Cómo seleccionar sellos mecánicos para altas temperaturas

¿Qué es el sello mecánico para alta temperatura?

Un sello mecánico para altas temperaturas es un componente fundamental en los equipos rotativos que funcionan en condiciones de calor extremo. Estos sellos especializados están diseñados para soportar temperaturas elevadas y, al mismo tiempo, mantener su eficacia de sellado, evitar fugas y garantizar un funcionamiento confiable. Los sellos mecánicos para altas temperaturas se utilizan en diversas industrias, como la del petróleo y el gas, el procesamiento químico, la generación de energía y la industria aeroespacial.

Los sellos mecánicos de alta temperatura están diseñados para enfrentar los desafíos únicos que plantean los entornos de temperatura elevada. Deben lidiar con la expansión térmica, la degradación del material, la vaporización del fluido y la posible coquización o ensuciamiento de los componentes del sello. Para abordar estos problemas, los sellos de alta temperatura incorporan características como caras de sello equilibradas, componentes flotantes y combinaciones avanzadas de materiales que pueden soportar calor extremo y mantener su estabilidad dimensional.

Desafíos de los entornos de alta temperatura en los sellos mecánicos

Degradación de materiales

Las temperaturas elevadas pueden provocar que los materiales de sellado se degraden, pierdan propiedades mecánicas y fallen prematuramente. Los polímeros, elastómeros e incluso metales pueden ablandarse, volverse quebradizos o sufrir cambios químicos a altas temperaturas, lo que compromete el rendimiento del sellado.

Expansión térmica y deformación mecánica

Las fluctuaciones y los gradientes de temperatura pueden provocar una expansión térmica diferencial entre los componentes del sello y los equipos adyacentes. Esto puede provocar deformación mecánica, pérdida de contacto de sellado y vías de fuga.

Vaporización de fluidos y funcionamiento en seco

Los fluidos a alta temperatura son propensos a la vaporización, especialmente en la interfaz de sellado. La vaporización puede provocar condiciones de funcionamiento en seco, mayor desgaste y fallas en el sello. Mantener una película de fluido estable es fundamental para la lubricación del sello y la disipación del calor.

Coquización y ensuciamiento de los componentes del sello

Ciertos fluidos de alta temperatura, como los hidrocarburos, pueden coquearse o dejar depósitos en las superficies y los componentes del sello. La coqueificación y la suciedad alteran la interfaz de sellado, causan desgaste abrasivo y perjudican el rendimiento del sello.

Factores clave en la selección de sellos mecánicos para servicio a alta temperatura

Propiedades del fluido de proceso

Las propiedades del fluido de proceso desempeñan un papel fundamental a la hora de determinar el sello mecánico adecuado para el servicio a alta temperatura. Entre los factores clave se incluyen la composición química del fluido, la viscosidad y el potencial de cambios de fase a temperaturas elevadas.

Por ejemplo, los fluidos con altas presiones de vapor pueden requerir diseños de sellos especializados para evitar la vaporización y mantener el líquido en la interfaz de sellado. Además, los fluidos corrosivos o agresivos pueden requerir el uso de materiales y elastómeros resistentes a los productos químicos para las superficies de sellado a fin de evitar fallas prematuras.

Límites de temperatura de los materiales de sellado

Los entornos de alta temperatura pueden llevar los materiales de los sellos al límite, por lo que es esencial seleccionar componentes que puedan soportar las condiciones de funcionamiento previstas. La temperatura máxima nominal de los materiales de las caras de los sellos, como el carburo de silicio, el carburo de tungsteno y el grafito de carbono, debe evaluarse cuidadosamente para garantizar que puedan mantener su integridad y sus propiedades tribológicas a la temperatura de funcionamiento deseada.

De manera similar, los elastómeros utilizados en sellos secundarios, como FKM, FFKM y PTFE, deben elegirse en función de su estabilidad de temperatura y su capacidad para conservar sus propiedades de sellado en condiciones de alta temperatura.

Capacidades de presión de los diseños de sellos

La clasificación de presión de un sello mecánico es otro factor crítico en aplicaciones de alta temperatura. Los diseños de sellos deben ser capaces de soportar las presiones operativas esperadas sin comprometer la integridad de la interfaz de sellado ni permitir fugas excesivas.

Los sistemas de sellos en tándem y en serie se emplean a menudo en servicios de alta presión y alta temperatura para proporcionar redundancia de sellado adicional y mejorar las capacidades de presión. La selección de materiales de cara de sello con alta resistencia a la compresión y el uso de diseños de carcasa de sello robustos pueden mejorar aún más el rendimiento de presión de los sellos mecánicos en entornos exigentes de alta temperatura.

Velocidad del eje y dinámica del equipo

La velocidad de rotación del equipo y la dinámica asociada del eje pueden afectar significativamente el rendimiento de los sellos mecánicos en aplicaciones de alta temperatura. Las altas velocidades del eje pueden generar un aumento del calor en la interfaz de sellado debido a la fricción, lo que conduce a un desgaste acelerado y una posible distorsión térmica de los componentes del sello.

Para mitigar estos problemas, se pueden emplear diseños de sellos con características de lubricación mejoradas, como ranuras espirales o patrones de caras grabadas con láser, para mejorar la disipación de calor y mantener una película de fluido estable entre las caras del sello. Además, el uso de sellos secundarios de grafito flexible o Grafoil puede adaptarse a la desalineación del eje y minimizar el impacto de la dinámica del equipo en el rendimiento del sello en servicio a alta temperatura.

Tipos y configuraciones de sellos mecánicos para aplicaciones de alta temperatura

Disposición espalda con espalda

En una disposición de sellos espalda con espalda, se montan dos sellos mecánicos con sus placas posteriores enfrentadas. Esta configuración permite que un fluido de enfriamiento o barrera circule entre los sellos, lo que controla eficazmente la disipación del calor.

