O que é selo mecânico

Um selo mecânico é um componente crítico em equipamentos rotativos que previne vazamento de fluidos e contém pressão. Esses selos são amplamente empregados em várias indústrias, incluindo petróleo e gás, processamento químico e tratamento de água, onde garantem a operação confiável e eficiente de bombas, compressores e outras máquinas.

O design e a função dos selos mecânicos evoluíram significativamente ao longo dos anos, com avanços na ciência e engenharia de materiais levando a um melhor desempenho e longevidade. Nesta postagem do blog, vamos nos aprofundar nas complexidades dos selos mecânicos, explorando seus princípios fundamentais, componentes-chave e funções.

O que é um selo mecânico

Um selo mecânico é um tipo de dispositivo de vedação usado para evitar vazamento de fluidos ao longo de eixos rotativos, especialmente em bombas centrífugas e outros equipamentos rotativos. Consiste em dois componentes principais: um anel de vedação estacionário montado na carcaça da bomba e um anel de vedação rotativo preso ao eixo. Esses dois anéis formam uma interface de vedação, criando uma barreira entre o fluido do processo e a atmosfera.

Selos mecânicos servem como uma alternativa superior à gaxeta tradicional, oferecendo melhor desempenho de vedação e requisitos de manutenção reduzidos. Eles são projetados para conter fluidos dentro da bomba, permitindo que o eixo gire livremente, minimizando o atrito e o desgaste. Ao vedar efetivamente o eixo da bomba, os selos mecânicos ajudam a evitar vazamento de fluido, o que pode levar à perda de produto, contaminação ambiental e riscos à segurança.

A ação de vedação de um selo mecânico depende da planura e suavidade precisas das faces do selo. As faces rotativas e estacionárias do selo são pressionadas juntas por uma combinação de forças hidráulicas e de mola, criando uma fina película de fluido entre elas. Essa película de fluido atua como uma barreira, evitando vazamentos enquanto lubrifica as faces do selo para minimizar o desgaste e o atrito.

Como funcionam os selos mecânicos

Selos mecânicos são projetados para conter fluido dentro de uma carcaça de bomba ou vaso, criando uma vedação entre as partes estacionárias e rotativas do equipamento. As faces primárias do selo, consistindo de um anel de vedação estacionário e um anel de vedação rotativo, são perpendiculares ao eixo e formam uma interface de vedação. Essas faces do selo são empurradas juntas por uma combinação de forças hidráulicas do fluido selado e pressão da mola do mecanismo de mola do selo.

As faces primárias do selo são normalmente feitas de materiais duros e resistentes ao desgaste, como carboneto de silício, carboneto de tungstênio ou grafite de carbono. Esses materiais são usinados com precisão para criar uma superfície de vedação plana e suave. Conforme o eixo gira, uma fina película de fluido é puxada entre as faces do selo, lubrificando-as e evitando contato direto. Essa película de fluido, junto com as forças hidráulicas e de mola, ajuda a manter a integridade do selo e evita vazamentos.

Selos secundários, como O-rings, selos de cunha ou foles elastoméricos, são usados para vedar entre os componentes estacionários e rotativos do conjunto de selos mecânicos. Esses selos secundários evitam vazamentos entre as faces do selo e o alojamento da bomba ou luva do eixo. Eles também acomodam pequenos movimentos e desalinhamentos do eixo, garantindo que as faces do selo primário permaneçam em contato adequado.

Em alguns projetos de selos mecânicos, como selos duplos ou selos tandem, selos adicionais são usados para fornecer proteção aprimorada contra vazamentos ou para selar um fluido de barreira. O fluido de barreira, que é tipicamente limpo e compatível com o fluido do processo, é mantido em uma pressão mais alta do que o fluido do processo para evitar contaminação e fornecer lubrificação às faces de vedação.

Componentes de Selos Mecânicos

Selos mecânicos consistem em vários componentes-chave que trabalham juntos para fornecer vedação eficaz e evitar vazamentos. Esses componentes incluem:

• Primary Seal Faces: As faces primárias do selo são o coração de um selo mecânico. Feitas de materiais como carboneto de silício, carboneto de tungstênio ou grafite de carbono, essas superfícies lapidadas com precisão criam uma interface de vedação dinâmica que impede que o fluido escape ao longo do eixo rotativo. A face estacionária é normalmente montada na caixa de glândula ou selo, enquanto a face rotativa é fixada ao eixo ou luva do eixo.
• Selos secundários: Selos secundários, também conhecidos como selos estáticos, são responsáveis pela vedação entre componentes estacionários e pela prevenção de vazamentos para a atmosfera. Essas vedações podem ser feitas de materiais elastoméricos, como anéis de vedação, anéis em V ou cunhas de PTFE. Em alguns projetos, foles de metal ou foles elastoméricos são usados como vedações secundárias para acomodar movimentos do eixo e fornecer vedação adicional.
• Mecanismo de mola: O mecanismo de mola aplica uma força constante às faces primárias do selo, garantindo contato e vedação adequados. Essa força é essencial para manter a folga da face do selo e acomodar qualquer desalinhamento do eixo ou ajustes axiais do eixo. Os tipos comuns de mola incluem molas helicoidais, molas onduladas e foles de metal.
• Hardware de suporte: Selos mecânicos dependem de vários componentes de suporte para funcionar efetivamente. Isso inclui glândulas de vedação, anéis de retenção, colares de acionamento e pinos antirrotação. A glândula de vedação fornece uma superfície de montagem para a face de vedação estacionária e ajuda a alinhar os componentes da vedação. Anéis de retenção e colares de acionamento prendem os componentes rotativos ao eixo, enquanto pinos antirrotação evitam a rotação indesejada da face de vedação.

