Los mejores métodos de sellado para sistemas de bombas de alta presión

Las bombas de alta presión son componentes esenciales en muchas aplicaciones industriales, desde la producción de petróleo y gas hasta el procesamiento químico. Mantener un rendimiento de sellado óptimo en estos entornos exigentes es fundamental para garantizar la confiabilidad, la seguridad y la eficiencia del equipo.

En este artículo se analizan las consideraciones y técnicas clave para sellar eficazmente los sistemas de bombas de alta presión. Profundizaremos en las necesidades específicas de las aplicaciones de alta presión, examinaremos varios tipos de sellos y sus configuraciones, analizaremos la selección de materiales y destacaremos la importancia de los sistemas de soporte de sellos.

Necesidades de sellado a alta presión

Desafíos de los entornos de alta presión

Los sistemas de bombas de alta presión funcionan en condiciones extremas que ponen a prueba los límites de los métodos de sellado tradicionales. A medida que aumenta la presión, las fuerzas que actúan sobre los sellos se intensifican exponencialmente. Esto crea un entorno desafiante en el que los sellos deben soportar no solo una presión inmensa, sino también altas temperaturas, medios corrosivos y posibles contaminantes.

Mantenimiento de la integridad del fluido de barrera

Otro aspecto fundamental del sellado a alta presión es mantener la integridad del fluido de barrera. Este fluido, a menudo presurizado a un nivel mayor que el medio de proceso, actúa como la primera línea de defensa en el rendimiento y la longevidad del sello. Lubrica las superficies del sello, disipa el calor y evita que la contaminación ingrese a la interfaz de sellado.

Sin embargo, a medida que aumenta la diferencia de presión entre el fluido de barrera y el medio de proceso, resulta cada vez más difícil mantener una película de fluido estable entre las caras del sello. Si la presión del fluido de barrera cae por debajo de la presión del proceso, incluso momentáneamente, el medio de proceso puede infiltrarse en la interfaz de sellado, lo que provoca un desgaste acelerado y falla del sello.

Optimización de la vida útil y la confiabilidad de los sellos

Las presiones extremas que se dan en las aplicaciones de bombas de alta presión no solo hacen que las fallas de los sellos sean más importantes, sino que también aceleran el desgaste de los componentes de sellado. Para maximizar la vida útil y la confiabilidad de los sellos de alta presión es necesario equilibrar cuidadosamente múltiples consideraciones de diseño.

Las superficies de sellado deben estar fabricadas con materiales duraderos con excelentes propiedades de resistencia al calor y al desgaste. El diseño geométrico de las superficies de sellado debe promover una lubricación y disipación del calor óptimas. A menudo se incorporan mecanismos adaptativos para permitir que el sello se ajuste automáticamente a medida que cambian las condiciones. La redundancia, como las configuraciones de sellos dobles, proporciona una capa adicional de seguridad contra fugas y fallas.

Tipos de sellos para aplicaciones de alta presión

Sellos mecánicos dobles

Los sellos mecánicos dobles proporcionan una capa adicional de protección contra fugas. En este diseño, se disponen dos sellos independientes en serie, con un fluido de amortiguación circulando entre ellos. El fluido de amortiguación actúa como una barrera, evitando que el fluido de proceso escape a la atmósfera si el sello principal falla.

La disposición de doble sello también permite monitorear el estado del sello. Si el sello principal comienza a tener fugas, la presión del fluido amortiguador cambiará, alertando a los operadores sobre el problema antes de que se produzca una falla total. Este sistema de alerta temprana permite un mantenimiento proactivo y ayuda a evitar costosas paradas no planificadas.

Sellos mecánicos equilibrados

Los sellos mecánicos balanceados están diseñados para igualar las fuerzas hidráulicas que actúan sobre las caras del sello. En un sello desequilibrado, la alta presión del fluido puede generar una fuerza excesiva sobre las caras del sello, lo que provoca un mayor desgaste y una falla prematura. Los sellos balanceados incorporan características como ejes escalonados, conductos de recirculación hidráulica o elementos sensibles a la presión para contrarrestar estas fuerzas.

Al equilibrar la presión, estos sellos reducen la fricción y la generación de calor en las caras del sello. Esto prolonga la vida útil del sello y permite el funcionamiento a presiones y velocidades más altas. Los sellos equilibrados son especialmente adecuados para aplicaciones con altas presiones de fluido, diámetros de eje grandes o arranques y paradas frecuentes.

