sean hidrocarburos
con viscosidad por debajo 5 cSt y 4 cSt a 100 ° F y entre 1 cSt y 10 cSt a 212 ° F han
operado satisfactoriamente. [18]
c) Para flujos acuosos, la mezcla de agua y etilenglicol o propilenglicol son usualmente
adecuados. El anticongelante automotriz disponible comercialmente, nunca deberá ser
usado. Los aditivos en el anticongelante tienden a adherirse a las partes del sello
mecánico causando fallas debido a la formación de gel. [18]
d) El fluido no deberá congelarse a la temperatura ambiental mínima del lugar. [18]
La toxicidad y volatibilidad del fluido deberá ser tal que al fugar hacia a la atmosfera no
represente un problema ambiental. Además, [18]
- El fluido deberá tener un punto de ebullición inicial por menos 50 ° F por arriba de la
temperatura que estará expuesto. [18]
- El fluido deberá tener un punto de flasheo por arriba de la temperatura del servicio si
es que hay oxigeno presente. [18]
- El etilenglicol deberá ser considerado como un fluido peligroso y/o un desperdicio
peligroso cuando se usa como fluido barrera. [18]
El fluido deberá ser capaz de cumplir como mínimo los tres años de operación continua
del sello mecánico sin que se presente un deterioro adverso. [18]
Para flujos de hidrocarburos, aceites en base de parafina con alta pureza con muy poco
o de preferencia sin aditivos para la resistencia del desgaste / oxidación o aceites
sintéticos se han usado de manera satisfactoria. [18]
Los aditivos anti-desgastes presentes en los aceites turbinas comerciales se ha visto
que se adhieren en las partes de los sellos mecánicos. [18]
CAPITULO II
43
2.10 Norma API 682
2.10.1 Objetivos API
1.- Todos los sellos deben operar continuamente un mínimo de 25,000 hrs. (2 años 10
meses). [5]
2.- Todos los sellos no deben permitir más de 1000 ml/m3 (1000 ppm Vol.) de emisión
de concentración de fuga a la atmósfera. [5]
3.- Sellos de Contención deben operar por un mínimo de 25000 horas a 1.7 bar (25psia)
máximo y 8 horas bajo las condiciones de proceso. [5]
2.10.2 Categorías, tipos y arreglos de sellos
2.10.2.1 Generalidades
Las configuraciones de sello que se incluyen en el estándar internacional pueden ser
clasificadas en tres categorías, (1, 2 y 3), 3 tipos (a, b y c) y tres arreglos (1, 2 y 3). Más
lejos, los sellos de los arreglos 2 y 3, pueden estar en tres orientaciones: “cara -
espalda”; “espalda - espalda”, y “cara - cara”. Estas categorías, tipos y arreglos son
definidos abajo. [5]
2.10.2.2 Categorías de sello
Categoría 1
Son sellos dirigidos para usarse en la norma ISO 13709 en cámaras de sello, bajo las
exigencias dimensionales por las Normas ASME B73.1, ASME B73.2, y la ISO 3069
Tipo C, y su uso está restringido a temperaturas en la caja de la bomba que van desde -
40°C (-40 °F) hasta 260 °C (500 °F) y presiones absolutas de hasta 2.2 MPa (22 Bar). [5]
CAPITULO II
44
Categoría 2
Son sellos dirigidos para emplearse en cámaras de sellado que se encuentran bajo las
exigencias dimensionales por las Norma ISO 13709. Su uso está restringido para sellar
hasta temperaturas que van desde los -40°C (-40 °F) hasta 400 °C (750 °F) y presiones
absolutas de hasta 4.2 MPa (42 Bar). [5]
Categoría 3
Este diseño de sello es más riguroso en cuanto a la documentación y las pruebas que
se le realizan. Se necesita que el sello sea de cartucho el cual debe de ser probado con
el fluido requerido. Estos presentan exigencias sobre la cámara de sellado bajo la
Norma ISO 13709 (o similar). Su uso está limitado para sellar temperaturas en la caja
de la bomba que van desde los -40°C (-40 °F) hasta 400 °C (750 °F) y presiones
absolutas de hasta 4.2 MPa (42 Bar). [5]
2.10.2.3 Tipos de sello
Tipo A
Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello de empuje multiresorte
en el cual el elemento flexible normalmente esta en rotación. [18]
CAPITULO II
45
Tipo B
Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello no de empuje (fuelle
metálico), en el cual el elemento flexible normalmente esta en rotación y el elemento
secundario de sellado es un O-ring (elastómero). [18]
Tipo C
Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello no de empuje (fuelle
metálico), en el cual el elemento flexible normalmente es estacionario y en el cual el
elemento secundario de sellado es grafito flexible. [18]
Nota: Los tipos A y B son los sellos adecuados para temperaturas de hasta 176 ° C
(350 ° F). Tipo C son los sellos de alta temperaturas de hasta 400 ° C (750 ° F). [5]
CAPITULO II
46
2.10.2.4 Arreglos de sello
Arreglo 1
Configuración de sello que tiene un sello por cada ensamble cartucho. (Ver figuras en
anexo A). [18]
Arreglo 2
Configuración de sello que tiene dos sellos por ensamble cartucho con una cámara de
sellado de contención la cual esta a una presión menor que de la caja de sellado (Ver
figuras en anexo A). [18]
CAPITULO II
47
Arreglo 3
Configuración de sello que tiene dos sellos por ensamble cartucho que utiliza un fluido
barrera suministrado externamente (Ver figura en anexo A). [18]
2.10.3 Selección de material adecuados por API
Así mismo hace recomendaciones sobre los materiales tanto en caras de contacto,
metalurgia y elastómeros de sellado secundario (Tabla 2 .2 y Tabla 2.3).
