¿Qué es el sello mecánico?

Un sello mecánico es un componente fundamental en los equipos rotativos que evita las fugas de fluidos y contiene la presión. Estos sellos se emplean ampliamente en diversas industrias, incluidas las de petróleo y gas, procesamiento químico y tratamiento de agua, donde garantizan el funcionamiento confiable y eficiente de bombas, compresores y otras máquinas.

El diseño y la función de los sellos mecánicos han evolucionado significativamente a lo largo de los años, con avances en la ciencia y la ingeniería de los materiales que han dado lugar a un mejor rendimiento y una mayor longevidad. En esta publicación del blog, profundizaremos en las complejidades de los sellos mecánicos, explorando sus principios fundamentales, componentes clave y funciones.

¿Qué es un sello mecánico?

Un sello mecánico es un tipo de dispositivo de sellado utilizado para evitar fugas de fluidos a lo largo de ejes giratorios, particularmente en bombas centrífugas y otros equipos rotatorios. Consta de dos componentes principales: un anillo de sellado estacionario montado en la carcasa de la bomba y un anillo de sellado rotatorio fijado al eje. Estos dos anillos forman una interfaz de sellado, creando una barrera entre el fluido del proceso y la atmósfera.

Los sellos mecánicos son una alternativa superior a las empaquetaduras tradicionales, ya que ofrecen un mejor rendimiento de sellado y requieren menos mantenimiento. Están diseñados para contener los fluidos dentro de la bomba y, al mismo tiempo, permitir que el eje gire libremente, lo que minimiza la fricción y el desgaste. Al sellar eficazmente el eje de la bomba, los sellos mecánicos ayudan a evitar fugas de fluido, que pueden provocar pérdidas de producto, contaminación ambiental y riesgos de seguridad.

La acción de sellado de un sello mecánico depende de la planitud y suavidad precisas de las caras del sello. Las caras del sello giratorias y estacionarias se presionan entre sí mediante una combinación de fuerzas hidráulicas y de resorte, lo que crea una fina película de fluido entre ellas. Esta película de fluido actúa como una barrera, evitando fugas mientras lubrica las caras del sello para minimizar el desgaste y la fricción.

Cómo funcionan los sellos mecánicos

Los sellos mecánicos están diseñados para contener fluido dentro de la carcasa o recipiente de una bomba creando un sello entre las partes estacionarias y giratorias del equipo. Las caras del sello principal, que consisten en un anillo de sello estacionario y un anillo de sello giratorio, son perpendiculares al eje y forman una interfaz de sellado. Estas caras del sello se juntan mediante una combinación de fuerzas hidráulicas del fluido sellado y la presión del resorte del mecanismo de resorte del sello.

Las superficies de sellado principales suelen estar hechas de materiales duros y resistentes al desgaste, como carburo de silicio, carburo de tungsteno o grafito de carbono. Estos materiales se mecanizan con precisión para crear una superficie de sellado plana y lisa. A medida que el eje gira, se introduce una fina película de fluido entre las superficies de sellado, lubricándolas y evitando el contacto directo. Esta película de fluido, junto con las fuerzas hidráulicas y de resorte, ayuda a mantener la integridad del sello y evita las fugas.

Los sellos secundarios, como juntas tóricas, sellos de cuña o fuelles elastoméricos, se utilizan para sellar entre los componentes estacionarios y giratorios del conjunto de sello mecánico. Estos sellos secundarios evitan fugas entre las caras del sello y la carcasa de la bomba o el manguito del eje. También se adaptan a pequeños movimientos y desalineaciones del eje, lo que garantiza que las caras del sello primario permanezcan en contacto adecuado.

En algunos diseños de sellos mecánicos, como los sellos dobles o los sellos en tándem, se utilizan sellos adicionales para brindar una mayor protección contra fugas o para sellar un fluido de barrera. El fluido de barrera, que normalmente es limpio y compatible con el fluido de proceso, se mantiene a una presión más alta que el fluido de proceso para evitar la contaminación y proporcionar lubricación a las superficies de sellado.