Funções dos Selos Mecânicos

Função de vedação primária

A função primária de um selo mecânico é conter o fluido do processo dentro da bomba ou equipamento e evitar vazamentos ao longo do eixo rotativo. As faces primárias do selo criam uma interface de vedação dinâmica que mantém uma fina película de fluido entre as faces estacionária e rotativa. Essa película de fluido, gerada pela ação de bombeamento e pela geometria da face do selo, evita o contato direto entre as faces e minimiza o desgaste, ao mesmo tempo em que permite uma vedação eficiente.

Vedação e alinhamento do eixo

Selos mecânicos fornecem vedação eficaz ao redor de eixos rotativos, acomodando velocidades de eixo e permitindo movimento limitado do eixo. Os componentes de vedação, como os selos secundários e o mecanismo de mola, permitem algum grau de desalinhamento do eixo e ajuste do eixo axial, mantendo um ambiente de vedação adequado.

Compatibilidade e contenção de fluidos

Selos mecânicos são projetados para lidar com uma ampla gama de fluidos, incluindo água, hidrocarbonetos, produtos químicos e líquidos abrasivos. Os materiais da face do selo e os selos secundários são selecionados com base em sua compatibilidade com o fluido do processo, garantindo desempenho de vedação ideal e longevidade.

Gestão de Pressão e Temperatura

Selos mecânicos são capazes de operar em uma ampla faixa de pressões e temperaturas. Os componentes do selo, como as faces do selo primário, selos secundários e hardware de suporte, são projetados para suportar os requisitos específicos de pressão e temperatura da aplicação. Em aplicações de alta pressão, projetos de selos balanceados são frequentemente usados para minimizar a força de fechamento nas faces do selo, reduzindo o desgaste e estendendo a vida útil do selo.

Benefícios do uso de selos mecânicos

Taxas de vazamento reduzidas

Um dos principais benefícios do uso de selos mecânicos é sua capacidade de reduzir significativamente as taxas de vazamento em comparação aos métodos tradicionais de embalagem. A interface de vedação dinâmica criada pelas faces do selo primário minimiza o escape de fluido, garantindo a contenção eficiente do fluido do processo. Essa redução no vazamento não apenas melhora a eficiência geral do sistema de bombeamento, mas também minimiza o impacto ambiental e aumenta a segurança no local de trabalho.

Custos de manutenção mais baixos

Selos mecânicos oferecem menores custos de manutenção em comparação a outros métodos de vedação, como gaxeta. Os componentes projetados com precisão e os materiais avançados da face do selo usados em selos mecânicos resultam em maior vida útil e desgaste reduzido, minimizando a necessidade de substituições frequentes do selo. Além disso, as taxas reduzidas de vazamento associadas aos selos mecânicos ajudam a evitar danos aos rolamentos e outros componentes da bomba, reduzindo ainda mais os requisitos e custos de manutenção.

Aumento da eficiência operacional

O uso de selos mecânicos contribui para o aumento da eficiência operacional em sistemas de bombeamento. Ao manter um ambiente de vedação adequado e minimizar vazamentos, os selos mecânicos reduzem o consumo de energia e melhoram o desempenho geral da bomba. A vedação eficiente fornecida pelos selos mecânicos também ajuda a evitar a contaminação do fluido do processo, mantendo a qualidade do produto e reduzindo o risco de interrupções do processo.

Longevidade e durabilidade

Os selos mecânicos são projetados para longevidade e durabilidade, oferecendo vida útil estendida em aplicações exigentes. Os materiais de alta qualidade usados na construção do selo, como carboneto de silício, carboneto de tungstênio e plásticos projetados, fornecem excelente resistência ao desgaste e compatibilidade química. O design robusto dos selos mecânicos, combinado com instalação e manutenção adequadas, garante desempenho de vedação confiável por um período estendido, reduzindo o tempo de inatividade e os custos de substituição.

Tipos de selos mecânicos

Selos Únicos

Selos mecânicos simples, também conhecidos como selos de componentes, consistem em um único conjunto de faces de selo que fornecem uma interface de selagem dinâmica entre o eixo rotativo e o alojamento estacionário. Esses selos são normalmente usados em aplicações com fluidos limpos e não abrasivos e condições moderadas de temperatura e pressão.

