¿Qué es un sello mecánico de alta presión?

¿Qué es un sello mecánico de alta presión?

Un sello mecánico de alta presión es un componente fundamental en maquinaria que opera en condiciones de presión extrema, generalmente por encima de 50 bar (725 psi). Estos sellos están diseñados para evitar fugas de fluidos o gases del equipo y, al mismo tiempo, soportar las inmensas fuerzas generadas por entornos de alta presión.

La función principal de un sello mecánico de alta presión es mantener una barrera segura entre el fluido del proceso y la atmósfera, incluso en las condiciones más exigentes. Estos sellos constan de dos componentes principales: una parte estacionaria (estator) y una parte giratoria (rotor), que se presionan entre sí mediante una combinación de fuerzas hidráulicas y de resorte. Las superficies de sellado suelen estar hechas de materiales duros y resistentes al desgaste, como carburo de silicio, carburo de tungsteno o cerámica, que pueden soportar las altas presiones y temperaturas que se encuentran en estas aplicaciones.

Cómo funcionan los sellos mecánicos de alta presión

El principio de funcionamiento de los sellos mecánicos de alta presión se basa en la creación de una fina película de fluido entre las caras estacionarias y giratorias del sello. A medida que el eje gira, los anillos de sello se presionan entre sí mediante una combinación de fuerza de resorte y presión hidráulica del fluido de proceso. Esta presión hace que una pequeña cantidad del fluido de proceso se filtre entre las caras del sello, lo que crea una fina película de fluido estable que lubrica y enfría las caras al tiempo que evita más fugas.

La película de fluido entre las caras del sello se mantiene mediante un delicado equilibrio entre la presión hidráulica, la fuerza del resorte y la geometría precisa de las caras del sello. Las caras del sello están lapeadas hasta lograr una planitud muy alta, generalmente dentro de 2-3 bandas de luz de helio (0,22-0,33 µm), para garantizar un contacto uniforme y minimizar las fugas. El anillo de sello giratorio generalmente se monta en el eje con un fuelle flexible u otro elemento de sellado secundario, que se adapta a la desalineación menor del eje y al movimiento axial mientras mantiene el sello.

¿Qué tipo de sello mecánico se utiliza para aplicaciones de alta presión?

Cara a cara

En una disposición cara a cara, se instalan dos sellos mecánicos con sus caras de sello orientadas una hacia la otra. Esta disposición se utiliza comúnmente en aplicaciones de alta presión porque equilibra las fuerzas hidráulicas que actúan sobre las caras del sello, lo que reduce la fuerza de cierre neta y la generación de calor. Los sellos cara a cara también proporcionan un grado de redundancia, ya que el segundo sello puede actuar como respaldo si el sello principal falla.

Espalda con espalda

Los sellos adosados se disponen con las caras del sello orientadas en direcciones opuestas, y el espacio entre los sellos se llena normalmente con un fluido amortiguador a una presión más alta que el fluido de proceso. Esta disposición se utiliza cuando el fluido de proceso es peligroso, tóxico o ambientalmente sensible, ya que cualquier fuga del sello primario queda contenida por el fluido amortiguador y el sello secundario. Los sellos adosados requieren un sistema de fluido amortiguador independiente y tuberías e instrumentación adicionales.

Tándem (o cara a espalda)

Los sellos en tándem, o cara a cara, combinan elementos de los diseños cara a cara y espalda con espalda. En esta configuración, se instalan dos sellos con sus caras orientadas en direcciones opuestas, con el sello principal orientado hacia el fluido de proceso y el sello secundario orientado hacia afuera. El espacio entre los sellos generalmente se ventila a una ubicación segura o se conecta a un sistema de fluido amortiguador a una presión más baja que el fluido de proceso. Los sellos en tándem brindan tanto los beneficios de equilibrio de presión de los sellos cara a cara como las características de seguridad y contención de los sellos espalda con espalda.

Factores que afectan el rendimiento de los sellos mecánicos de alta presión

Presión del fluido de proceso en las caras del sello

A medida que aumenta la presión del fluido, también aumenta la fuerza de cierre en las caras del sello, lo que genera mayores cargas en las caras, mayor generación de calor y un desgaste potencialmente más rápido. Para contrarrestar estos efectos, los sellos de alta presión a menudo incorporan características como orificios, ranuras u orificios de equilibrio en las caras del sello para reducir la fuerza de cierre efectiva y mantener una película de fluido estable.

