UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARIA SEDE CONCEPCIONREY BALDUINO DE BLGICA CONCEPCION

PAUTA DE SELECCIN DE SELLOS MECANICOS

TRABAJO PARA OPTAR AL TTULO DE TECNICO UNIVERSITARIO EN MECANICA INDUSTRIAL

Alumno

: Jos Gabriel Sereo Herrera

Profesor Gua: Sr. Jos Emilio Lpez Silva

-2009-

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RESUMEN

El propsito para esta memoria es, realizar un estudio de los diversos mtodos de sellado ya sea para movimiento esttico o dinmico, y efectuar una pauta que permita seleccionar un sello adecuado para una caracterstica determinada. Cabe sealar que al recopilar informacin para esta memoria se encontr con la limitancia de la gran extensin en el tema del sellamiento, siendo por esto que la pauta de seleccin solo incluir algunos tipos de sellos estticos y dinmicos, tambin es importante sealar que la seleccin de un sello esta en directa relacin con el tipo de fluido a sellar.

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INTRODUCCION

La presente investigacin pretende estudiar a fondo la problemtica del sellado dinmico por medio de las aplicaciones con sellos mecnicos, el sellado dinmico en los diversos procesos industriales resulta cada vez un tema muy extenso y complejo debido a las normativas internacionales y las exigencias de las mismas para evitar filtraciones en la manipulacin de fluidos, sobre todo cuando se trata de alterar el medio ambiente. En los equipos mecnicos del tipo rotativo es muy comn que sus detenciones sean ocasionadas por fallas de sellado, resultando en prdidas econmicas para las empresas por bajas de produccin y costos en mantencin. Por esto se le da gran importancia a lograr un funcionamiento optimo de los componentes de sellado, siendo fundamental para esta tarea manejar un alto conocimiento de los equipos, condiciones de trabajo, principios de funcionamiento, caractersticas de las zonas de sellado y del tipo de fluido a manipular, adems se debe tener en cuenta que existe una larga lista de dispositivos de sellado con sus respectivas limitantes y ventajas tcnicamente hablando. Es importante recalcar que esta investigacin no abarca la extensa gama de tipos de sellado, pero si entregara una pauta de seleccin de los principales componentes de un sello mecnico, en relacin a las caractersticas que posea el fluido a sellar y de acuerdo al espacio que se tenga por diseo. No se debe hacer una eleccin del tipo de sellado sin considerar la importancia respecto al tipo de fluido a manipular, no es comparable una fuga en una lnea de vapor a una en el manejo de gases nocivos para la salud y de alto riesgo ambiental, adems esto conlleva tambin prdidas econmicas que tampoco son comparables ya que al liberar vapor la prdida econmica se traduce en un mayor gasto de energa para recuperar la fuga, sin embargo los costos con gases peligrosos adicionan gastos en indemnizaciones y multas.

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INDICEResumen Introduccin.. Nomenclatura... CAPITULO 1 Sellado General... Resea histrica.. Qu son los sellos?....................................................................... Cero escurrimiento. Clasificacin general de los sellos mecnicos.. Definiciones del esquema de los sellos.. CAPITULO 2 Sellado Dinmico. Elementos fundamentales que constituyen un sello. formacin de la pelcula de fluido Arosello para sellado dinmico Aplicaciones dinmicas en empaquetaduras tipo compresible.. Diseo de la ranura Lubricacin.. Consideraciones generales en aplicaciones dinmicas de arosellos. CAPITULO 3 Sellos Mecnicos.. Principios generales.. Principio de funcionamiento. Descripcin estructural...4

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Clasificacin de los sellos mecnicos. Tipos de sellos. Diseos de sellos mecnicos Seleccin de los materiales del sello.. Como obtener una buena duracin del sello Seleccin de los sellos mecnicos. Fallas de los sellos mecnicos Generacin de calor. Teoras de lubricacin de las caras del sello CAPITULO 4 Fallas en los Sellos Mecnicos. Porque fallan los sellos mecnicos Instalacin de un sello. Sello contra empaquetadura.... CAPITULO 5 Condiciones Ambientales Controles ambientales en la operacin del sello.. Sistema de control. CAPITULO 6 Empaquetadura v/s Sello Mecnico. Consideraciones tcnicas para uso de empaquetaduras Consideraciones tcnicas para uso de sellos mecnicos Comparacin tcnica entre empaquetaduras y sellos mecnicos. Conclusin

