Funcionamiento en seco sellos mecánicos Se enfrentan a condiciones extremas que destruirían los materiales convencionales en minutos. Estos sellos deben funcionar con poca o ninguna lubricación, lo que genera una intensa fricción y calor que puede superar los 400 °C. La selección correcta del material determina si su sello durará años o fallará catastróficamente.
Dos componentes críticos necesitan materiales especiales: el caras de foca (que crean el sello primario) y los sellos secundarios (juntas tóricas y juntas que evitan fugas alrededor del conjunto).
Materiales de la cara del sello
Carbono-Grafito
El carbono-grafito es el material ideal para sellos de funcionamiento en seco, ya que genera su propia lubricación. La estructura del grafito se cizalla naturalmente a lo largo de las capas moleculares, depositando una película lubricante microscópica en la cara opuesta durante el funcionamiento. Este comportamiento autolubricante significa que el sello funciona esencialmente sobre una interfaz de grafito con grafito, en lugar de un contacto destructivo de metal con metal.
- Grafito de carbono puro Necesita mejoras para funcionar eficazmente en sellos. Los fabricantes impregnan el carbono poroso con resinas, metales o aditivos especiales para aumentar su resistencia y resistencia a la temperatura. El carbono impregnado con resina soporta temperaturas de hasta 250 °C y es resistente a la mayoría de los productos químicos, lo que lo convierte en la opción estándar para aplicaciones generales.
- Carbono impregnado de metal, generalmente relleno de antimonio, ofrece un rendimiento aún mejor en condiciones exigentes. El relleno de antimonio aumenta la conductividad térmica, lo que ayuda a disipar el calor que, de otro modo, destruiría el sello. Estos grados pueden operar continuamente a 370 °C manteniendo sus propiedades lubricantes.
Carburo de silicio (SiC)
El carburo de silicio se ha convertido en el estándar de oro para las caras de sellado duras en aplicaciones de funcionamiento en seco. Su extrema dureza (superada solo por el diamante) y su excepcional conductividad térmica le permiten sobrevivir a condiciones que agrietan otras cerámicas. El SiC conduce el calor fuera de la zona de fricción cinco veces mejor que la alúmina, previniendo los puntos calientes que causan... falla del sello.
Hay dos tipos principales que satisfacen diferentes necesidades en aplicaciones de sellos.
- SiC unido por reacción Contiene entre un 8 y un 12 % de silicio libre, lo que limita su resistencia química a un pH de 4 a 11 pero proporciona excelentes características de desgaste.
- SiC sinterizado directamente Ofrece casi el 100% de pureza, resistiendo prácticamente todos los productos químicos y manteniendo una resistencia superior.
La principal debilidad del material es su fragilidad: los cambios rápidos de temperatura pueden provocar grietas catastróficas.
Los ingenieros suelen combinar el SiC con superficies de carbono-grafito para crear la combinación ideal. El carbono proporciona lubricación, mientras que el SiC ofrece una superficie dura y termoconductora que resiste el desgaste y disipa el calor eficazmente.
Carburo de tungsteno (WC)
El carburo de tungsteno aporta tenacidad mecánica a las superficies de sellado donde el carburo de silicio podría agrietarse. El WC está compuesto por granos de carburo de tungsteno cementados con un aglutinante de cobalto o níquel, lo que crea un material que soporta mejor la vibración y los impactos mecánicos que cualquier cerámica. Esta tenacidad lo hace valioso en bombas que experimentan cavitación o funcionamiento intermitente.
El material no se autolubrica, lo que lo hace inadecuado para el funcionamiento en seco en condiciones de alta fricción. Las caras de carburo de tungsteno deben rozar siempre con el carbono-grafito para evitar la fricción destructiva y el desgaste por rozamiento. Incluso con una correcta combinación, el WC genera más calor que el SiC debido a su mayor coeficiente de fricción con el carbono.
El WC sigue siendo popular en servicios lubricados con aceite y condiciones moderadas, donde su tenacidad aporta valor. Para aplicaciones realmente secas o de alta temperatura, el carburo de silicio lo ha reemplazado en gran medida.
