Como selecionar selos mecânicos para alta temperatura

O que é selo mecânico para alta temperatura

Um selo mecânico para alta temperatura é um componente crítico em equipamentos rotativos que operam em condições extremas de calor. Esses selos especializados são projetados para suportar temperaturas elevadas, mantendo sua eficácia de vedação, evitando vazamentos e garantindo uma operação confiável. Selos mecânicos de alta temperatura encontram aplicações em vários setores, incluindo petróleo e gás, processamento químico, geração de energia e aeroespacial.

Selos mecânicos de alta temperatura são projetados para enfrentar os desafios únicos impostos por ambientes de temperatura elevada. Eles devem lidar com expansão térmica, degradação de material, vaporização de fluido e potencial coque ou incrustação de componentes de selo. Para resolver esses problemas, os selos de alta temperatura incorporam recursos como faces de selo balanceadas, componentes flutuantes e combinações avançadas de materiais que podem suportar calor extremo e manter sua estabilidade dimensional.

Desafios de ambientes de alta temperatura em selos mecânicos

Degradação de materiais

Temperaturas elevadas podem fazer com que os materiais de vedação se degradem, percam propriedades mecânicas e falhem prematuramente. Polímeros, elastômeros e até mesmo metais podem amolecer, tornar-se quebradiços ou sofrer alterações químicas em altas temperaturas, comprometendo o desempenho da vedação.

Expansão Térmica e Deformação Mecânica

Flutuações e gradientes de temperatura podem levar à expansão térmica diferencial entre componentes de vedação e equipamentos adjacentes. Isso pode resultar em deformação mecânica, perda de contato de vedação e caminhos de vazamento.

Vaporização de fluidos e funcionamento a seco

Fluidos de alta temperatura são propensos à vaporização, especialmente na interface de vedação. A vaporização pode levar a condições de funcionamento a seco, maior desgaste e falha da vedação. Manter uma película de fluido estável é essencial para a lubrificação da vedação e dissipação de calor.

Coqueificação e incrustação de componentes de vedação

Certos fluidos de alta temperatura, como hidrocarbonetos, podem sofrer coqueificação ou deixar depósitos nas faces e componentes do selo. Coqueificação e incrustação interrompem a interface de vedação, causam desgaste abrasivo e prejudicam o desempenho do selo.

Fatores-chave na seleção de selos mecânicos para serviços de alta temperatura

Propriedades do Fluido de Processo

As propriedades do fluido do processo desempenham um papel crucial na determinação do método apropriado selo mecânico para serviço de alta temperatura. Considerações importantes incluem a composição química do fluido, viscosidade e potencial para mudanças de fase em temperaturas elevadas.

Por exemplo, fluidos com altas pressões de vapor podem exigir projetos de vedação especializados para evitar vaporização e manter o líquido na interface de vedação. Além disso, fluidos corrosivos ou agressivos podem exigir o uso de materiais de face de vedação quimicamente resistentes e elastômeros para evitar falha prematura.

Limites de temperatura dos materiais de vedação

Ambientes de alta temperatura podem levar os materiais de vedação ao seu limite, tornando essencial selecionar componentes que possam suportar as condições operacionais esperadas. A classificação de temperatura máxima dos materiais da face de vedação, como carboneto de silício, carboneto de tungstênio e grafite de carbono, deve ser cuidadosamente avaliada para garantir que eles possam manter sua integridade e propriedades tribológicas na temperatura operacional desejada.

Da mesma forma, elastômeros usados em vedações secundárias, como FKM, FFKM e PTFE, devem ser escolhidos com base em sua estabilidade de temperatura e capacidade de manter suas propriedades de vedação sob condições de alta temperatura.

Capacidades de pressão dos projetos de vedação

A classificação de pressão de um selo mecânico é outro fator crítico em aplicações de alta temperatura. Os projetos de selos devem ser capazes de suportar as pressões operacionais esperadas sem comprometer a integridade da interface de vedação ou permitir vazamento excessivo.

Arranjos de vedação back-to-back e tandem são frequentemente empregados em serviços de alta pressão e alta temperatura para fornecer redundância de vedação adicional e melhorar as capacidades de pressão. A seleção de materiais de face de vedação com alta resistência à compressão e o uso de projetos de alojamento de vedação robustos podem melhorar ainda mais o desempenho de pressão de vedações mecânicas em ambientes exigentes de alta temperatura.

Velocidade do eixo e dinâmica do equipamento

A velocidade de rotação do equipamento e a dinâmica do eixo associada podem impactar significativamente o desempenho de selos mecânicos em aplicações de alta temperatura. Altas velocidades do eixo podem gerar aumento de calor na interface de vedação devido ao atrito, levando a desgaste acelerado e potencial distorção térmica dos componentes do selo.

Para mitigar esses problemas, projetos de vedação com recursos de lubrificação aprimorados, como ranhuras espirais ou padrões de face inscritos a laser, podem ser empregados para melhorar a dissipação de calor e manter uma película de fluido estável entre as faces da vedação. Além disso, o uso de vedações secundárias flexíveis de grafite ou Grafoil pode acomodar o desalinhamento do eixo e minimizar o impacto da dinâmica do equipamento no desempenho da vedação em serviço de alta temperatura.

Tipos e arranjos de selos mecânicos para aplicações de alta temperatura

Arranjo Back-to-Back

Em um arranjo de vedação back-to-back, duas vedações mecânicas são montadas com suas placas traseiras voltadas uma para a outra. Esta configuração permite um resfriamento ou fluido de barreira para circular entre as vedações, gerenciando efetivamente a dissipação de calor.