31 32 43 47 49 51 53 54 54 58 59 63 66 70 71 72 74 75 76 80 84

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Nomenclatura

A Ac Af C Di De Do F F Fa Fc Kpa Kw LB P P PTFE RPM

: : : : : : : : : : : : : : : : : :

Area (cm) Area de las caras del sello (cierre) Area de presin entre las caras del sello Grados Celsius Dimetro interior Dimetro exterior Dimetro de equilibrio Fuerza (Kg) Grados Fahrenheit Fuerza de apertura Fuerza de Cierre Kilopascal Kilowatt Lnea de balance Presin (Kg/ cm) Presin media a travs de las caras del sello Politetrafluoroetileno Revoluciones por minuto

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Capitulo 1SELLADO GENERAL

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1.1

RESEA HISTORICA A principios del siglo XX apareci el primer sello simple de cara, el que no fue muy relevante puesto que ocurrieron difciles problemas en el sellado. Funcionalmente y segn su diseo estos fueron un adelanto sobre la empaquetadura suave o blanda y las cajas de empaquetaduras. La Fig. 1-1 muestra la construccin ms sencilla que comprende un eje collar, el cual permite funcionar directamente contra la carcasa de la mquina. Sin embargo, debido a la falta de material de cara adecuado y a las tcnicas de produccin, el potencial total de estos sellos no se realiz, y fue solamente desde el ao 1920 en adelante, en las plantas de refrigeracin que se usaron sellos de caras en un grado apreciable.

Fig. 1-1. Ms recientemente se ha introducido un anillo V de goma (Fig.1-2), construido en un principio, de acuerdo a la operacin para la cual se haba truido destinado, sin embargo, cabe sealar que de acuerdo a la propiedad de sealar elasticidad, este sello resulta ser bastante mejor, en compensacin a los movimientos axiales que resultan de causas trmicas o mecnicas.

Fig.1.2.

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Deubln Company, (Una de las ms importantes empresas fabricadoras de sellos, fundada en el ao 1945 por Luke Deubler y Dick Linn) Ha sido una de las ms importantes en ste mbito, pues introdujeron en el mercado los sellos mecnicos compensados en oposicin a los sellos a presin que eran los de fcil desgaste, fue as como empez un gran crecimiento en el auge de los sellos. La industria automovilstica fue la primera en confiar en los sellos mecnicos, los utiliz primero en las bombas de agua de mquinas de combustin interna. En la actualidad las bombas de agua de los automviles estn ajustadas con sellos de cara o de otro tipo. Las exigencias para los sellos de cara fueron satisfechas con relativa facilidad con los materiales disponibles, ya que las exigencias de operacin no eran demasiado grandes. La presin de agua refrigerante era tan solo de unas pocas atmsferas y el grado de contaminacin de los slidos era pequeo; las temperaturas rara vez superaban los 100C (212F) y la velocidad de rose era de solamente del orden de los 3m/s. Con el avance en los procedimientos de produccin y mejores materiales no solo se hizo posible mejorar la eficiencia de operacin y vida de trabajo, sino tambin se bajaron los costos de produccin. Hoy en da la industria del petrleo llega a usar casi exclusivamente sellos mecnicos, por razones de seguridad y economa, puesto que el avance ha sido notable obteniendo temperaturas de 205 C, presiones de 300 PSI y velocidades del orden de 15.2 m/s lo que apunta a tener mejor produccin y una mayor rentabilidad.

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1.2.

QU SON LOS SELLOS?