Materiales de juntas tóricas de elastómero
Monómero de etileno propileno dieno (EPDM)
El EPDM destaca en aplicaciones de agua caliente y vapor, manteniendo su flexibilidad hasta 150 °C con breves variaciones de temperatura hasta 180 °C. Su estructura de polímero saturado resiste el ozono y la intemperie que destruyen el nitrilo, lo que lo hace adecuado para instalaciones expuestas. Los sellos templados con vapor y los servicios cáusticos se benefician especialmente de la resistencia química del EPDM.
La principal debilidad del material es su incompatibilidad con los productos derivados del petróleo. El EPDM se hincha de forma destructiva en aceites y disolventes de hidrocarburos, lo que lo hace inadecuado para cualquier equipo lubricado con aceite. Incluso los lubricantes de montaje deben ser a base de silicona en lugar de petróleo.
Fluorocarbono (FKM, p. ej. Viton®)
Los elastómeros FKM se han convertido en el estándar de la industria para aplicaciones de sellado exigentes, combinando una resistencia a la temperatura continua de 200 °C con una amplia resistencia química. Las juntas tóricas de Viton son resistentes a aceites, combustibles, ácidos y la mayoría de los disolventes, manteniendo la integridad del sellado a temperaturas que destruyen otros cauchos. Su baja permeabilidad a los gases hace que el FKM sea ideal para aplicaciones de sellado al vacío y a los gases.
Sin embargo, este material falla en agua caliente, vapor y bases fuertes, lo que provoca una rápida degradación. Las aminas y ciertos disolventes polares también atacan los grados estándar de FKM.
La mayoría de los sellos de funcionamiento en seco especifican juntas tóricas de FKM por defecto. La combinación de resistencia térmica y compatibilidad química cubre la mayoría de las aplicaciones industriales, lo que justifica su precio moderado sobre los elastómeros básicos.
AFLAS (copolímero TFE/P)
AFLAS cubre las deficiencias del FKM, especialmente en servicios de vapor y aminas. Este copolímero de tetrafluoroetileno-propileno mantiene la estabilidad a 200 °C, a la vez que resiste las bases y el vapor que destruyen el Viton. Las aplicaciones de petróleo y gas valoran especialmente el AFLAS por su resistencia a gases ácidos y amoníaco.
El material sacrifica cierta resistencia a los hidrocarburos en comparación con el FKM. Los disolventes aromáticos y los compuestos clorados provocan mayor hinchamiento en el AFLAS, lo que limita su uso en algunos procesos químicos.
Los sellos de refinería expuestos a vapor a alta presión o inhibidores de corrosión de amina suelen especificar AFLAS. Este material es más costoso que el FKM estándar, pero más económico que los perfluoroelastómeros, lo que ofrece una solución rentable para desafíos químicos específicos.
Perfluoroelastómero (FFKM, por ejemplo, Kalrez®)
Los perfluoroelastómeros representan la cumbre de la tecnología de elastómeros, resistiendo temperaturas continuas de hasta 280 °C (los grados especiales hasta 330 °C) y resistiendo prácticamente cualquier producto químico. El FFKM combina la inercia química del PTFE con la auténtica elasticidad del caucho, manteniendo la fuerza de sellado a temperaturas que carbonizan otros elastómeros.
Las extraordinarias propiedades del material tienen un coste extraordinario, a menudo entre 10 y 50 veces superior al del FKM. Sus propiedades mecánicas son ligeramente inferiores a las de los elastómeros estándar, lo que requiere una manipulación cuidadosa durante la instalación.
El FFKM se vuelve esencial cuando nada más sobrevive. Los compresores de cloro caliente, los procesos de vacío agresivos y la fabricación de semiconductores requieren la combinación única de resistencia química y térmica del FFKM.
Sellos secundarios no elastoméricos
Juntas tóricas de PTFE / Juntas tóricas encapsuladas
El PTFE ofrece resistencia química universal y funciona continuamente a 232 °C, pero carece de la elasticidad requerida para sellado dinámicoLas juntas tóricas de PTFE puro solo funcionan en aplicaciones estáticas donde pueden comprimirse mecánicamente. La tendencia del material a fluir en frío bajo carga provoca una degradación gradual del sello.