Selos back-to-back são ideais para aplicações de alta temperatura onde o fluido do processo é particularmente quente ou onde a expansão térmica dos componentes é uma preocupação. O fluido de barreira ajuda a manter um ambiente estável para as faces do selo, prevenindo a degradação do material e garantindo o desempenho ideal.

Arranjo face a face

Os arranjos de vedação face a face apresentam duas vedações mecânicas montadas com suas faces de vedação orientadas uma para a outra. Essa configuração é benéfica em aplicações de alta temperatura, onde o fluido do processo é limpo e não representa risco de obstrução ou sujeira nos componentes da vedação.

Vedações face a face permitem dissipação eficiente de calor através das faces de vedação, já que o fluido de resfriamento pode entrar em contato direto com ambos os conjuntos de faces. Esse arranjo é frequentemente usado em conjunto com um plano de tubulação adequado para garantir resfriamento e lubrificação adequados das faces de vedação.

Arranjo em tandem

Os arranjos de vedação tandem consistem em duas vedações mecânicas montadas em série, com um fluido de buffer entre elas. Essa configuração fornece um nível adicional de proteção contra vazamentos e é comumente usada em aplicações de alta temperatura onde o fluido do processo é perigoso ou ambientalmente sensível.

O fluido tampão serve para lubrificar e resfriar as faces do selo, enquanto também atua como uma barreira entre o fluido do processo e a atmosfera. Selos tandem são particularmente eficazes na prevenção da vaporização do fluido e funcionamento a seco, pois o fluido tampão mantém um estado líquido mesmo em temperaturas elevadas.

Guia de seleção de materiais para selos mecânicos de alta temperatura

Materiais do rosto:

Carboneto de silício: Alta condutividade térmica, resistência ao desgaste, compatibilidade química, resistência ao choque térmico. Adequado para temperaturas de até 1800°F (982°C).
Carboneto de tungstênio: Resistência superior ao desgaste, ideal para ambientes abrasivos.
Grafite de carbono: autolubrificante, termicamente estável, adequado para condições de funcionamento a seco e temperaturas de até 1000°F (538°C).

Elastômeros:

Fluorelastômeros (FKM): bons para temperaturas de até 400°F (204°C), oferecem boa resistência química.
Perfluoroelastômeros (FFKM): podem suportar temperaturas de até 600°F (316°C), proporcionando resistência química excepcional.
Politetrafluoroetileno (PTFE): Excelente estabilidade térmica, baixo atrito, inércia química. Adequado para temperaturas de até 500°F (260°C).

Metalurgia:

Aços inoxidáveis (por exemplo, 316L, 17-4PH): Resistência, durabilidade, resistência à oxidação em temperaturas elevadas.
Ligas de Hastelloy e Inconel: Resistência superior à corrosão e desempenho em alta temperatura. Ideal para ambientes químicos agressivos e temperaturas que excedam 1000°F (538°C).

Selos secundários:

Grafite flexível: Excelente selabilidade, condutividade térmica, resistência química. Adequado para temperaturas de até 1200°F (649°C).
Grafoil: Propriedades semelhantes ao grafite flexível, pode suportar temperaturas de até 850°F (454°C).

Sistemas de suporte de selo mecânico para serviço de alta temperatura

Sistemas de Fluidos de Barreira e Tampão

Um sistema de fluido de barreira introduz um líquido compatível entre as faces do selo, criando uma barreira física entre o fluido do processo e a atmosfera. Este fluido de barreira é mantido a uma pressão mais alta do que o fluido do processo, impedindo que o fluido do processo alcance as faces do selo.

Em contraste, um sistema de fluido de buffer usa um fluido que é compatível tanto com o fluido do processo quanto com os materiais de vedação, mas a uma pressão menor do que o fluido do processo. O fluido de buffer ajuda a resfriar e lubrificar as faces da vedação, reduzindo a geração de calor e estendendo a vida útil da vedação.

Planos de tubulação

Os planos de tubulação são arranjos padronizados de equipamentos auxiliares e tubulações que dão suporte a selos mecânicos em várias aplicações, incluindo serviços de alta temperatura. Esses planos são designados por números de acordo com o Padrão 682 do American Petroleum Institute (API). Alguns planos de tubulação comuns para selos mecânicos de alta temperatura incluem:

Plano 23: Este plano utiliza um trocador de calor para resfriar o fluido de barreira, que é circulado por um sistema de bombeamento anel ou bomba externa. O fluido de barreira resfriado ajuda a manter temperaturas estáveis nas faces do selo.
Plano 52: Neste arranjo, um reservatório externo fornece fluido tampão para a câmara de vedação por meio de uma bucha de aceleração. O fluido tampão ajuda a resfriar e lubrificar as faces de vedação, enquanto a bucha de aceleração controla a vazão e mantém o diferencial de pressão desejado.
Plano 53A: Este plano combina características dos Planos 52 e 23, usando um reservatório externo pressurizado para fornecer fluido de barreira à câmara de vedação e um trocador de calor para resfriar o fluido circulante.
Plano 54: Semelhante ao Plano 53A, este plano usa um reservatório externo pressurizado e um trocador de calor, mas também inclui uma bucha de aceleração de folga estreita para controlar o fluxo do fluido de barreira e manter o diferencial de pressão.