CAPITULO II
48
Tabla 2.2 Materiales específicos por API 682. [9]
TIPO A B C CARAS Carburo de silicio vs carbón al antimonio X X X Cerburo de silicio vs carburo de tugsteno X X X ELEMENTOS DE SELLADO SECUNDARIO FKM, por ejemplo viton X X …. Perfluroelastomero, FFKM X X …. Grafito puro moldeado …. …. X RESORTES / FUELLE METALICO Acero inoxidable X …. …. Hastelloy X X …. Inconel …. …. X BRIDAZ, MANGA, COLLAR ETC. Acero inoxidable X X X Duplex X X X
Tabla 2.3 Limite de temperatura de los materiales de sellado en el servicio de
hidrocarburos. [5]
Material de la cara Temperatura máxima ° C
Carburo de Tungsteno 400
Carburo de Silicio 425
Carbón:
Comburente
No oxidante
275
425
2.10.4 Espacio disponible en la caja del sello mecánico
De igual manera establece sugerencias sobre dimensiones en equipos de bombeo en
aplicaciones de la industria del petróleo en relación a la caja donde serán alojados los
sellos mecánicos (Tabla 2.4). [17]
CAPITULO II
49
Tabla 2.4 Dimensiones estándar para cámaras y mangas de sellos mecánicos. [17]
CAPITULO II
50
2.11 Planes de ambientación o lubricación API
2.11.1 Características de los planes API
La selección de un sello con materiales y características de diseño adecuados no
garantizan por si solo su buen funcionamiento. [18]
Para la correcta operación de un sello mecánico, debe formarse entre las caras de
contacto una película de lubricación. [18]
La función de la película de lubricación es lubricar y enfriar las caras. [18]
En funcionamiento, el fluido a presión se introduce entre las caras. [18]
El fluido introducido forma una película que las lubrica. [18]
La presión hidráulica a la vez cierra las caras. [17]
Para que la película se forme adecuadamente, es necesario instalar sistemas para
extraer el calor que se genera en las caras de contacto por el deslizamiento de una
contra la otra. [18]
Los sistemas de protección se utilizan para proveer al sello el ambiente apropiado,
facilitando la formación de la película de lubricación para reducir el roce entre las caras
y disipar el calor que se genera en ellas. [18]
El uso de los sistemas de protección a los sellos mecánicos va a depender del tipo y
condición del fluido bombeado, variando según el arreglo de los sellos. [18]
Actualmente los planes se rigen por la norma API 682 3a. Edición y consta de lo
siguiente (Tabla 2.5): [18]
CAPITULO II
51
Tabla 2.5 Planes de lubricación API [18]
Nota: En este capítulo solo consideraremos planes de lubricación para sellos húmedos
y no para sellos secos.
2.11.2 Planes API para sellos mecánicos
Los planes de lubricación son varios pero los más comúnmente usados son los
siguientes: [18]
Plan API 11 recirculación
Plan 11 es el plan más común para sellos mecánicos sencillos o para sellos internos en
arreglo dobles. En el plan 11, el producto es dirigido desde la descarga de la bomba
CAPITULO II
52
hacia la caja de la bomba (cámara del sello) para proveer enfriamiento al sello
mecánico y retirar el vapor y las bolsas de aire de la misma al arranque del equipo.
Entonces el fluido circula del fondo de la caja de la bomba hacia el lado del proceso.
Este es el plan de lubricación más comúnmente usado en servicios generales limpios
en equipos (ver figura 2.28). [18]
Elementos:
1. Descarga de la bomba.
2. Inyección de un liquido (F).
3. Lavado / Drenado (Q / D).
4. Cámara del sello.
Figura 2.28 Plan API 11 recirculación [18]
Plan API 13 recirculación inversa
Plan 13 es la selección estándar de plan de lubricación para bombas verticales que no
cuentan con buje de garganta en la caja de la bomba. La caja de la bomba (cámara del
sello) en bombas verticales que no cuentan con buje de garganta puede operar
normalmente con presión de descarga completa. Debido a este arreglo, no hay presión
diferencial que permita usar plan 11. En el plan 13, el producto se lleva desde la caja de
la bomba (cámara del sello) hacia la succión de la bomba para permitir enfriamiento al
sello mecánico y ventear aire y vaporees de la misma. [18]
CAPITULO II
53
El plan13 provee un propio venteo en bombas verticales en línea, provee presión
diferencial que es sufriente para asegurar circulación y la presión en la caja de la bomba
es suficiente para prevenir la vaporización (ver figura 2.29). [18]
Elementos:
1. De la succión de la bomba.
2. Inyección de un liquido (F).
3. Lavado / Drenado (Q / D).
4. Cámara del sello.
Figura 2.29 Plan API 13 recirculación inversa [18]
Plan API 21 recirculación con enfriador
Plan 21 proporciona fluido a una temperatura menor de la de proceso al sello mecánico.
Este es necesario para mejorar el margen de formación de vapor para no pasar los
limites de temperatura de los elementos de sellado secundario (como el agua caliente).
Los beneficios del plan 21 es que no solamente provee fluido de enfriamiento, sino que
también tiene suficiente presión diferencial para permitir buenas tasas de flujo. Plan 21
funciona mejor en climas secos donde un intercambiador de calor con aletas es usado
en lugar de un intercambiador de agua. Dese cuenta que el plan 21 usa más energía
CAPITULO II
54
que el plan 23, ya que el fluido enfriado es re bombeado desde la descarga a la succión
(ver figura 2.30). [18]
Elementos:
1. Descarga de la bomba.
2. Inyección de un liquido (F).
3. Lavado / Drenado (Q / D).
4. Cámara del sello.
TI: Indicador de temperatura.