1.2.1. Definicin Los sellos son dispositivos mecnicos usados para evitar el escurrimiento de lquidos, slidos y gases. Tambin se usan para evitar la penetracin de materias extraas en los contenedores ocultos o sistemas de tuberas. Los sellos se hallan disponibles en una enorme variedad de diseos que utilizan diversos principios de sellado, as para cualquier aplicacin especfica se debe realizar una minuciosa evaluacin antes de hacer efectiva la seleccin. Estas selecciones debern considerar factores muy importantes, tales como presin, temperatura, ambiente corrosivo, materiales, velocidad del eje y as sucesivamente. De lo anterior tenemos que considerar adems las siguientes acciones: La primera accin para llegar a una solucin tcnica justificable es la correcta identificacin del problema del sellado. La segunda, es la importancia de la cantidad de escurrimiento que se puede tolerar, esta accin no se debe subestimar, debido a que no existe el cero escurrimiento. La tercera y ltima es la disponibilidad de un sello apropiado en el mercado industrial. Es muy importante el conocimiento detallado del problema especfico que se trate y de los sellos disponibles para lograr un resultado ptimo.

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1.3.

CERO ESCURRIMIENTO. El significado cero escurrimiento, es utilizado a menudo. Sin embargo esto es engaoso debido a que no existe una definicin nica, as por ejemplo se tiene: Un amplio estudio realizado por los laboratorios de tecnologa avanzada, de la General Electric, Schenectady, New York; cero escurrimiento se ha definido como un escurrimiento con menos de 108 (cm/seg.), de helio en condiciones atmosfricas. Otras fuentes industriales indican que cero escurrimiento, puede ser considerado en un rango de 10 a 108 (cm/seg.), de helio en condiciones atmosfricas. En la NASA, se define en un estndar de no ms de 1.4*10 (cm/seg), GN2 a 300 (Ibs / pulg), y a temperatura ambiente. Los requerimientos de escurrimiento en las vlvulas utilizadas en las misiones de tripulacin, varan de 145*10"* estndar (cm3/seg), a 0, para NO y de 8.3*10 estndar (cm3/seg), a 1.4*10 estndar (cm3/seg), para otros gases. Por lo tanto, el cero escurrimiento es un concepto relativo que depende de la rigurosidad del trabajo, esto queda claramente definido si se comparan las exigencias de escurrimiento mximo permitido por la NASA, versus las exigencias industriales y como era lgico suponer las exigencias de la NASA son mucho ms exigentes.

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1.4.

CLASIFICACIN GENERAL DE LOS SELLOS DINMICOS. La clasificacin de cualquier tema tcnico o no, sirve para la identificacin de especies, logrando con ello un anlisis ptimo de los problemas involucrados. Es as como los sellos se clasifican en sus dos principales categoras, ESTTICOS Y DINMICOS.

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1.5.

DEFINICIONES DEL ESQUEMA DE LOS SELLOS.

1.5.1.

Los sellos estticos Se llaman sellos estticos, cuando las partes a sellar no tienen movimiento relativo entre s. Es as como se dividen en tres tipos como son: empaquetaduras, sellantes y contacto directo.

1.5.2.

Los sellos dinmicos Se llaman sellos dinmicos, cuando las partes en contacto con el sello tienen movimiento relativo entre s. Se pueden subdividir en dos grupos bsicos, como sellos para ejes rotatorios y ejes reciprocantes.

1.5.3. Sellos para ejes rotatorios Estos abarcan dos grandes grupos como lo seala el esquema anterior los cuales son sellos interfaciales y sellos intersticiales. 1.5.4. Sellos interfaciales Estos representan una gran familia de sellos industriales, que establecen el contacto directo entre los componentes del sello y el eje rotatorio. Los sellos interfaciales se subdividen en sellos axiales y radiales, (ver esquema anterior). 1.5.4. Sellos intersticiales Categorizan a una familia o grupos distintos, en los componentes del sello no tienen contacto mecnico directo con el eje rotatorio. Los elementos de sello permiten cierto escurrimiento que retarda el flujo, controlando el espacio libre, a travs del cual puede pasar flujo usando fuerzas externas en el fluido. La funcin de estos sellos es crear una cada de presin del fluido al sellar con el menor flujo posible de escurrimiento y permitir simultneamente un movimiento relativo no restringido, entre las partes mviles. Estos sellos son capaces de mantener un diferencial de presin entre el exterior de la mquina y su ambiente circundante, estrangulando el fluido de escape. Al contrario de los sellos interfaciales, en los sellos intersticiales no se pretende un contacto mecnico de movimiento con friccin se reduce a un minino absoluto. partes de la mquina, as la