Componentes de los sellos mecánicos

Los sellos mecánicos constan de varios componentes clave que funcionan en conjunto para proporcionar un sellado eficaz y evitar fugas. Estos componentes incluyen:

• Caras del sello primario: Las caras del sello primario son el corazón de un sello mecánico. Fabricadas con materiales como carburo de silicio, carburo de tungsteno o grafito de carbono, estas superficies lapeadas con precisión crean una interfaz de sellado dinámica que evita que el fluido se escape a lo largo del eje giratorio. La cara estacionaria generalmente se monta en el casquillo o la carcasa del sello, mientras que la cara giratoria se fija al eje o al manguito del eje.
• Sellos secundarios: Los sellos secundarios, también conocidos como sellos estáticos, son responsables de sellar entre componentes estacionarios y evitar fugas a la atmósfera. Estos sellos pueden estar hechos de materiales elastoméricos como juntas tóricas, juntas en V o cuñas de PTFE. En algunos diseños, se utilizan fuelles metálicos o elastoméricos como sellos secundarios para adaptarse a los movimientos del eje y proporcionar un sellado adicional.
• Mecanismo de resorte: El mecanismo de resorte aplica una fuerza constante a las caras del sello primario, lo que garantiza un contacto y sellado adecuados. Esta fuerza es esencial para mantener la cara de foca espacio libre y que se adapte a cualquier desalineación del eje o ajustes axiales del eje. Los tipos de resortes más comunes incluyen resortes helicoidales, resortes ondulados y fuelles metálicos.
• Hardware de soporte: Los sellos mecánicos dependen de varios componentes de soporte para funcionar de manera eficaz. Estos incluyen casquillos de sello, anillos de retención, collares de accionamiento y pasadores antirrotación. El casquillo de sello proporciona una superficie de montaje para la cara estacionaria del sello y ayuda a alinear los componentes del sello. Los anillos de retención y los collares de accionamiento aseguran los componentes giratorios al eje, mientras que los pasadores antirrotación evitan la rotación no deseada de la cara del sello.

Funciones de los sellos mecánicos

Función de sellado primario

La función principal de un sello mecánico es contener el fluido del proceso dentro de la bomba o el equipo y evitar fugas a lo largo del eje giratorio. Las caras del sello principal crean una interfaz de sellado dinámica que mantiene una fina película de fluido entre las caras estacionarias y giratorias. Esta película de fluido, generada por la acción de bombeo y la geometría de la cara del sello, evita el contacto directo entre las caras y minimiza el desgaste, al tiempo que permite un sellado eficiente.

Sellado y alineación de ejes

Los sellos mecánicos proporcionan un sellado eficaz alrededor de los ejes giratorios, adaptándose a las velocidades del eje y permitiendo un movimiento limitado del eje. Los componentes del sello, como los sellos secundarios y el mecanismo de resorte, permiten cierto grado de desalineación del eje y ajuste axial del eje, manteniendo al mismo tiempo un entorno de sellado adecuado.

Compatibilidad y contención de fluidos

Los sellos mecánicos están diseñados para manejar una amplia gama de fluidos, incluidos agua, hidrocarburos, productos químicos y líquidos abrasivos. Los materiales de la cara del sello y los sellos secundarios se seleccionan en función de su compatibilidad con el fluido del proceso, lo que garantiza un rendimiento de sellado óptimo y una larga vida útil.

Gestión de la presión y la temperatura

Los sellos mecánicos pueden funcionar en una amplia gama de presiones y temperaturas. Los componentes del sello, como las caras del sello principal, los sellos secundarios y el hardware de soporte, están diseñados para soportar los requisitos específicos de presión y temperatura de la aplicación. En aplicaciones de alta presión, a menudo se utilizan diseños de sellos equilibrados para minimizar la fuerza de cierre en las caras del sello, lo que reduce el desgaste y extiende la vida útil del sello.