Control de temperatura en la cámara de sellado

Las altas temperaturas pueden provocar la expansión térmica de los componentes del sello, lo que genera un aumento de las cargas superficiales y del desgaste. El calor excesivo también puede degradar las propiedades lubricantes de la película de fluido, lo que aumenta la fricción y el riesgo de falla del sello. Para mitigar estos problemas, los sellos de alta presión a menudo incorporan camisas de enfriamiento, intercambiadores de calor o sistemas de termosifón para eliminar el calor de la cámara del sello y mantener temperaturas de funcionamiento estables.

Lubricación y enfriamiento adecuados de las superficies de sellado

La película de fluido entre las caras del sello actúa como lubricante y refrigerante, alejando el calor por fricción y evitando el contacto directo entre las caras. Para garantizar una lubricación y refrigeración adecuadas, los sellos de alta presión pueden incorporar características como ranuras espirales, ranuras radiales o microestructuras en las caras del sello para promover la circulación del fluido y la disipación del calor. La selección de materiales para las caras del sello con buena conductividad térmica y propiedades autolubricantes, como carburo de silicio o materiales cargados con grafito, también puede mejorar el rendimiento de lubricación y refrigeración.

Sistemas de soporte para aplicaciones de alta presión con sellos mecánicos

Los sellos mecánicos de alta presión requieren sistemas de soporte especializados para garantizar un rendimiento óptimo y una larga vida útil. Estos sistemas ayudan a mantener condiciones de funcionamiento estables, evitar fallas en los sellos y prolongar su vida útil. Un componente crucial es el Plan 52 de API, que utiliza un depósito de fluido amortiguador para proporcionar un entorno limpio, fresco y presurizado para los sellos.

El sistema API Plan 52 hace circular un fluido tampón compatible, como glicol o aceite, a través de una cámara de sellado a una presión superior a la del fluido de proceso. Este diferencial de presión positivo evita que el fluido de proceso entre en la cámara de sellado, lo que minimiza la contaminación y extiende la vida útil del sello. El sistema también ayuda a disipar el calor generado por los sellos, manteniendo una temperatura de funcionamiento estable.

Otros sistemas de soporte esenciales para los sellos mecánicos de alta presión incluyen:

1. Lubricación adecuada de la superficie del sello:La lubricación adecuada es fundamental para reducir la fricción y el desgaste en las superficies del sello. Esto se puede lograr mediante el uso de fluidos de barrera, como aceite o grasa, o incorporando características de lubricación en el diseño del sello.
2. Control de temperaturaMantener una temperatura constante en la cámara de sellado es fundamental para evitar la distorsión térmica y garantizar la alineación adecuada de la cara del sello. Esto se puede lograr mediante el uso de camisas de enfriamiento, intercambiadores de calor o unidades de control de temperatura.
3. Monitoreo de presión:El monitoreo continuo de la presión en la cámara de sellado ayuda a detectar cualquier anomalía o fuga, lo que permite un mantenimiento oportuno y previene fallas catastróficas.

Aplicaciones del sello mecánico de alta presión

• Bombas centrífugas:Los sellos mecánicos de alta presión se utilizan en bombas centrífugas que manejan fluidos de alta presión, como bombas de agua de alimentación de calderas, bombas de tuberías y bombas de inyección en pozos de petróleo y gas.
• Compresores:Los sellos mecánicos se utilizan en compresores de alta presión para gases como hidrógeno, gas natural y dióxido de carbono, así como en compresores de refrigeración que utilizan refrigerantes de alta presión.
• turbinasLos sellos de alta presión se utilizan en turbinas de vapor y de gas para evitar fugas de vapor a alta presión o gases de combustión de la carcasa de la turbina.
• Reactores y recipientes a presión:Los sellos mecánicos se utilizan en agitadores, mezcladores y otros equipos rotativos en reactores de alta presión y recipientes a presión en las industrias de procesamiento químico y petroquímica.
• Equipo submarino:Los sellos de alta presión son componentes críticos en los equipos de producción de petróleo y gas submarinos, como bombas, compresores y válvulas submarinas, donde deben soportar presiones extremas y condiciones ambientales adversas.
• Sistemas de agua a alta presión:Los sellos mecánicos se utilizan en bombas y válvulas de agua de alta presión en aplicaciones como la desalinización por ósmosis inversa, la limpieza a alta presión y el corte por chorro de agua.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el límite de presión para los sellos mecánicos?

En general, los sellos mecánicos estándar pueden soportar presiones de hasta aproximadamente 20 bar (290 psi), mientras que los sellos de alta presión están diseñados para presiones que van desde 20 a 200 bar (290 a 2900 psi) o más.