Las juntas tóricas encapsuladas resuelven el problema de elasticidad envolviendo una funda de PTFE alrededor de un núcleo de caucho. Este diseño proporciona resistencia química en la superficie húmeda, manteniendo la recuperación elástica. La funda de PTFE protege el núcleo de productos químicos agresivos que destruirían los elastómeros expuestos.
Estos sellos híbridos cumplen funciones cruciales en aplicaciones ultracorrosivas. Los ácidos fumantes, los oxidantes fuertes y los servicios de oxígeno a alta temperatura se benefician de la inercia del PTFE cuando se agotan las opciones de elastómeros.
Grafito flexible (lámina de grafito)
El grafito flexible resiste temperaturas extremas que destruyen todos los materiales orgánicos: hasta 455 °C en aire y más de 1000 °C en atmósferas inertes. Su composición de carbono puro proporciona inmunidad a prácticamente todos los productos químicos, excepto a oxidantes fuertes a temperaturas elevadas. La estructura en capas del material ofrece cierta autolubricación, lo cual resulta beneficioso en condiciones de funcionamiento en seco.
El grafito carece por completo de elasticidad, por lo que requiere compresión mecánica para mantener el sello Fuerza. Las láminas frágiles se agrietan fácilmente durante la manipulación y pueden extruirse bajo alta presión sin el soporte adecuado. La instalación requiere técnicos experimentados y diseños de ranuras especializados.
Los sellos mecánicos de alta temperatura superiores a 250 °C utilizan invariablemente grafito flexible para el sellado secundario. Los sellos API 682 Categoría III especifican el uso de grafito cuando los elastómeros se carbonizan. Las centrales eléctricas y las refinerías dependen de la resistencia térmica del grafito para las bombas de alimentación de calderas y los servicios de aceite caliente.
Fuelles de metal
Metal fuelle Eliminamos por completo las juntas tóricas dinámicas, utilizando convoluciones metálicas soldadas para proporcionar fuerza elástica y sellado. Esta construcción totalmente metálica resiste temperaturas extremas y productos químicos agresivos que destruyen cualquier sello blando. El fuelle se flexiona axialmente manteniendo un sello hermético, evitando los problemas de adherencia-deslizamiento de las juntas tóricas dinámicas en condiciones secas.
FAQs
¿Cuál es la mejor combinación de caras de sellado para un funcionamiento completamente en seco?
El uso de carbono-grafito contra carburo de silicio proporciona la combinación óptima para condiciones secas. El carbono deposita una película lubricante, mientras que el SiC disipa eficazmente el calor, lo que permite un funcionamiento continuo sin lubricación líquida.
¿A qué temperatura pueden funcionar los sellos que funcionan en seco?
Las combinaciones estándar de carbono/SiC funcionan hasta 370 °C, mientras que los materiales especializados como el SiC cargado con grafito o los recubrimientos de diamante pueden superar los 400 °C. Secundario materiales de sellado Por lo general, limitan la temperatura máxima; los elastómeros FFKM alcanzan los 330 °C y el grafito flexible sobrevive a más de 450 °C.
¿Por qué fallan las juntas tóricas en los sellos que funcionan en seco?
Las juntas tóricas fallan por degradación térmica cuando el calor por fricción supera su temperatura nominal. El nitrilo estándar se endurece por encima de los 120 °C, mientras que incluso los elastómeros FKM de alto rendimiento se carbonizan por encima de los 230 °C sin una gestión térmica adecuada.
¿Pueden dos caras duras secarse juntas?
Los pares de caras duras convencionales, como SiC-sobre-SiC, fallan rápidamente sin lubricación debido a la fricción extrema. El carburo de silicio cargado con grafito permite combinaciones de dureza extrema al incorporar partículas lubricantes de grafito en la matriz cerámica.
¿Cuál es la combinación de materiales más económica para el funcionamiento en seco ocasional?
El carbono impregnado con resina contra carburo de silicio unido por reacción con juntas tóricas de FKM ofrece una buena tolerancia al funcionamiento en seco a un coste moderado. Esta combinación soporta condiciones de funcionamiento en seco intermitentes en la mayoría de las aplicaciones industriales sin necesidad de materiales de alta calidad.