Beneficios de utilizar sellos mecánicos

Tasas de fuga reducidas

Una de las principales ventajas de utilizar sellos mecánicos es su capacidad de reducir significativamente las tasas de fugas en comparación con los métodos de empaquetadura tradicionales. La interfaz de sellado dinámico creada por las caras del sello primario minimiza el escape de fluido, lo que garantiza una contención eficiente del fluido del proceso. Esta reducción de las fugas no solo mejora la eficiencia general del sistema de bombeo, sino que también minimiza el impacto ambiental y mejora la seguridad en el lugar de trabajo.

Costos de mantenimiento más bajos

Los sellos mecánicos ofrecen menores costos de mantenimiento en comparación con otros métodos de sellado, como las empaquetaduras de prensaestopas. Los componentes diseñados con precisión y los materiales avanzados de las caras de sellado que se utilizan en los sellos mecánicos dan como resultado una vida útil más prolongada y un desgaste reducido, lo que minimiza la necesidad de reemplazos frecuentes de los sellos. Además, las tasas de fuga reducidas asociadas con los sellos mecánicos ayudan a prevenir daños a los cojinetes y otros componentes de la bomba, lo que reduce aún más los requisitos y los costos de mantenimiento.

Mayor eficiencia operativa

El uso de sellos mecánicos contribuye a aumentar la eficiencia operativa en los sistemas de bombeo. Al mantener un entorno de sellado adecuado y minimizar las fugas, los sellos mecánicos reducen el consumo de energía y mejoran el rendimiento general de la bomba. El sellado eficiente que brindan los sellos mecánicos también ayuda a prevenir la contaminación del fluido del proceso, manteniendo la calidad del producto y reduciendo el riesgo de interrupciones del proceso.

Longevidad y durabilidad

Los sellos mecánicos están diseñados para ofrecer una larga vida útil y durabilidad, ofreciendo una vida útil prolongada en aplicaciones exigentes. Los materiales de alta calidad utilizados en la construcción de los sellos, como carburo de silicio, carburo de tungsteno y plásticos de ingeniería, brindan una excelente resistencia al desgaste y compatibilidad química. El diseño robusto de los sellos mecánicos, combinado con una instalación y un mantenimiento adecuados, garantiza un rendimiento de sellado confiable durante un período prolongado, lo que reduce el tiempo de inactividad y los costos de reemplazo.

Tipos de sellos mecánicos

Sellos individuales

Los sellos mecánicos simples, también conocidos como sellos de componentes, consisten en un solo conjunto de caras de sello que proporcionan una interfaz de sellado dinámica entre el eje giratorio y la carcasa estacionaria. Estos sellos se utilizan normalmente en aplicaciones con fluidos limpios, no abrasivos y condiciones de temperatura y presión moderadas.

Los sellos simples pueden ser balanceados o no balanceados, dependiendo de la distribución de presión a través de las caras del sello. Los sellos balanceados tienen la misma presión en ambos lados de las caras del sello, lo que reduce el desgaste y extiende la vida útil del sello. Los sellos no balanceados tienen mayor presión en un lado, lo que puede generar mayor desgaste y una vida útil más corta del sello.

Sellos dobles

Sellos mecánicos dobles Los sellos de aceite tienen dos juegos de caras de sellado, lo que proporciona una capa adicional de protección contra fugas. El espacio entre los dos juegos de caras de sellado se llena con un fluido de barrera, que puede ser un líquido o un gas. El fluido de barrera sirve para lubricar y enfriar las caras de sellado, así como para evitar que el fluido de proceso ingrese a la atmósfera.

Los sellos dobles se utilizan comúnmente en aplicaciones con fluidos peligrosos, tóxicos o costosos, donde se deben minimizar las fugas. También se pueden utilizar en aplicaciones de alta presión o alta temperatura, donde un sello simple puede no proporcionar un rendimiento de sellado adecuado.

Sellos con empujador y sin empujador

Los sellos de empuje, también conocidos como sellos convencionales, utilizan un mecanismo de resorte para mantener el contacto entre las caras del sello. El resorte empuja la cara del sello giratorio contra la cara del sello estacionario, lo que garantiza un sello hermético. Los sellos de empuje se utilizan ampliamente debido a su simplicidad y rentabilidad.

