Compatibilidade de fluidos na seleção de selos mecânicos

É essencial considerar como o fluido interage com os materiais de vedação ao selecionar selos mecânicos, pois isso afeta o desempenho e a vida útil.

Avaliar fatores como viscosidade, composição química, regimes de lubrificação e problemas de contaminação orientará você a tomar decisões informadas que aumentam a confiabilidade do sistema.

Propriedades de Fluidos

Viscosidade

A viscosidade mede a resistência de um fluido ao fluxo e impacta significativamente o desempenho e a longevidade da vedação. A avaliação da compatibilidade do fluido necessita considerar a viscosidade dinâmica e cinemática.

Fluidos de alta viscosidade apresentam desafios para vedações mecânicas ao aumentar a geração de calor devido ao cisalhamento do fluido. Isso pode levar à distorção da face da vedação ou desgaste excessivo. Mecanismos adequados de dissipação de calor e materiais de face de vedação mais duros podem gerenciar esses problemas. Por outro lado, fluidos de baixa viscosidade podem falhar em fornecer lubrificação adequada entre as faces da vedação, resultando em maiores taxas de atrito e desgaste.

A viscosidade também impacta a capacidade do selo de manter uma película de fluido estável entre as faces do selo. Ajustar a topografia da face do selo ou a taxa de balanceamento pode ser necessário para otimizar o desempenho para faixas de viscosidade específicas.

Pureza

Fluidos altamente puros, como os usados nas indústrias farmacêutica ou de semicondutores, exigem vedações especializadas. Essas vedações devem manter sua integridade sem contaminar o processo. Por outro lado, fluidos com níveis mais altos de impurezas exigem vedações robustas com sistemas de filtragem ou descarga aprimorados para evitar danos.

Avaliar a presença de partículas abrasivas, contaminantes químicos e sólidos dissolvidos no fluido. Essas impurezas podem impactar os materiais da face do selo, selos secundários e metalurgia do componente do selo. Por exemplo, partículas abrasivas podem causar desgaste excessivo nas faces do selo, enquanto certos contaminantes químicos podem degradar componentes elastoméricos.

Volatilidade

Ao manusear fluidos voláteis, sua propensão a vaporizar sob temperaturas e pressões operacionais normais deve ser cuidadosamente avaliada.

Fluidos altamente voláteis são propensos a flashing, onde o líquido se transforma em vapor nas faces de vedação, causando potencialmente funcionamento a seco e maior desgaste.

Para fluidos menos voláteis, a seleção do selo pode ser mais flexível. No entanto, a ebulição localizada nas faces do selo, induzida pelo calor de atrito, não deve ser negligenciada. Isso ainda pode resultar em instabilidade do selo e redução da vida útil.

Toxicidade

Para fluidos altamente tóxicos, selos mecânicos duplos ou bombas hermeticamente seladas podem minimizar os riscos de vazamento. Garanta que os materiais de vedação sejam quimicamente resistentes ao fluido tóxico para evitar degradação e potenciais violações.

Regime de Lubrificação

Ao selecionar um selo mecânico, você precisará considerar o regime de lubrificação que ocorrerá entre as faces do selo. Este regime pode ser classificado em três tipos principais: limite, misto e filme de fluido completo.

Limite

A lubrificação de limite em selos mecânicos ocorre quando a espessura do filme de fluido diminui, fazendo com que asperezas em superfícies opostas entrem em contato. Essa condição normalmente surge durante a inicialização, desligamento ou operações de baixa velocidade. Sob lubrificação de limite, a carga é predominantemente suportada pelas asperezas da superfície em vez do filme de fluido.

Na lubrificação de limite, a dependência do filme fluido para dissipação de calor é insuficiente. A remoção adequada de calor deve ser garantida por meios adicionais, como sistemas de descarga ou resfriamento. Empregar lubrificantes de limite especializados ou aditivos que formam filmes protetores nas superfícies de vedação pode reduzir significativamente o desgaste e estender a vida útil da vedação.

Misturado

Na lubrificação mista, tanto a lubrificação de limite quanto a hidrodinâmica coexistem. Este estado de transição vê a carga parcialmente suportada pela pressão do fluido e parcialmente pelo contato de aspereza.

A lubrificação mista ocorre tipicamente durante a inicialização, desligamento ou mudanças repentinas nas condições operacionais. Ela é marcada pelo contato intermitente entre as faces do selo, resultando em maior desgaste em comparação à lubrificação de filme de fluido completo.

A proporção de filme fluido para lubrificação de limite pode variar amplamente em regimes mistos. Projete seu selo para lidar com essas flutuações, garantindo transições suaves entre estados de lubrificação sem comprometer o desempenho ou a vida útil.

Filme fluido completo

A lubrificação completa por filme fluido representa o mais alto nível de desempenho de vedação mecânica, alcançado quando as faces da vedação são totalmente separadas por uma fina camada de fluido. Essa separação ocorre devido à pressão hidrodinâmica gerada pelo fluido ser suficiente para neutralizar a força de fechamento. Nesse regime, o desgaste é quase eliminado e o atrito é minimizado, aumentando a longevidade e a confiabilidade da vedação.

Contaminação

Partículas abrasivas

Três grandes preocupações surgem ao lidar com partículas abrasivas em aplicações de selos mecânicos.