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Ejemplos de tales sellos intersticiales son los viscosellos, sellos de laberinto (usados en las turbinas), etc. 1.5.6. Sellos ferrofludicos Aqu la brecha para el fluido del espacio libre, es llenada con un medio que es mantenido cautivo con la ayuda de un cuerpo magntico ms o menos fuerte. Las partes mecnicas para establecer un sello no existen. Con los sellos intersticiales no hay contacto de frotacin; as la friccin y el desgaste de partes mviles en el ambiente del sello directo son prcticamente eliminados. 1.5.7. Sellos para ejes reciprocantes Una clasificacin de los ejes reciprocantes est en el esquema general. Esta descripcin tiene como objeto solamente mostrar la variedad de sellos ya existente, ya que abarcarlos todos sera muy extenso. 1.5.8. Empaquetadura Elemento de unin intermetlico slido y elstico que tiene como misin evitar o reducir al mnimo el escape de un fluido lquido o gaseoso a travs de los claros mecnicos, sea en el estado esttico o dinmico.

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Capitulo 2SELLADO DINAMICO

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2.1.

ELEMENTOS FUNDAMENTALES QUE CONSTITUYEN UN SELLO

2.1.1. Los elementos principales que conforman los sellos son: Superficie primaria. Superficie secundaria.

2.1.2. Los elementos que conforman el principio fundamental son: 1. Elemento sellante (E.S.). 2. Elemento que arrastra al elemento sellante (El eje). 3. Fuerza que comprime el elemento sellante contra la superficie primaria. Un ejemplo se aprecia en la Fig. 2-1. Ej: Anillo de pistn

Fig. 2-1. Elementos que constituyen un sellado.

2.1.3. Los problemas bsicos en el diseo de un sello dinmico son 1. Rigidez y resistencia mecnica del cuerpo. 2. Resistencia contra cambios qumicos y fsicos en la superficie. 3. Fugas, friccin y desgaste. 4. Problemas de fabricacin. Observacin: los puntos 3 y 4, son dependientes de la forma de la pelcula del fluido (espesor, viscosidad, temperatura, etc.).

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2.2.

FORMACIN DE LA PELCULA DE FLUIDO. En un sello, el espesor de la pelcula debe ser pequeo; pero suficiente para mantener separada las superficies, lo que produce pequeas fugas. La funcin es bajar la presin desde P0 a la presin P con el mnimo de fugas o crear dentro del sello, una contra presin superior a la presin del fluido P0 con el objeto de evitar las fugas, Fig.2-2a. En cambio en un cojinete el espesor de la pelcula debe ser ms grueso con el fin de reducir la perdida de energa al mnimo; creando el mximo de presin PF dentro de la pelcula con el objeto de maximizar las fuerzas portantes F. Fig. 2-2b. Sello Cojinete

P0

P1

PF1

F

Fig. 2-2. El valor de la fuerza F puede ser estimado mediante la ecuacin (2-1)F = PF1*dA. P = F/A. (Valor medio de la presin). (2-0) (2-1)

2.2.1. Variables de diseo. Espesor de pelcula (determinado por el caudal de las fugas permisibles, as como

la seguridad contra el roce). Rigidez de la pelcula. Potencia disipada (perdida por estrangulamiento, perdida por roce). Caudal de fluido. Adaptabilidad de las distintas condiciones de operacin. Temperatura.

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2.3.

AROSELLO PARA SELLADO DINMICO. Al igual que en aplicaciones estticas, se pueden usar diferentes formas para el sellado dinmico entre las que se pueden mencionar:

Fig.2-3 D-Ring. Es un sello para movimiento reciproco. Funciona bien en aplicaciones hidrulicas o neumticas. No es susceptible a fallas por espiral; pero requiere de dos anillos de apoyo.

Fig. 2-4 Delta-Ring. Anillo con forma de tringulo. Resuelve el problema de torsin de los aro sellos; pero dado que la friccin es grande, la vida esperada es relativamente corta. Tiene aplicaciones limitadas.