Selos simples podem ser balanceados ou desbalanceados, dependendo da distribuição de pressão entre as faces do selo. Selos balanceados têm pressão igual em ambos os lados das faces do selo, reduzindo o desgaste e estendendo a vida útil do selo. Selos desbalanceados têm pressão mais alta em um lado, o que pode levar a maior desgaste e menor vida útil do selo.

Selos duplos

Selos mecânicos duplos apresentam dois conjuntos de faces de vedação, fornecendo uma camada adicional de proteção contra vazamentos. O espaço entre os dois conjuntos de faces de vedação é preenchido com um fluido de barreira, que pode ser um líquido ou um gás. O fluido de barreira serve para lubrificar e resfriar as faces de vedação, bem como para evitar que o fluido do processo entre na atmosfera.

Selos duplos são comumente usados em aplicações com fluidos perigosos, tóxicos ou caros, onde o vazamento deve ser minimizado. Eles também podem ser usados em aplicações de alta pressão ou alta temperatura, onde um único selo pode não fornecer desempenho de vedação adequado.

Selos Pusher vs. Não Pusher

Selos de pressão, também conhecidos como selos convencionais, usam um mecanismo de mola para manter contato entre as faces do selo. A mola empurra a face do selo rotativo contra a face do selo estacionário, garantindo uma vedação firme. Selos de pressão são amplamente usados devido à sua simplicidade e custo-benefício.

Selos não-pusher, como selos de fole e selos de fole de metal, usam um elemento flexível para manter contato entre as faces do selo. O elemento flexível, normalmente feito de materiais elastoméricos ou metálicos, atua como uma mola e um selo secundário. Selos não-pusher oferecem melhor desempenho em aplicações com alto desvio do eixo ou desalinhamento, pois o elemento flexível pode acomodar essas irregularidades.

Selos de cartucho

Selos de cartucho são unidades pré-montadas que combinam todos os componentes de um selo mecânico em um único pacote fácil de instalar. Eles consistem em faces de selo, selos secundários, mecanismo de mola e hardware de suporte, todos alojados em um único conjunto.

Os selos de cartucho oferecem várias vantagens sobre os selos de componentes, incluindo instalação mais fácil, confiabilidade aprimorada e custos de manutenção reduzidos. Eles são particularmente úteis em aplicações onde a substituição frequente do selo é necessária, pois podem ser instalados de forma rápida e fácil sem a necessidade de ferramentas especializadas ou experiência.

Selos divididos

Selos fendidos são projetados para serem instalados ao redor de um eixo sem a necessidade de desmontagem completa do equipamento. Eles consistem em duas ou mais peças que podem ser montadas ao redor do eixo, tornando-os ideais para aplicações onde a substituição do selo deve ser realizada rapidamente e com tempo de inatividade mínimo.

Selos bipartidos são comumente usados em equipamentos grandes e caros, como bombas, compressores e agitadores, onde a desmontagem completa seria demorada e custosa. Eles também são úteis em aplicações onde o equipamento não pode ser facilmente movido ou acessado, como em instalações subterrâneas ou offshore.

Aplicações de Selos Mecânicos

Óleo e gás

Na indústria de petróleo e gás, selos mecânicos são usados em bombas e compressores que manipulam hidrocarbonetos, fluidos de perfuração e outros meios de processo. Esses selos são projetados para suportar altas pressões, temperaturas e condições abrasivas comumente encontradas neste setor. Selos mecânicos especializados, como os selos API 682, são projetados para atender aos rigorosos requisitos da indústria de petróleo.

Processamento Químico

Plantas de processamento químico dependem de selos mecânicos para conter e evitar vazamentos de vários produtos químicos, solventes e reagentes. Esses selos devem ser compatíveis com os fluidos do processo e resistir à corrosão, erosão e ataque químico. Selos mecânicos duplos com fluidos de barreira são frequentemente empregados para fornecer uma camada extra de proteção contra vazamentos e garantir a conformidade com as regulamentações ambientais.

Tratamento de Água

Em aplicações de tratamento de água, selos mecânicos desempenham um papel crucial na vedação de bombas e outros equipamentos que manuseiam água, águas residuais e vários produtos químicos de tratamento. Esses selos devem ser capazes de suportar a exposição ao cloro, ácidos e outras substâncias corrosivas, ao mesmo tempo em que previnem a contaminação do suprimento de água. Selos de cartucho são comumente usados nesta indústria por sua facilidade de instalação e manutenção.

Alimentos e Bebidas

A indústria de alimentos e bebidas requer selos mecânicos que atendam a padrões rigorosos de higiene e saneamento. Esses selos devem ser projetados para evitar o crescimento bacteriano, suportar ciclos frequentes de limpeza e esterilização e manter a pureza do produto. Selos mecânicos simples e duplos feitos de materiais aprovados pela FDA, como aço inoxidável e elastômeros especiais, são amplamente usados neste setor para garantir a segurança do produto e a conformidade com os regulamentos.