Los sellos back to back son ideales para aplicaciones de alta temperatura donde el fluido del proceso está particularmente caliente o donde la expansión térmica de los componentes es un problema. El fluido de barrera ayuda a mantener un entorno estable para las caras del sello, lo que evita la degradación del material y garantiza un rendimiento óptimo.

Acuerdo cara a cara

Las configuraciones de sellos cara a cara cuentan con dos sellos mecánicos montados con sus caras de sello orientadas una hacia la otra. Esta configuración es beneficiosa en aplicaciones de alta temperatura donde el fluido del proceso está limpio y no representa un riesgo de obstrucción o ensuciamiento de los componentes del sello.

Los sellos cara a cara permiten una disipación eficiente del calor a través de las caras del sello, ya que el fluido de enfriamiento puede entrar en contacto directo con ambos conjuntos de caras. Esta disposición se utiliza a menudo junto con un plan de tuberías adecuado para garantizar la refrigeración y lubricación adecuadas de las caras del sello.

Disposición en tándem

Los sistemas de sellos en tándem consisten en dos sellos mecánicos montados en serie, con un fluido de amortiguación entre ellos. Esta configuración proporciona un nivel adicional de protección contra fugas y se utiliza comúnmente en aplicaciones de alta temperatura donde el fluido del proceso es peligroso o ambientalmente sensible.

El fluido amortiguador sirve para lubricar y enfriar las superficies de sellado, al mismo tiempo que actúa como barrera entre el fluido de proceso y la atmósfera. Los sellos en tándem son particularmente eficaces para evitar la vaporización del fluido y el funcionamiento en seco, ya que el fluido amortiguador mantiene un estado líquido incluso a temperaturas elevadas.

Guía de selección de materiales para sellos mecánicos de alta temperatura

Materiales de la cara:

• Carburo de silicio: alta conductividad térmica, resistencia al desgaste, compatibilidad química, resistencia al choque térmico. Adecuado para temperaturas de hasta 1800 °F (982 °C).
• Carburo de tungsteno: Resistencia superior al desgaste, ideal para entornos abrasivos.
• Grafito de carbono: Autolubricante, térmicamente estable, adecuado para condiciones de funcionamiento en seco y temperaturas de hasta 1000 °F (538 °C).

Elastómeros:

• Fluoroelastómeros (FKM): Buenos para temperaturas de hasta 400 °F (204 °C), ofrecen buena resistencia química.
• Perfluoroelastómeros (FFKM): pueden soportar temperaturas de hasta 600 °F (316 °C) y proporcionan una resistencia química excepcional.
• Politetrafluoroetileno (PTFE): Excelente estabilidad térmica, baja fricción, inercia química. Adecuado para temperaturas de hasta 500 °F (260 °C).

Metalurgia:

• Aceros inoxidables (por ejemplo, 316L, 17-4PH): resistencia, durabilidad, resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas.
• Aleaciones Hastelloy e Inconel: resistencia superior a la corrosión y rendimiento a altas temperaturas. Ideal para entornos químicos agresivos y temperaturas superiores a 1000 °F (538 °C).

Sellos secundarios:

• Grafito flexible: Excelente capacidad de sellado, conductividad térmica y resistencia química. Adecuado para temperaturas de hasta 1200 °F (649 °C).
• Grafoil: Propiedades similares al grafito flexible, puede soportar temperaturas de hasta 850°F (454°C).

Sistemas de soporte de sellos mecánicos para servicio a alta temperatura

Sistemas de fluidos de barrera y tampón

Un sistema de fluido de barrera introduce un líquido compatible entre las caras del sello, lo que crea una barrera física entre el fluido de proceso y la atmósfera. Este fluido de barrera se mantiene a una presión más alta que el fluido de proceso, lo que evita que el fluido de proceso llegue a las caras del sello.

Por el contrario, un sistema de fluido amortiguador utiliza un fluido que es compatible tanto con el fluido de proceso como con los materiales del sello, pero a una presión menor que el fluido de proceso. El fluido amortiguador ayuda a enfriar y lubricar las caras del sello, lo que reduce la generación de calor y extiende la vida útil del sello.

Planos de tuberías

Los planos de tuberías son disposiciones estandarizadas de equipos auxiliares y tuberías que sirven de soporte a los sellos mecánicos en diversas aplicaciones, incluido el servicio a alta temperatura. Estos planos se designan mediante números de acuerdo con la Norma 682 del Instituto Americano del Petróleo (API). Algunos planos de tuberías comunes para sellos mecánicos de alta temperatura incluyen:

• Plan 23: Este plan utiliza un intercambiador de calor para enfriar el fluido de barrera, que circula mediante un anillo de bombeo o una bomba externa. El fluido de barrera enfriado ayuda a mantener temperaturas estables en las caras del sello.
• Plano 52: En esta disposición, un depósito externo suministra fluido amortiguador a la cámara de sellado a través de un buje de estrangulación. El fluido amortiguador ayuda a enfriar y lubricar las caras del sello, mientras que el buje de estrangulación controla el caudal y mantiene la presión diferencial deseada.
• Plan 53A: Este plan combina características de los Planes 52 y 23, utilizando un depósito externo presurizado para suministrar fluido de barrera a la cámara de sellado y un intercambiador de calor para enfriar el fluido circulante.
• Plan 54: Similar al Plan 53A, este plan utiliza un depósito presurizado externo y un intercambiador de calor, pero también incluye un buje de aceleración de espacio libre reducido para controlar el flujo del fluido de barrera y mantener la diferencia de presión.