Figura 2.30 Plan API 21 recirculación con enfriador [18]
Plan API 23 circuito cerrado con enfriador
El plan 23 es el plan de elección primaria para todos los servicios de agua caliente,
particularmente de alimentación a calderas y muchos hidrocarburos. Este plan es de
selección estándar para agua caliente a 80 ° C y por arriba, así como alimentaciones a
calderas. El agua caliente tiene una pobre lubricidad arriba de 80 ° C resultando en gran
deterioro en las caras del sello. Este plan es también muy usado en hidrocarburos y
químicos donde es necesario enfriar el fluido para estabilizar el margen requerido entre
la presión de vapor del fluido y la presión en la cámara del sello. [18]
CAPITULO II
55
En el plan 23, el fluido en la cámara del sello es aislado del proceso con un buje de
garganta. El sello es equipado con dispositivos de recirculación interna que hacen que
el fluido recirculen a través del intercambiador de calor y regrese a la cámara del sello.
En este arreglo, el intercambiador de calor enfría solo el fluido con el cual el sello
trabaja, y este fruido frio no entra al proceso (ver figura 2.31). [18]
Productos viscosos y con alto punto de congelamiento deben ser considerados al
seleccionar un plan 23. El intercambiador de calor debe enfriar el fluido por debajo del
punto de circulación. En estas aplicaciones considere el uso de vapor como medio
enfriante, o utilice un plan 21. [18]
Elementos:
1. Salida de la inyección del liquido (FO)
2. Entrada de la inyección del liquido (FI).
3. Lavado / Drenado (Q / D).
4. Cámara del sello.
5. Venteo
TI: Indicador de temperatura.
Figura 2.31 Plan API 23 circuito cerrado con enfriador [18]
CAPITULO II
56
Plan API 31 separador ciclónico
Plan 31 es especifico solamente para servicios que contienen sólidos con gravedades
especificas al menos dos veces mayor a la del fluido del proceso. Un uso típico de este
plan es en servicios de agua, para remover arena o sarro de las turbinas. En el plan 31,
el producto es llevado de la descarga de la bomba a un separador ciclónico. Las
partículas solidas son centrifugadas del fluido y direccionales a la succión. El fluido de
enfriamiento es llevado del separador ciclónico hacia el sello mecánico. Si el fluido del
proceso es muy sucio o viscoso, el plan 31 no es adecuado, y no es recomendado. El
uso de un buje de garganta en la caja de la bomba es recomendado con el plan 31 (ver
figura 2.32). [18]
Elementos:
1. Descarga de la bomba.
2. De la succión de la bomba.
3. Inyección de un liquido (F).
4. Lavado / Drenado (Q / D).
5. Cámara del sello.
Figura 2.32 Plan API 31 separador ciclónico [18]
CAPITULO II
57
Plan API 52 sello dual no presurizado
Plan 52 es usado con sellos en arreglo 2, con sellos húmedos de contención
(configuración 2CW-CW) utilizando un sistema de fluido amortiguador. Es normalmente
usado en servicios donde la fuga de fluido de proceso a la atmosfera debe ser
minimizada y contenida. El fluido barrera es contenido en un tanque el cual es venteado
a un sistema de recuperación, manteniendo así el sistema cerrado a la atmosfera (ver
figura 2.33). [18]
Plan 52 funciona mejor con productos limpios, puros, que no polimerizan y tienen una
presión de vapor mayor que el fluido amortiguador. La fuga de fluidos de proceso con
mayor presión de vapor al fluido amortiguador vaporizaran en el tanque y escaparan por
el venteo. [18]
A menos que se indique otra cosa, el reservoir (tanque) deberá ser diseñado para
cumplir los criterios de tamaño que se indican a continuación. [18]
El volumen de líquido en el tanque al nivel normal deberá como mínimo de ser: [18]
1.- 12 litros (3U.S. gal) para ejes de diámetro hasta 2.500” (60 mm), [18]
2.- 20 litros (5U.S. gal) para ejes de diámetro de 2.500” (60 mm) en adelante. [18]
Elementos:
1. Al sistema recolector.
2. Tanque.
3. Entrada fluido barrera.
4. Inyección de un liquido (F).
5. Salida fluido barrera (LBO).
6. Entrada fluido barrera (LBI).
CAPITULO II
58
7. Cámara del sello.
LSH - Switch de alto nivel.
LSL - Switch de bajo nivel.
LI - Indicador de nivel.
PI – Indicador de presión.
PSH – Indicador de alta presión.
Figura 2.33 Plan API 52 sello dual no presurizado [18]
Plan API 53A sello dual presurizado
Plan 53A es usado con sellos mecánicos en arreglo 3, sello dual presurizado en
servicios donde no se puede tolerar fuga del fluido de proceso a la atmosfera. [18]
El fluido barrera es contenido en un tanque, el cual es presurizado aproximadamente a
20 PSIG por arriba de la presión de la cámara del sello. [18]
La fuga del sello mecánico interno será hacia el producto del proceso. Siempre habrá
algo de fuga por necesidad de lubricación de las caras de sellado (ver figura 2.34). [18]
CAPITULO II
59
Elementos:
1. De una fuente externa de presión.
2. Tanque.
3. Puerto de llenado.
4. Inyección de un liquido (F).
5. Salida fluido barrera (LBO).
6. Entrada fluido barrera (LBI).
7. Cámara del sello.
LSH - Switch de alto presión.
LSL - Switch de bajo nivel.
LI - Indicador de nivel.
PI – Indicador de presión.
PSH – Indicador de baja presión.