Los sellos sin empujador, como los sellos de fuelle y los sellos de fuelle metálico, utilizan un elemento flexible para mantener el contacto entre las caras del sello. El elemento flexible, generalmente hecho de materiales elastoméricos o metálicos, actúa como resorte y sello secundario. Los sellos sin empujador ofrecen un mejor rendimiento en aplicaciones con gran descentramiento o desalineación del eje, ya que el elemento flexible puede adaptarse a estas irregularidades.

Sellos de cartucho

Los sellos de cartucho son unidades preensambladas que combinan todos los componentes de un sello mecánico en un solo paquete fácil de instalar. Constan de las caras del sello, los sellos secundarios, el mecanismo de resorte y los herrajes de soporte, todos alojados en un solo conjunto.

Los sellos de cartucho ofrecen varias ventajas sobre los sellos de componentes, entre ellas, una instalación más sencilla, una mayor confiabilidad y menores costos de mantenimiento. Son particularmente útiles en aplicaciones donde se requiere el reemplazo frecuente de sellos, ya que se pueden instalar de manera rápida y sencilla sin necesidad de herramientas especializadas ni experiencia.

Sellos divididos

Sellos partidos Están diseñados para instalarse alrededor de un eje sin necesidad de desmontar completamente el equipo. Consisten en dos o más piezas que se pueden ensamblar alrededor del eje, lo que los hace ideales para aplicaciones en las que el reemplazo de sellos debe realizarse rápidamente y con un tiempo de inactividad mínimo.

Los sellos partidos se utilizan comúnmente en equipos grandes y costosos, como bombas, compresores y agitadores, donde el desmontaje completo demandaría mucho tiempo y sería costoso. También son útiles en aplicaciones donde el equipo no se puede mover o acceder fácilmente, como en instalaciones subterráneas o en alta mar.

Aplicaciones de los sellos mecánicos

Petróleo y gas

En la industria del petróleo y el gas, los sellos mecánicos se utilizan en bombas y compresores que manejan hidrocarburos, fluidos de perforación y otros medios de proceso. Estos sellos están diseñados para soportar altas presiones, temperaturas y condiciones abrasivas que se encuentran comúnmente en este sector. Los sellos mecánicos especializados, como los sellos API 682, están diseñados para cumplir con los estrictos requisitos de la industria petrolera.

Procesamiento químico

Las plantas de procesamiento químico dependen de sellos mecánicos para contener y evitar fugas de diversos productos químicos, solventes y reactivos. Estos sellos deben ser compatibles con los fluidos del proceso y resistir la corrosión, la erosión y el ataque químico. Los sellos mecánicos dobles con fluidos de barrera se emplean a menudo para proporcionar una capa adicional de protección contra fugas y garantizar el cumplimiento de las normas ambientales.

Tratamiento de agua

En las aplicaciones de tratamiento de agua, los sellos mecánicos desempeñan un papel crucial en el sellado de bombas y otros equipos que manejan agua, aguas residuales y diversos productos químicos de tratamiento. Estos sellos deben poder soportar la exposición al cloro, los ácidos y otras sustancias corrosivas, al tiempo que evitan la contaminación del suministro de agua. Los sellos de cartucho se utilizan comúnmente en esta industria por su facilidad de instalación y mantenimiento.

Alimentos y bebidas

La industria de alimentos y bebidas requiere sellos mecánicos que cumplan con estrictos estándares de higiene y sanidad. Estos sellos deben estar diseñados para evitar el crecimiento bacteriano, soportar ciclos frecuentes de limpieza y esterilización y mantener la pureza del producto. Los sellos mecánicos simples y dobles fabricados con materiales aprobados por la FDA, como acero inoxidable y elastómeros especiales, se utilizan ampliamente en este sector para garantizar la seguridad del producto y el cumplimiento de las regulaciones.