Primeiro, essas partículas podem causar desgaste excessivo nas faces do selo, levando à falha prematura do selo. Segundo, elas podem se acumular entre as faces do selo, impedindo a vedação adequada e causando vazamento. Terceiro, partículas abrasivas podem danificar elementos de vedação secundários, como anéis de vedação ou juntas.

Sólidos

Partículas de contaminantes sólidos podem variar de microscópicas a visíveis e podem se originar de fontes externas ou se formar dentro do próprio sistema.

Cristalização

A cristalização ocorre quando sólidos dissolvidos no fluido precipitam da solução, formando cristais sólidos que se acumulam nas faces da vedação e em outros componentes.

A cristalização pode causar maior desgaste nas faces do selo, resultando em falha prematura do selo. Cristais também podem se acumular em pequenas folgas, restringindo o movimento e potencialmente causando travamento do selo. Em casos extremos, a cristalização pode bloquear completamente as portas de descarga do selo ou outras passagens críticas.

Compatibilidade Química

Reações entre fluidos e materiais de vedação

Possíveis interações entre o fluido do processo e os componentes da vedação devem ser examinadas, pois podem resultar em degradação, corrosão ou até mesmo falha completa da vedação.

Avaliando a composição química, temperatura e concentração do fluido. Por exemplo, fluoroelastômeros como Viton® exibem resistência a muitos óleos e solventes, mas podem degradar quando expostos a certas cetonas ou aminas.

Os componentes metálicos também são suscetíveis a ataques químicos. Embora os aços inoxidáveis sejam conhecidos por sua resistência à corrosão, eles podem ser vulneráveis a produtos químicos ou concentrações específicas. As ligas de titânio e Hastelloy® fornecem resistência aprimorada para fluidos mais agressivos.

Efeitos em materiais de ligação e enchimento

Ligantes, geralmente polímeros ou resinas, fornecem coesão estrutural ao compósito, enquanto cargas melhoram propriedades como resistência e condutividade térmica.

Certos fluidos podem afetar adversamente o ligante, fazendo com que ele amoleça, inche ou dissolva. Tais interações levam à degradação do selo, comprometimento da integridade estrutural e potencial falha do selo.

Enchimentos, como partículas de carbono, grafite ou cerâmica, também são suscetíveis a interações de fluidos. Alguns fluidos podem fazer com que os enchimentos vazem, diminuindo a eficácia da vedação. Em outros cenários, os fluidos podem reagir com o enchimento, alterando suas propriedades ou causando expansão.

Diretrizes para seleção de material da face do selo

Fluidos de baixa viscosidade

Ao selecionar materiais de face de vedação para fluidos de baixa viscosidade, você precisará considerar combinações de face macia vs dura para condições de lubrificação de limite e mista. Você descobrirá que materiais de face macia, como carbono, geralmente combinam bem com contrafaces mais duras, como carboneto de silício ou carboneto de tungstênio. Essa combinação pode fornecer melhor conformabilidade e resistência ao desgaste em aplicações desafiadoras de baixa viscosidade, onde a lubrificação completa do filme de fluido pode nem sempre ser mantida.

Fluidos de alta viscosidade

Ao selecionar materiais de face de vedação para fluidos de alta viscosidade, você vai querer priorizar combinações de face dura vs dura. Essa abordagem ajuda a minimizar as altas forças de cisalhamento que podem ocorrer entre as faces de vedação. Ao escolher materiais como carboneto de silício ou carboneto de tungstênio para ambas as faces, você reduzirá o risco de desgaste excessivo e manterá a integridade da vedação em ambientes viscosos.

Presença de partículas abrasivas duras

Ao enfrentar fluidos com partículas abrasivas duras, você precisará priorizar materiais de face de vedação com maior dureza. Você deve considerar opções como carboneto de tungstênio ou carboneto de silício, que oferecem resistência superior ao desgaste abrasivo.

Fluidos propensos à cristalização

Ao lidar com fluidos propensos à cristalização, você precisará considerar projetos de vedação especializados. Opte por configurações que mantenham o fluido do processo no diâmetro externo da vedação, reduzindo o risco de formação de cristais entre as faces. Você também deve selecionar materiais de face dura vs. dura com características especiais projetadas para minimizar o acúmulo de cristais e manter a integridade da vedação.

Perguntas frequentes

Com que frequência as vedações mecânicas devem ser inspecionadas quanto a problemas de compatibilidade de fluidos?

As vedações mecânicas devem ser inspecionadas quanto a problemas de compatibilidade de fluidos pelo menos trimestralmente, durante a manutenção de rotina e sempre que houver alterações nas condições de fluido ou operação.

A compatibilidade dos fluidos pode mudar com o tempo devido a flutuações de temperatura?

Sim, a compatibilidade do fluido pode mudar ao longo do tempo devido a flutuações de temperatura. Mudanças de temperatura podem alterar as propriedades do fluido, causando reações químicas ou mudanças físicas que impactam a interação com materiais de vedação.

Existem testes específicos de compatibilidade de fluidos para diferentes tipos de vedação?

Sim, testes específicos para diferentes tipos de vedação incluem imersão, expansão de volume e alteração de dureza.