Figura 2.34 Plan API 53A sello dual presurizado [18]
CAPITULO III
60
CAPITULO III
SELECCIÓN DE UN SELLO MECÁNICO PARA LA
BOMBA P-2103 QUE MANEJA NAFTA EN UNA
REFINERÍA
CAPITULO III
61
3.1 Identificación del servicio
Hoja de datos requeridos para la selección del sello
Detalles del cliente: [7]
Usuario final: Refinería
Localización: Minatitlán, Veracruz México
Área o Planta: Área 3
Detalles de las dimensiones del sello: [7]
Valor Unidades
D1: 3.125 In
D2: 5.625 In
PCD3: 7.500 In
D4: 0.750 In
L1: 1.880 In
L2: 5.157 In
L3: 4.330 In
Max. Brida O/D: 9.000 In
N° de Roscas: 4 N/A
Tipo de Rosca: NPT N/A
¿El eje es más duro que AISI 316L (160 HB)?: No Si o No
En caso afirmativo. Especifique el material: -
¿Ha adjuntado dibujos del sello o de la bomba? Si (Fig. 3.1) Si o No
CAPITULO III
62
Angulo de posición del puerto Ø Angulo de orientación del puerto ß
Puerto 1 Puerto 2 Puerto 3
Función del Puerto*: D Q F
Angulo de posición del puerto Ø: 0 240 60
Tamaño y tipo de rosca: 1/2” NPT 1/2” NPT 1/2” NPT
Distancia desde la cara de montaje: 2.937 2.937 2.937
Angulo de orientación del puerto ß: 0 0 0
* F = Inyección de un liquido, LBI = Entrada del liquido barrera, LBO = Salida del liquido
barrera, QI = Entrada de Lavado, QO = Salida de lavado, V = Venteo, D = Drenado, Q =
Lavado. [4]
CAPITULO III
63
Detalles de la bomba: [7]
Fabricante: PACIFIC Tamaño / Tipo: SVC – 8L
Numero De serie: P 20010 / 59
ARB
Velocidad del eje
(rpm): 1800
Numero De Tag: P-2103A/B N° plan API: 11 + 52
Movimiento
Radial* (Max): 0.002
Movimiento Axial*
(Max): 0.002
Presión de la caja
del sello: 11.9 kg/cm2 Presión de descarga:
17 kg/cm2
Presión de
Succión: 10.2 kg/cm2 Posición del sello:
HORIZONTAL
Información del producto: [7]
Producto: Nafta Composición Química /
Concentración*: ---
Peligrosidad: Inflamable,
explosivo Gravedad Específica : 0.54
Temperatura: 265 °C Polimeriza: No Si o No
Presión de
vapor a 20 °C:
0.00204
kg/cm2
Contaminantes
disueltos: No Si o No
Viscosidad* : --- Contenido Abrasivo: Si Si o No
Fluido del
Flush: Nafta Flush Disponible: Si Si o No
Max. Tamaño
de Partícula*: --- Funciona en seco: No Si o No
* Información opcional del producto ó de la bomba.
CAPITULO III
64
Figura 3.1 Sello mecánico existente [7]
CAPITULO III
65
3.2 Análisis de falla del sello mecánico existente instalado en la bomba P-2103
3.2.1 Sello mecánico existente en la bomba P-2103
El sello mecánico existente cuyo dibujo se muestra abajo, presenta un tiempo medio
entre fallas de alrededor de tres meses (ver figura 3.2). [7]
Figura 3.2 Sello mecánico doble existente
Del dibujo siguiente se desprende que se trata de un sello mecánico doble, Tipo C,
arreglo 2, configuración 2CW-CW, Con ensamble de fuelle rotatorio en el lado del
producto, plan de ambientación API 11 y 52. [7]
Condiciones de operación del sello son las siguientes: [7]
Producto: Nafta
Temperatura: 265 ° C
Presión Succión: 10.2 Kg/cm2
Presión Descarga: 17 Kg/cm2
Presión de la caja: 11.9 Kg/cm2
CAPITULO III
66
Elementos flexibles
En aplicaciones de tan alta temperatura, no se recomienda un sello con elemento
flexible rotatorio, por la siguiente razón. [5]
Con tan alta temperatura, la carcasa de la bomba sufre de un desalineamiento
impredecible y asimétrico, perdiendo la escuadra entre el eje y la cara de la caja del
sello (ver figura 3.3). [5]
El estándar API 682 establece que el error en perpendicularidad en la cara de la caja
del sello respecto al eje de la bomba no debe ser mayor de .0005 in / in de diámetro
interno de la caja de sello. [5]
Cumplir con este requerimiento es esencial para lograr adecuados niveles de
confiabilidad cuando se utilizan sellos de elemento flexible rotatorio. [5]
Figura 3.3 Cara de la caja de sello
El estándar API 682 establece que se deberá considerar la utilización de un sello con
elemento flexible estacionario cuando exista distorsión térmica que afecte a la
perpendicularidad en la cara de la caja de sello respecto al eje de la bomba. [5]
CAPITULO III
67
La utilización de elemento flexible rotatorio es inadecuada para bombas de alta
temperatura porque se produce fatiga excesiva sobre el fuelle metálico, según el caso.
