O que é um selo mecânico de alta pressão

O que é um selo mecânico de alta pressão

Um selo mecânico de alta pressão é um componente crítico em máquinas que operam sob condições de pressão extrema, tipicamente acima de 50 bar (725 psi). Esses selos são projetados para evitar vazamento de fluidos ou gases do equipamento, ao mesmo tempo em que suportam as imensas forças geradas por ambientes de alta pressão.

A função primária de um selo mecânico de alta pressão é manter uma barreira segura entre o fluido do processo e a atmosfera, mesmo sob as condições mais exigentes. Esses selos consistem em dois componentes principais: uma parte estacionária (estator) e uma parte rotativa (rotor), que são pressionadas juntas por uma combinação de forças hidráulicas e de mola. As faces de vedação são tipicamente feitas de materiais duros e resistentes ao desgaste, como carboneto de silício, carboneto de tungstênio ou cerâmica, que podem suportar as altas pressões e temperaturas encontradas nessas aplicações.

Como funcionam os selos mecânicos de alta pressão

O princípio de funcionamento dos selos mecânicos de alta pressão depende da criação de uma fina película de fluido entre as faces de vedação estacionárias e rotativas. Conforme o eixo gira, os anéis de vedação são pressionados juntos por uma combinação de força de mola e pressão hidráulica do fluido do processo. Essa pressão faz com que uma pequena quantidade do fluido do processo vaze entre as faces da vedação, criando uma fina película de fluido estável que lubrifica e resfria as faces, evitando vazamentos adicionais.

O filme fluido entre as faces do selo é mantido por um equilíbrio delicado entre a pressão hidráulica, a força da mola e a geometria precisa das faces do selo. As faces do selo são lapidadas para uma planura muito alta, tipicamente dentro de 2-3 faixas de luz de hélio (0,22-0,33 µm), para garantir contato uniforme e minimizar vazamentos. O anel de vedação rotativo é geralmente montado no eixo com um fole flexível ou outro elemento de vedação secundário, que acomoda desalinhamento menor do eixo e movimento axial enquanto mantém a vedação.

Que tipo de selo mecânico é usado para aplicações de alta pressão

Cara a cara

Em um arranjo face a face, dois selos mecânicos são instalados com suas faces de selo orientadas uma para a outra. Esse arranjo é comumente usado em aplicações de alta pressão porque equilibra as forças hidráulicas que atuam nas faces do selo, reduzindo a força de fechamento líquida e a geração de calor. Selos face a face também fornecem um grau de redundância, pois o segundo selo pode atuar como um backup se o selo primário falhar.

Costas com costas

Selos back-to-back são dispostos com suas faces de selo orientadas para longe uma da outra, com o espaço entre os selos tipicamente preenchido com um fluido tampão a uma pressão maior do que o fluido do processo. Este arranjo é usado quando o fluido do processo é perigoso, tóxico ou ambientalmente sensível, pois qualquer vazamento do selo primário é contido pelo fluido tampão e pelo selo secundário. Selos back-to-back requerem um sistema de fluido tampão separado e tubulação e instrumentação adicionais.

Tandem (ou frente a frente)

Selos tandem, ou face-to-back, combinam elementos de arranjos face-to-face e back-to-back. Nessa configuração, dois selos são instalados com suas faces orientadas em direções opostas, com o selo primário voltado para o fluido do processo e o selo secundário voltado para longe. O espaço entre os selos é geralmente ventilado para um local seguro ou conectado a um sistema de fluido de buffer a uma pressão menor do que o fluido do processo. Selos tandem fornecem os benefícios de balanceamento de pressão de selos face-to-face e os recursos de segurança e contenção de selos back-to-back.

Fatores que afetam o desempenho do selo mecânico de alta pressão

Pressão do fluido de processo nas faces do selo

À medida que a pressão do fluido aumenta, a força de fechamento nas faces do selo também aumenta, levando a maiores cargas de face, maior geração de calor e desgaste potencialmente mais rápido. Para neutralizar esses efeitos, os selos de alta pressão geralmente incorporam recursos como furos de equilíbrio, ranhuras ou orifícios nas faces do selo para reduzir a força de fechamento efetiva e manter um filme de fluido estável.