Fig. 2-5 O-Ring. El anillo-O es la forma ms comn de compresin. Sella en ambas direcciones. Tiene bajo costo. Ms adelante ser tratado en forma ms detallada.

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Fig. 2-6 T-Ring. El anillo en forma de T, no es susceptible a fallas de espiral. La deformacin de la deformaci seccin es cerca del 5%, lo que reduce la friccin respecto a otros tipos. Se pueden usar en movimientos recprocos y oscilantes, en bajas presiones. Requiere de anillos , de apoyo para evitar la extrusin. poyo

Fig. 2-7 Square-Ring. Usado algunas veces para movimiento reciproco. Nunca debe usarse en movimiento oscilante o rotatorio. Se emplea mayormente en aplicaciones est estticas en presiones que no excedan a los 1500 (Ibs / pulg2).

Fig. 2-8 Lobed-Rng. El anillo en forma cuadrada, con cuatro lbulos redondeados, se puede usar en bulos ranuras para arosellos ya sea en movimientos recprocos, oscilantes o rotatorios. mientos Similar al arosello en estas aplicaciones, no es susceptible a la falla en espiral. Llena la ranura ms que el arosello. Superior al arosello en aplicaciones rotatorias debido a la menor deformaci deformacin, aproximadamente 1% en algunos casos. Tiene en la ranura menos movimiento de19

lado a lado que el arosello, adems menor friccin esttica; sin embargo, es ms caro y de construccin ms compleja. 2.4. APLICACIONES DINMICAS EN EMPAQUETADURAS TIPO COMPRESIBLE Existen tres tipos de aplicaciones para arosellos dinmicos Reciproco: En donde la seccin de sellado es la del pistn o bien la del vstago. Oscilante: Donde el sello rota hacia atrs y adelante a travs de un nmero limitado de grados o varias vueltas completas. Rotatorio: Donde el eje gira dentro del dimetro interior del arosello. El sellado para movimientos rotatorios se logra, en gran parte de la misma manera; pero las fuerzas actuantes en el anillo se deben manejar en forma diferente. Ciertos cauchos muestran un fenmeno conocido como el "efecto Joule", cuando el caucho es calentado bajo una carga torsional, se contrae. Esta contraccin aumenta al igual que la temperatura. Por lo tanto, dado que el movimiento de rotacin causar un incremento de temperatura en el material del arosello, este se debe montar de manera que este en compresin. Para evitar cargas tensionales del arosello en aplicaciones rotatorias, el dimetro del fondo de la ranura del eje, deber ser menor que el dimetro interior del arosello. La ranura fuerza al anillo hacia abajo sobre el eje. Este mtodo proporciona una vida til ms larga al arosello. 2.4.1. Restricciones. Las empaquetaduras de tipo compresin son econmicas y fciles de instalar, sin embargo, los anillos no se debern usar en:

Ambientes extremadamente sucios o cuando un lubricante transporta suciedad abrasiva (partculas). Dado que estos anillos sellan por contacto, la vida til es reducida por condiciones abrasivas. Con lubricacin dispersa e intermitente, lo que tambin reduce la vida til. Para altas velocidades de rotacin de eje.

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2.4.2. Diseos con movimientos reciprocantes. El diseo de un mecanismo usando sellos de arosellos involucra balancear varios requerimientos divergentes. El ancho de la ranura y compresin diametral, permite al arosello que ruede hacia atrs y adelante en la ranura, con cada carrera del pistn. El desgaste del arosello es distribuido por sobre y cerca del 100% de la seccin transversal. Aumentndose la compresin, generalmente se mejora el sellado a bajas temperaturas; pero puede complicarse el ensamble y producirse una disminucin de la vida til del sello debido a la mayor friccin causada por el arrastre y rodado del arosello mientras est en movimiento el vstago o pistn. Cuando la ranura y, espacios libres son diseados de manera que la cantidad de movimiento del obturador es apropiada, la vida til del sello es cerca del doble, de lo que sera si no se permitiera rodadura. Los sellos de varilla o pistones actuantes simples donde la presin es slo en una direccin, no tienden a rodar tanto como en los sellos de pistn de doble accin. Las aplicaciones dinmicas de arosellos debern permitir un escurrimiento de algunas gotas por 1000 carreras. Naturalmente la cantidad de escurrimiento depende de la viscosidad de la pelcula de fluido. La carrera rpida a severas presiones puede causar un escurrimiento excesivo debido a que el arosello puede actuar como una bomba cada vez que rueda y tiende a pasar un resto de fluido para el lado de baja presin con cada giro. Este problema puede superarse usando compuestos de caucho ms duros. El escurrimiento debido al giro del anillo se puede reducir desbastando la superficie de la ranura o reduciendo el ancho de la ranura para reducir la cantidad de rea en la cual puede girar el anillo. Estas modificaciones causan friccin excesiva en el anillo y pueden acortar su vida til, por el arrastre o frotacin de la superficie del anillo.