Es necesario utilizar sellos mecánicos con el elemento flexible estacionario en bombas
que operan a temperatura mayor de 176 ° C. [5]
3.2.2 Plan API y Fluido barrera existente en la bomba P-2103
Nafta caliente como lubricante
Un requisito para que un sello mecánico cumpla con las 25,000 hrs que marca el
Estándar API 682, es que las caras del sello estén lubricadas por un fluido, que tenga
altas propiedades lubricantes, que este no se degrade con la temperatura a corto plazo. [7]
La nafta caliente, a 265 ° C no forma una buena película de lubricación entre las caras
del sello, sumándole que al ir avanzando a través de las caras del sello, se va
incrementando la presión y la temperatura, al someter la nafta a estos incrementos, en
algunas ocasiones o en los llamados puntos críticos del proceso estos incrementos,
pueden provocar que la nafta pase del estado liquido al estado gaseoso de manera
violenta lo que se denomina (Flasheo) lo que es letal para las caras del sello, por lo
tanto se reduce de manera significativa, la vida del sello mecánico. [7]
Plan API 11
En el plan 11, el producto es dirigido desde la descarga de la bomba hacia la caja de la
bomba (cámara del sello) para proveer enfriamiento al sello mecánico y retirar el vapor
y las bolsas de aire de la misma al arranque del equipo. Entonces el fluido circula del
fondo de la caja de la bomba hacia el lado del proceso (ver figura 3.4). [18]
CAPITULO III
68
Elementos:
1. Descarga de la bomba.
2. Inyección de un liquido (F).
3. Lavado / Drenado (Q / D).
4. Cámara del sello.
Figura 3.4 Plan API 11 recirculación [18]
Sin embargo, ¿Qué efecto secundario adverso tenemos como resultado de utilizar el
plan 11? [18]
1. El enfriamiento que se provee en la caja del sello es mínimo, es decir la temperatura
en la caja del sello permanece casi igual. [18]
2. La presión de la caja del sello se incrementa y se acerca a la presión de descarga,
esta alta presión deforma al fuelle metálico del sello estándar tipo “C” y altera
desfavorablemente a la línea de balance hidráulico del sello interno, es decir se produce
mucha mayor fuerza de cierre entre sus caras, Esto afecta la confiabilidad del sello
mecánico presentando fallas frecuentes. [18]
Plan API 52
Plan 52 es usado con sellos en arreglo 2, con sellos húmedos de contención
(configuración 2CW-CW) utilizando un sistema de fluido amortiguador. Es normalmente
usado en servicios donde la fuga de fluido de proceso a la atmosfera debe ser
minimizada y contenida. El fluido barrera es contenido en un tanque el cual es venteado
a un sistema de recuperación, manteniendo así el sistema cerrado a la atmosfera
proceso (ver figura 3.5). [18]
CAPITULO III
69
Elementos:
1. Al sistema recolector.
2. Tanque.
3. Entrada fluido barrera.
4. Inyección de un liquido (F).
5. Salida fluido barrera (LBO).
6. Entrada fluido barrera (LBI).
7. Cámara del sello.
Figura 3.5 Plan API 52 sello dual no presurizado [18]
Al utilizar plan 52 la alta presión en la caja del sello provoca que la película entre las
caras se forme del fluido de proceso (nafta) y no del fluido barrera e incrementando la
presión y la temperatura en las caras del sello, provocando que la nafta caliente pase
del estado liquido al estado gaseoso de manera violenta, lo que se denomina (Flasheo)
por lo tanto se reduce de manera significativa la vida del sello mecánico. [18]
3.3 Mejora de selección de sello mecánico para la bomba P-2103
La norma API 682 establece que la configuración del sello para aplicaciones de alta
temperatura (Nafta a 265 °C) es la siguiente: [5]
CAPITULO III
70
Categoría 2
Su uso está restringido para sellar hasta temperaturas que van desde los -40°C (-40 °F)
hasta 400 °C (750 °F) y presiones absolutas de hasta 4.2 MPa (42 Bar). [5]
Tipo A
Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello de empuje multiresorte
en el cual el elemento flexible es estacionario. [18]
Sello de empuje estacionario: [18]
Temperatura: -40°C A 176°C (-40°F A 350 °F)
Presión: 41 bar g (315 psi)
Resortes múltiples: Alloy c-276
O-ring: FKM O FFKM, NBR, HNBR, EPDM, TFE
Arreglo 3
Configuración de sello que tiene dos sellos por ensamble cartucho que utiliza un fluido
barrera suministrado externamente. [18]
Sello doble presurizado (arreglo tándem): 3CW-CW (Arreglo 3 contacto húmedo-
contacto húmedo). [18]
Combinación de caras
Carbón al antimonio/Carburo de silicio, Limite de temperatura hasta 425 °C. [1]
Muy buena compatibilidad química con la nafta. [1]
Extremadamente buenas cualidades de disipación de calor. [1]
Muy duro y Muy quebradizo. [1]
CAPITULO III
71
O-ring
Kalrez (Perfluorocarbon, FFKM), Rango de temperatura de -40 a 316°C. Excelente
resistencia química semejante a la del teflón. [9]
Metalurgia
Acero inoxidable 316L SS, Limite de temperatura hasta 160 °C. [12]
3.3.1 Sello CAPI DUAL A1 como solución de sellado en la bomba P-2103
El sello mecánico CAPI DUAL A1, es un sello doble con las siguientes características: [3]
A) Sello de empuje doble, Categoría 2, Tipo A, Arreglo 3CW-CW, Caras
CB(ANTY)/SIC//CB(ANTY)/SIC, O-ring Kalrez Z7075, Metalurgia 316L SS (ver figura
3.6). [3]
B) Elemento flexible estacionario ofertado como estándar para un diseño de empuje.