Configuraciones de sellos

Cara a cara

En una configuración cara a cara, se montan dos sellos mecánicos con sus caras de sello apuntando una hacia la otra. Esta disposición permite un diseño compacto y simplifica la instalación y el mantenimiento. Los sellos cara a cara se utilizan a menudo en aplicaciones con espacio limitado o donde se requiere un fácil acceso a los sellos.

Sin embargo, los sellos cara a cara pueden ser más susceptibles a la acumulación de calor, ya que el calor generado por un sello puede transferirse al otro.

Espalda con espalda

Las configuraciones de sellos espalda con espalda tienen las caras del sello apuntando en direcciones opuestas. Esta disposición proporciona una excelente resistencia a las fluctuaciones de presión y a la expansión térmica. La orientación opuesta de los sellos ayuda a equilibrar las fuerzas axiales, lo que reduce el desgaste de las caras del sello.

Los sellos de unión en serie se utilizan comúnmente en aplicaciones de alta presión y alta temperatura. También son adecuados para sistemas con ciclos de presión frecuentes o donde el choque térmico es un problema.

Configuraciones en tándem

Las configuraciones de sellos en tándem consisten en dos sellos montados en la misma dirección, con un fluido amortiguador entre ellos. Esta disposición combina los beneficios de los sellos dobles y los sellos equilibrados. El sello primario maneja el fluido de proceso de alta presión, mientras que el sello secundario contiene el fluido amortiguador y brinda protección de respaldo.

Los sellos en tándem ofrecen una prevención superior de fugas y permiten monitorear el rendimiento del sello. Se utilizan a menudo en aplicaciones críticas donde se requiere máxima confiabilidad, como en el procesamiento petroquímico o la generación de energía.

Sistemas de sellos mecánicos de dos etapas

Para aplicaciones de presión extremadamente alta, de doble etapa sello mecánico Se pueden emplear sistemas de cierre mecánico. En este diseño se utilizan dos juegos de sellos mecánicos, con un buje de estrangulación o sello laberíntico entre ellos. La primera etapa reduce la presión a un nivel manejable, mientras que la segunda etapa proporciona el sellado final.

Los sistemas de dos etapas permiten sellar presiones que serían poco prácticas o imposibles con un sello único. También ofrecen mayor seguridad, ya que los múltiples puntos de sellado reducen el riesgo de falla catastrófica. Sin embargo, estos sistemas son más complejos y requieren un diseño y un mantenimiento cuidadosos para garantizar un funcionamiento adecuado.

A continuación se muestra la sección Selección de materiales y sistemas de soporte de sellado, redactada de acuerdo con las instrucciones proporcionadas:

Selección de materiales

Sistemas de soporte de sellos

Los sellos mecánicos de alta presión a menudo requieren sistemas de soporte adicionales para funcionar correctamente y lograr una vida útil óptima. Estos sistemas auxiliares mantienen un entorno limpio y fresco alrededor de las caras del sello, lo cual es esencial para evitar el desgaste prematuro, la distorsión de las caras y la degradación del fluido. Los dos tipos principales de sistemas de soporte de sellos son Plan API 54 y el Plan 53A.

Plan API 54

El Plan 54 de API, también conocido como sistema de “circuito cerrado”, hace circular un fluido de barrera limpio y frío entre las cavidades del sello doble. El fluido de barrera se mantiene a una presión superior a la del fluido bombeado, lo que evita que el fluido de proceso entre en las cavidades del sello.

El circuito cerrado incluye un depósito, una bomba de circulación, un intercambiador de calor e instrumentación para controlar la presión, la temperatura y el nivel del fluido de barrera. Los sistemas Plan 54 brindan un excelente rendimiento y durabilidad del sello, pero requieren un diseño y un mantenimiento cuidadosos para garantizar un funcionamiento confiable.

Plan API 53

El Plan 53A de API, o “inyección de fluido de barrera”, es un sistema de soporte más simple que inyecta un fluido limpio en la cavidad del sello desde una fuente externa. El fluido de barrera generalmente se inyecta a una presión de 15 a 25 psi por encima de la presión de la cámara de sello.

Si bien los sistemas del Plan 53A son menos complejos que los del Plan 54, no proporcionan enfriamiento y requieren un suministro continuo y confiable de fluido de barrera limpio.