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2.4.3. Sellos con movimiento oscilante. Los arosellos son excelentes para sellos alrededor de ejes oscilantes, tal como vstagos de vlvula. En general, las dimensiones de ranura y otros antecedentes de diseo, son los mismos que para sellos de eje recprocos. Se deben usar arosellos con una dureza de 80 a 90 shore A. Los arosellos ms duros evitan que este se frene y proporcione un giro ms suave. En casos donde la friccin pueda ser particularmente aguda, un compuesto impregnado con grafito o disulfito de molibdeno puede ser usado. Sin embargo, estos compuestos impregnados deben usarse con precaucin. La impregnacin de grafito de los arosellos puede no ser satisfactoria con algunos metales.

2.4.4. Sellos de ejes rotatorios. Los arosellos se pueden usar para sellos de ejes rotatorios, slo bajo ciertas condiciones especiales de diseo. Las velocidades mximas de diseo, estn en el rango de 600 [pies/min]. Especialmente importante es una buena lubricacin y refrigeracin, para disipar el calor de la cara de contacto. Los sellos de anillos-X son ligeramente mejor en esta aplicacin y pueden soportar velocidades de hasta 900 [pies/min]. Cuando se usa un arosello en la forma usual, expandindose ligeramente alrededor del eje, la friccin del caucho en contra del eje rotatorio genera calor y hace que el caucho se contraiga, lo que causa una carga ms alta de la unidad del elastmero en contra del eje. El ciclo de friccin, calor y contraccin del anillo es repetido hasta ocurrir la rpida falla del sello. Se necesitan velocidades ms lentas de eje en sistemas de alta presin. La cantidad de esfuerzo permitido depende:

Del rea de contacto. Presin. Acabado de superficie del eje. Otros factores an no evaluados.

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Se deben instalar sellos en ejes rotatorios, de manera que: El arosello tenga un 5% de deformacin perifrica. El dimetro interior del anillo de sellado, debe ser ms pequeo que el dimetro exterior del eje al cual sella. La profundidad de la ranura se debe disear de manera que sea igual a la seccin transversal mnima del arosello. El ancho de la ranura debe ser igual al 10% ms que la seccin transversal mxima del arosello.

Los arosellos instalados bajo estas condiciones no tienen una formacin continua de calor. Luego de los primeros minutos iniciales de operacin, la curva de temperatura se nivela. Los sellos de ejes rotatorios se deben limitar a los ejes con velocidades rotacionales, usando como referencia la tabla 2-1.

DIMETRO DEL EJE (PULG). 1/8 a 9/32 3/8 a 1/16 3/4 a 1/4

VELOCIDAD (PIES/MIN). 350 450 600

Tabla 2-1. Velocidades recomendadas para un eje con un anillo "O".

2.5.

DISEO DE LA RANURA. Al igual que en el sellado esttico con arosellos, la ranura rectangular es la ms usada en el sellado dinmico, puede ser utilizada en un mecanismo hidrulico o neumtico. Los diseos recomendados de ranura para arosellos y anillos en general, estn cubiertos por especificaciones. La expansin de arosello que se aplica al dimetro interior del arosello es de aproximadamente 0 a 2% para los diseos militares y de 1 a 5% para aplicaciones comerciales.