Resortes no expuestos al fluido de proceso, dado que estos se pueden atascar y dañar
al sello (ver figura 3.7). [3]
C) Diseño de Flush distribuido ofertado como estándar para optimizar el enfriamiento en
las caras del sello. [3]
D) Caras monolíticas, hidráulicamente balanceadas en ambas direcciones, Caras
autoalineables. [3]
E) Anillo de bombeo bi-direccional con un 0.062” (1.5mm) de claro radial entre el
dispositivo de bombeo y el elemento mecánico estacionario (ver figura 3.8). [3]
CAPITULO III
72
F) Se ha comprobado con éxito en condiciones de operación de hasta 230 °C con
KALREZ 7075. Puede manejar con éxito perturbaciones temporales de proceso de
hasta 320 °C. [3]
Figura 3.6 Sello mecánico CAPI DUAL A 1[3]
Figura 3.7 características del sello mecánico doble [3]
Figura 3.8 Anillo de bombeo bi-direccional [3]
CAPITULO III
73
3.3.2 Plan API y fluido barrera como solución en la bomba P-2103
Plan API 21
Se requiere de un plan API 21 (ver figura 3.9) para el enfriamiento y evitar la
vaporización o Flashing de la nafta entre las caras disminuyendo la presión de vapor. [18]
Elementos:
1. Descarga de la bomba.
2. Inyección de un liquido (F).
3. Lavado / Drenado (Q / D).
4. Cámara del sello.
Figura 3.9 Plan API 21[18]
Plan 21 proporciona fluido a una temperatura menor de la de proceso
(Aproximadamente menor a 176 ° C) al sello mecánico. Este es necesario para mejorar
el margen de formación de vapor entre las caras del sello y para no pasar los limites de
temperatura de los elementos de sellado secundario. [18]
El plan 21 al igual que el plan 11 también aumenta la presión en la cámara de la bomba,
para evitar que la película entre las caras se forme del fluido del proceso ocasionado
por el aumento de presión se debe utilizar el plan 53A. [18]
CAPITULO III
74
Plan API 53A
Se recomienda plan API 53A (Ver figura 3.10) para que la película entre las caras se
forme del fluido barrera y no del fluido de proceso, para evitar la formación de vapores
en las caras del sello interno. [18]
Elementos:
1. De una fuente externa de presión.
2. Tanque.
3. Puerto de llenado.
4. Inyección de un liquido (F).
5. Salida fluido barrera (LBO).
6. Entrada fluido barrera (LBI).
7. Cámara del sello.
Figura 3.10 Plan API 53A
Plan 53A es usado con sellos mecánicos en arreglo 3, sello dual presurizado en
servicios donde no se puede tolerar fuga del fluido de proceso a la atmosfera. El fluido
barrera es contenido en un tanque, el cual es presurizado por arriba de la presión de la
cámara del sello. La fuga del sello mecánico interno será hacia el producto del proceso.
Siempre habrá algo de fuga por necesidad de lubricación de las caras de sellado. [18]
La película entre las caras del sello debe de ser de un fluido sintético con buenas
propiedades de lubricación, compatible con el fluido de proceso y con excelente
estabilidad térmica de largo plazo a la temperatura de operación. [18]
CAPITULO III
75
Fluido barrera GT 22
Fluido Barrera GT está recomendado para uso a temperaturas elevadas. Es puro, no
reactivo, líquido sintético que ofrece una lubricación superior y de refrigeración para los
sellos mecánicos dobles y tándem. Proporciona un rendimiento muy estable en el sello
de un rango de temperatura extremadamente amplio. Tiene una excelente fluidez a baja
temperatura y propiedades de transferencia de calor (Tabla 3.1). [19]
• Excelentes propiedades de transferencia de calor: Fluido barrera Royal Purple, es 25
a 30 % mejor que el aceite mineral para mantener frescos los sellos. [19]
• Tamaño Uniforme Molecular: Además de excelente estabilidad térmica de fluido
barrera Royal Purple, proporciona máxima protección contra la formación de sólidos en
el sello de carbono causado por la volatilidad del líquido entre las caras. [19]
• Compatible con la mayoría de fluidos: Fluido barrera Royal Purple, pueden ser
mezclados con aceites minerales, pero no debe ser mezclado con glicol o sintéticos de
silicona. [19]
• Amplio rango de compatibilidad de Sellado: Fluido barrera Royal Purple, es
compatibles con Viton, Neopreno, Buna NBR, óxido de propileno, polietileno
clorosulfonado, polietileno clorado, Kalrez ®, fluroelastomer, nitrilo y otros. [19]
Tabla 3.1 Propiedades y grado de fluido barrera. [19]
GRADO DE FLUIDO BARRERA
PROPIEDADES TÍPICAS 22
PRESIÓN DE VAPOR MMHG A 100°C 0.006
PUNTO DE EBULLICIÓN °F 538
PESO ESPECIFICO 0.799
CAPITULO III
76
3.4 Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103
Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba horizontal P-2103
ubicada en el área 3 de una refinería (Tabla 3.2). [6]
Tabla 3.2 Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103 [6]
Cant. Descripción P. Unitario P. total
SELLO MECANICO COMPLETO $ 190,700.00
Tipo: Capi Dual A 1
Código de Material: CB(a)/ SIC//CB(a)/SIC /K 7075
Tamaño (Diámetro): 3.125”
1
190.700,00
CAMBIADOR DE CALOR: MOD AES27X6C-US $ 67,864.50
Servicio para enfriamiento de producto, Para aplicación del:
Plan 21 API en sello Capi Dual A1 3.125” para la
1
bomba P-2103 ubicada en el Área 3
$67,864.50
TANQUE EN ACERO INOXIDABLE $ 55,130.00
MOD AES 15-5 Para aplicación del Plan 53 API
Servicio para ambientación del sello Capi Dual A1
1
3.125” para la bomba P-2103 ubicada en el Área 3
5 5.130,00
ACEITE SINTETICO BARRIER FLUID $ 4,070.00
Aceite sintético Royal Purple Barrier Fluid GT 22
1
Presentación: Recipiente con 19 litros.