Controle de temperatura na câmara de selagem

Altas temperaturas podem causar expansão térmica dos componentes do selo, levando ao aumento de cargas de face e desgaste. Calor excessivo também pode degradar as propriedades de lubrificação do filme de fluido, aumentando o atrito e o risco de falha do selo. Para mitigar esses problemas, os selos de alta pressão geralmente incorporam camisas de resfriamento, trocadores de calor ou sistemas de termossifão para remover o calor da câmara de selo e manter temperaturas operacionais estáveis.

Lubrificação e resfriamento adequados das faces de vedação

O filme fluido entre as faces do selo atua como um lubrificante e um refrigerante, levando embora o calor de atrito e evitando o contato direto entre as faces. Para garantir lubrificação e resfriamento adequados, os selos de alta pressão podem incorporar recursos como ranhuras espirais, fendas radiais ou microestruturas nas faces do selo para promover a circulação do fluido e a dissipação de calor. A seleção de materiais de face de selo com boa condutividade térmica e propriedades autolubrificantes, como carboneto de silício ou materiais carregados com grafite, também pode melhorar o desempenho de lubrificação e resfriamento.

Sistemas de suporte para aplicações de alta pressão de selos mecânicos

Selos mecânicos de alta pressão exigem sistemas de suporte especializados para garantir desempenho e longevidade ideais. Esses sistemas ajudam a manter condições operacionais estáveis, evitar falhas de selos e estender a vida útil dos selos. Um componente crucial é o API Plan 52, que utiliza um reservatório de fluido tampão para fornecer um ambiente limpo, fresco e pressurizado para os selos.

O sistema API Plan 52 circula um fluido tampão compatível, como glicol ou óleo, através de uma câmara de vedação a uma pressão maior do que o fluido do processo. Esse diferencial de pressão positiva impede que o fluido do processo entre na câmara de vedação, minimizando a contaminação e estendendo a vida útil da vedação. O sistema também ajuda a dissipar o calor gerado pelas vedações, mantendo uma temperatura operacional estável.

Outros sistemas de suporte essenciais para selos mecânicos de alta pressão incluem:

1. Lubrificação adequada da face do selo: A lubrificação adequada é crítica para reduzir o atrito e o desgaste nas faces do selo. Isso pode ser obtido por meio do uso de fluidos de barreira, como óleo ou graxa, ou pela incorporação de recursos de lubrificação no projeto do selo.
2. Controle de temperatura: Manter uma temperatura consistente na câmara de vedação é crucial para evitar distorção térmica e garantir o alinhamento adequado da face da vedação. Isso pode ser feito por meio do uso de camisas de resfriamento, trocadores de calor ou unidades de controle de temperatura.
3. Monitoramento de pressão: O monitoramento contínuo da pressão na câmara de vedação ajuda a detectar quaisquer anomalias ou vazamentos, permitindo manutenção oportuna e evitando falhas catastróficas.

Aplicações do Selo Mecânico de Alta Pressão

• Bombas centrífugas:Selos mecânicos de alta pressão são usados em bombas centrífugas que manuseiam fluidos de alta pressão, como bombas de água de alimentação de caldeiras, bombas de dutos e bombas de injeção em poços de petróleo e gás.
• Compressores:Selos mecânicos são usados em compressores de alta pressão para gases como hidrogênio, gás natural e dióxido de carbono, bem como em compressores de refrigeração que usam refrigerantes de alta pressão.
• Turbinas:Vedações de alta pressão são usadas em turbinas a vapor e a gás para evitar vazamento de vapor de alta pressão ou gases de combustão do revestimento da turbina.
• Reatores e vasos de pressão:Selos mecânicos são usados em agitadores, misturadores e outros equipamentos rotativos em reatores de alta pressão e vasos de pressão em indústrias de processamento químico e petroquímica.
• Equipamento submarino:As vedações de alta pressão são componentes essenciais em equipamentos submarinos de produção de petróleo e gás, como bombas, compressores e válvulas submarinas, onde devem suportar pressões extremas e condições ambientais adversas.
• Sistemas de água de alta pressão:Selos mecânicos são usados em bombas de água de alta pressão e válvulas em aplicações como dessalinização por osmose reversa, limpeza de alta pressão e corte por jato de água.

Perguntas frequentes

Qual é o limite de pressão para selos mecânicos?

Em geral, as vedações mecânicas padrão podem suportar pressões de até 20 bar (290 psi), enquanto as vedações de alta pressão são projetadas para pressões que variam de 20 a 200 bar (290 a 2.900 psi) ou mais.