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En donde los requerimientos de servicios son severos o donde la consideracin ms importante es la vida til extremadamente larga, se deber usar de 0 a 2% de expansin. La compresin mnima dada por los estndares es calculada para incluir todos los factores de tolerancia, espacios libres, excentricidades, cargas laterales, cambio de volumen en fluidos y contraccin del caucho a baja temperatura. Disminuyendo la seccin transversal se puede reducir la friccin, pero esta disminucin ser anulada si la presin aumenta, dado que el anillo es comprimido en un extremo de la ranura. La compresin diametral recomendada para la seccin transversal del arosello es de aproximadamente 10%. El ancho de la ranura es de 25 a 50% mayor que la seccin transversal del arosello, para impedir el rendimiento volumtrico que pueda resultar de la expansin para varios tipos de fluidos.

2.6.

LUBRICACIN. La lubricacin apropiada de un arosello durante la instalacin en cualquier tipo de aplicacin dinmica, es absolutamente esencial para una prolongada vida til de servicio. Antes del ensamble, los anillos, ranuras y todas las superficies sobre las cuales se debe deslizar un arosello, se deben lubricar con el fluido hidrulico en el cual operar. Si el arosello opera en un fluido hidrulico de buen valor lubricante, el fluido proporcionar eficiente lubricacin. Cuando opera en un sistema neumtico, se deben usar otros medios de lubricacin, por ejemplo, grasas. Entonces el medio de lubricacin a usar depender de la aplicacin. Los sistemas neumticos de alta presin, operando por sobre 100 [Ibs/pulg2] y a temperatura por sobre 275 [ (135C) pueden requerir tipos especiales de F] lubricantes de silicona. Los lubricantes de silicona se usan algunas veces en instalaciones en donde un lubricante del tipo permanente, es considerado necesario.

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Cualquier suciedad, arenilla, virutas, de metal, arena, polvo, materias extraas se debern mantener fuera del sistema hidrulico. El aceite deber mantenerse limpio a fin de proteger al sello de elementos extraos. 2.7. CONSIDERACIONES GENERALES EN APLICACIONES DINMICAS DE AROSELLOS. 2.7.1. Friccin. Existen dos tipos de friccin en los sellos; friccin dinmica, que en el caso de los Anillo-O no es mayor que para otros tipos y en muchos casos puede ser incluso menor, y friccin esttica, la que se opone al inicio del movimiento. La friccin esttica es importante en aplicaciones tales como, cilindros de efecto nico, que deben retornar por su propio peso, cilindros de control de elevacin y en algunas vlvulas solenoides. 2.7.2. Tamao. La friccin aumenta a medida que aumenta el rea de frotacin de superficie en contra de las partes de metal, por lo tanto, la friccin se hace mayor a medida que aumenta la seccin transversal del arosello. La friccin tambin aumenta con el uso de arosellos de mayor permetro. Los tamaos de arosellos estndar son un intento para balancear factores, tales como: friccin, desgaste, vida til, compatibilidad del diseo, etc. 2.7.3. Presin del fluido. La deformacin del arosello aumenta con la presin del fluido hasta un mximo, el cual depende de la dureza del arosello mismo, antes de producirse extrusin, por ejemplo: un arosello de dureza 70 shore A alcanza su deformacin mxima aproximadamente a 1.200 [Ibs/pulg2]. Esta es una presin varios cientos [Ibs/pulg2] bajo la presin de extrusin; cuando se usan espacios libres recomendados para el arosello. 2.7.4. Compresin del arosello. A medida que el aplastamiento diametral aumenta, la friccin esttica y dinmica aumenta; pero generalmente mejora el sellado, mientras no se destruya el arosello.

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2.7.5. Temperatura. La friccin del arosello aumenta con la disminucin de la temperatura, debido a que el compuesto se endurece. Los compuestos de cauchos sintticos se comportan igual que fluidos muy viscosos. 2.7.6. Lubricacin. La friccin del arosello parece ser muy poco afectada por la lubricacin, siempre que el fluido tenga cualidades de lubricacin aceptables. Los sellos dinmicos no se deben operar en secos.