4 .070,00
SUBTOTAL $ 317,764.50 IVA 15% $ 47,664.68 TOTAL $ 365,429.18
PRESIO: MONEDA NACIONAL MXP
CONCLUSIONES
77
CONCLUSIÓNES
A alta temperatura el sello existente de elemento flexible rotatorio, no puede compensar
a la deformación térmica de la bomba. La nafta a 265 °C no forma una buena película
de lubricación entre las caras del sello, porque incrementa la presión y la temperatura,
provocando que la nafta pase del estado liquido al estado gaseoso. El uso del plan API
11 es inadecuado, porque la presión de la caja del sello se incrementa y se acerca a la
presión de descarga, es decir a 16 kg/cm2, este incremento de presión produce mucha
mayor fuerza de cierre entre las caras del sello.El uso del plan 52 es inadecuado para
manejo de fluidos con pobre propiedades de lubricación y que vaporizan entre las caras
del sello, porque la película entre las caras se forme del fluido de proceso (nafta) y no
del fluido barrera. Todo esto factores anteriormente provocan la falla del sello mecánico
existente.
El sello mecánico como solución es el Sello CAPI DUAL A1, Categoría 2, Tipo A,
Arreglo 3CW-CW, con elemento flexible estacionario que cumple con las normas API.
Por seguridad y confiabilidad debe estar ambientado con plan API 21 y 53A. El plan API
21 es utilizado para reducir la temperatura de la caja del sello a menos de 176 °C y
evitar la vaporización o Flasheo de la nafta entre las caras del sello interno. El plan API
53A es utilizado para que la película entre las caras se forme del fluido barrera y no del
fluido de proceso, para evitar la formación de vapores entre las caras del sello interno.
La utilización de fluido barrera Royal Purple GT 22 garantiza que la película formada
entre las caras sea estable y de larga duración, el cual es un aceite sintético, limpio,
inerte al producto y con excelente estabilidad térmica de largo plazo a alta temperatura.
GLOSARIO
78
GLOSARIO
Caja de sellado: Componente ya sea integrado o separado del cuerpo de la bomba
que está formada por el espacio entre el eje y el cuerpo de la bomba en donde se
instala el sello mecánico.
Drain (D): Puerto en el lado atmosférico del sello mecánico para dirigir las emisiones,
condensados y fugas a un recipiente o al drenaje aceitoso.
Elastómero: Polímero natural o sintético que presenta propiedades elásticas.
Estepero: Caja de alojamiento del sello mecánico.
FFKM perfluoro elastómero: O-ring químicamente resistente adecuado para servicios
de alta temperatura.
Flasheo: Cambio de fase de líquido a gas en las caras del sello mecánico.
Fluido barrera: Suministrado externamente a una presión mayor que la presión en la
caja de sallado, usado en sellos en arreglo 3 para aislar completamente el liquido de
proceso del medio ambiente.
Flush (F): Inyección de un líquido para lubricar y enfriar las caras de contacto del sello
mecánico.
Fretting: Erosión por corrosión en las superficies donde los empaques secundarios
hacen contacto sobre la manga o eje, debido a movimientos oscilatorios del equipo.
Housing: Caja del sello mecánico removible.
Lapeado: Proceso para dar la planicidad requerida a las caras de contacto del sello
mecánico.
LBI: Entrada fluido barrera.
LBO: Salida del fluido barrera.
Polimerización: Reacción que enlaza moléculas de escasa masa molecular formando
compuestos de masa molecular elevada.
Quench (Q): Puerto en el lado atmosférico del sello mecánico para lavar o calentar las
emisiones del sello mecánico.
Reservoir: Tanque o recipiente usado en los planes de lubricación al sello mecánico.
GLOSARIO
79
Sellos Dobles: Consisten en dos sellos sencillos lubricados para un fluido barrera, lo
cual proporciona una zona neutral en la que se hace recircular el fluido de barrera a
mayor presión que la del fluido en operación.
Sellos de Empuje: Utilizan como elementos sellantes secundarios empaques
deslizantes que pueden ser o-ring, cuñas y anillos.
Sello Balanceado: Cuando aumenta el área de las caras de contacto, mediante la
reducción del diámetro interior del anillo primario por debajo del diámetro del eje o
camisa, aliviando la presión entre dichas caras.
Sello No Balanceado: La presión hidráulica se transmite totalmente a las caras de
contacto.
Sellos Sencillos: Cubren satisfactoriamente el mayor número de aplicaciones de sellos
mecánicos, pueden montarse interiormente o exteriormente. En la actualidad debido a
las exigencias y regulaciones ambientales y el alto grado de peligrosidad de los fluidos
manejados están siendo sustituidos por sellos dobles.
Sellos Tandem: Es un arreglo de dos sellos sencillos donde el primer sello (principal)
es lubricado por el fluido bombeado y el segundo sello (auxiliar) es lubricado por un
fluido barrera que recircula a presión atmosférica.
Chevron: Conjunto de empaquetadura compuesto de base, anillos intermedios y tapa.
Comúnmente utilizado en bombas de desplazamiento positivo o grandes cilindros
hidráulicos.
BIBLIOGRAFIA
80
BIBLIOGRAFÍAS
1. AESSEAL, Manual premio de bronce / Curso de entrenamiento de sellado
mecánico, 1996.
2. AESSEAL, Manual premio de plata / Curso de entrenamiento de sellado
mecánico, 1996.
3. AESSEAL, Productos para la industria de petróleo y gas,
ftp://ftp.aesseal.co.uk/downloads/pub/literature/L-MX-CAPIMAIN.pdf, octubre del
2009.
4. AESSEAL, Seal Application Order / Enquiry Form (SAF),
ftp://ftp.aesseal.co.uk/downloads/pub/literature/seal_form.doc, octubre del 2009.
5. ANSI/API Standard 682, Pumps—Shaft Sealing Systems for Centrifugal and
Rotary Pumps, Third Edition, 2004.
6. Documento interno de trabajo con información de cotización de sello en la bomba
horizontal P-2103 ubicada en la refinería Lázaro Cárdenas 2007, AESSEAL.
7. Documento interno de trabajo con información técnica del sello existente
instalado en la bomba horizontal P-2103, de la bomba horizontal P-2103 y del
fluido que transporta la bomba horizontal P-2103 1997, AESSEAL.
8. Irmaco, AISI 316L, http://www.irmaco.com/Productos/inoxidable.htm, octubre del
2009.
BIBLIOGRAFIA
81
9. Itzamna, Análisis del funcionamiento de dispositivos de sellado en equipos de
bombeo, compresión y válvulas en procesos industriales,
http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/17/1/ANALIS%20D
E%20FUNCIONAMIENTO%20DE%20DISPOSITIVOS%20DE%20SELLADO%2
0ENE%20QUIPOS%20DE%20BOMBEO.pdf, octubre del 2009.
10. John Crane, Manual sellos mecánicos & Sistemas de lubricación y enfriamiento
(Planes API), 2006.
11. Kenneth M. Pruett, Chemical resistance guide for elastomers II, compass
publications, 1995.
12. Kenneth M. Pruett, Chemical resistance guide for metal and alloys, compass
publications, 1995.
13. Mailxmail, Capitulo 3: Sello mecánico. Empaquetadura,
http://www.mailxmail.com/curso-bombas-centrifugas/sello-mecanico-
empaquetadura, octubre del 2009.
14. Megamex, Hastelloy B-3, http://www.megamex.com/span/hastelloy_b-3.htm,
octubre del 2009.
15. Megamex, Hastelloy, Aleación de níquel C-276,
http://www.megamex.com/span/hastelloy-c-276-c276-nickel-alloy.htm, octubre
del 2009.
16. Novatec, Sellos mecánicos, principio de operación, tipos y aplicaciones,
http://www.novatec.cr/Utilitarios/Burgmann_Sellos%20mecanicos/Principios_Sell
os-mecanicos.pdf, octubre del 2009.
BIBLIOGRAFIA
82
17. Pemex, Bombas centrifugas,
http://www.pemex.com/files/standards/definitivas/nrf-050-pemex-2001.pdf,
octubre del 2009.
18. Petróleos Mexicanos, Lineamiento técnico para la selección, instalación,
operación y mantenimiento de sellos mecánicos en las instalaciones de petróleos
mexicanos y organizaciones subsidiarias, 2007.
19. Royal purple industrial, Barrier Fluid GT, http://www.royal-purple-
industrial.com/pdfsi/bfgtps.pdf, octubre del 2009.
ANEXO A
83
ANEXO A
ARREGLO Y CONFIGURACIÓN DE SELLOS
Arreglo1
a) 1CW-FX, contacto húmedo-buje de restricción fijo [5]
b) 1CW-FL, contacto húmedo-buje de restricción flotante [5]
ANEXO A
84
Arreglo 2
a) 2CW-CW, Contacto húmedo-contacto húmedo [5]
b) 2CW-CS, contacto húmedo-sello contención [5]
c) 2NC-CS, no contacto húmedo-sello contención [5]
ANEXO A
85
Arreglo 3
a) 3CW-FB, contacto húmedo-cara a espalda [5]
b) 3CW-BB, contacto húmedo-espalda a espalda [5]
c) 3CW-FF, contacto húmedo-cara a cara [5]
ANEXO A
86
Arreglo 3 (Continuación)
c) 3NC-BB, sin contacto-espalda a espalda [5]
d) 3NC-FF, sin contacto-cara a espalda [5]
e) 3NC-FB, sin contacto-cara a cara [5]
ANEXO B
87
ANEXO B
GUÍA DE RESISTENCIA QUÍMICA PARA METALES Y ALEACIONES [12]
Clasificación simbólica
La profundidad de la corrosión por unidad de superficie
A ≤ 0,002 mm por año (<0,05 mm / año.)
B ≤0,020 mm por año (<0,50 mm / año.)
C ≤0,050 mm por año (<1,27 mm / año.)
NR > 0.050 inches per year or explosive, not recommended.
Q Cuestionable (probablemente inadecuada)
Blanco No hay datos
ANEXO B
88
Guía de resistencia química para metales y aleaciones [12]
ANEXO B
89
Guía de resistencia química para metales y aleaciones [12]
ANEXO B
90
Guía de resistencia química para metales y aleaciones [12]
ANEXO C
91
ANEXO C
GUÍA DE RESISTENCIA QUÍMICA PARA ELASTÓMEROS II [11]
CLASIFICACION VOLUMÉTRICO INFLAMACIÓN
PÉRDIDA DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
DESCRIPCIÓN DE ATAQUE
A ≤15% en 30 días a 1 año
≤15% en 30 días a 1 año
Excelente, muy poca o ninguna hinchazón o ablandamiento o deterioro de la superficie.
B ≤30% en 30 días a 1 año
≤30% en 30 días a 1 año
Ataque químico Menor, inflamación, reblandecimiento o deterioro de la superficie.
C ≤50% en 30 días a 1 año
≤60% en 30 días a 1 año
Ataque químico moderado. Conditional service. Servicio condicional.
NR ≥ 50% de forma inmediata a 1 año
> 60% de forma inmediata a 1 año
Ataque severo, inflamación, de ablandamiento, o disueltos en cuestión de minutos o años. No se recomienda.
Q - -- - -- Resistencia cuestionable. El uso de dudoso cobro.
TEST PRUEBA - -- - -- De prueba antes de usar.
ANEXO C
92
Guía de resistencia química para elastómeros II [11]
ANEXO C
93
Guía de resistencia química para elastómeros II [11]