2.7.7. Ventajas del anillo "O" (O-Ring). 1. El anillo "O" puede flexionarse o enrollarse para la mayora de las aplicaciones. 2. Gran disponibilidad. 3. Gran variedad de materiales. 4. Sella en ambos sentidos. 5. Fcil instalacin. 6. Bajo costo. 7. Otras.

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Capitulo 3SELLOS MECANICOS

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3.1. PRINCIPIOS GENERALES. Existen desde hace dcadas. Su advenimiento tuvo lugar como resultado de la necesidad de establecer sistemas efectivos de estanqueidad que los que, hasta entonces brindaban los sellos de prensaestopas, con los inevitables desgaste de ejes, de camisas de ejes, as como, las costosas y frecuentemente arriesgadas fugas de lquidos. Los sellos mecnicos son juntas rotativas que evitan o inhiben la fuga de lquido a travs de las holguras existentes entre el eje y la carcasa de una bomba. Normalmente se encuentra ubicado en un recinto llamado "cmara de estanqueidad", provisto para ese propsito por el fabricante de la bomba. El sello mecnico ms comn, llamado "sello axial", consiste en dos piezas anulares doradas, de superficies de rozamiento "caras" muy planas y pulidas localizadas en el espacio en un plano a 90 con respecto al eje y comprimidas, la una contra la otra, por uno o varios resortes, estas caras actan como sello primario, nada puede penetrarlas, siempre que se les mantenga juntas. Una de las piezas anulares, se denomina "unidad estacionaria", es afirmada y sellada en forma estanca contra la carcasa de la bomba, la otra pieza anular, llamada "unidad rotatoria", se fija, tambin en forma estanca al eje de la bomba. Esta ltima gira con el eje, con su superficie de contacto comprimida contra la unidad estacionaria, como resultado de la accin conjunta de la compresin de los resortes y de la presin del lquido en la cmara de estanqueidad. Dicha compresin deber ser la justa para reducir la fuga al mnimo de unos pocos mililitros por da y al mismo tiempo deber mantener una pelcula de lquido entre las caras para propsito de lubricacin. A esta pelcula se le llama "pelcula interfacial". La pelcula interfacial y una adecuada seleccin de los materiales de las caras minimizan el desgaste por friccin. Uno de los factores a considerar en la formacin de la pelcula de lubricante y el roce, es la rugosidad de las caras del sello la que a menudo es del orden de 10 micras. Adems de las partes anteriormente mencionadas. Los sellos cuentan normalmente con un flange, que sujeta la unidad estacionaria a la carcasa y tambin con dos o ms juntas estancas adicionales, llamadas "juntas secundarias" o elastmeros", que aseguran la estanqueidad entre28

la carcasa y la unidad estacionaria, por un lado y por el otro, entre el eje y la unidad rotatoria. Es importante que el eje pueda moverse con facilidad a travs del elastmero, de no ser as, este se convierte en una de las principales causas de falla de los sellos. 3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. El sello mecnico, es un dispositivo que se utiliza para evitar fugas por los ejes mediante dos superficies de sellamiento, una estacionaria y la otra que gira en contacto con el eje (dinmica). Estas superficies o caras de sellamiento, con una pelcula entre ellas, se localizan en un plano perpendicular al eje y se mantienen en contacto continuo por medio de uno o varios resortes. Aunque puede diferir de varios aspectos fsicos, todos los sellos mecnicos son fundamentalmente lo mismo en principio. Las superficies de sellado, generalmente de materiales diferentes, consisten en caras generalmente pulidas que corren adyacentemente, estando una superficie conectada al eje y la otra en la parte estacionaria de la bomba, formando un verdadero sello con muy pequeas perdidas por friccin. En el sello la fuga es despreciable y puede considerarse como no existente. Para lograr un abatimiento entre la presin interna y la presin atmosfrica, fuera de la bomba, se requiere un flujo de lquido entre las caras del sello, el cual puede ser slo una niebla de vapor escapando. As aunque la fuga sea despreciable, tcnicamente hablando, un sello mecnico en rotacin no puede eliminarla completamente. Por supuesto, siempre ocurre desgaste y debe preverse una pequea cantidad de fuga a su tiempo. Hay una gran variedad de diseos de sellos, lo cual es el resultado de muchos mtodos que se usan para proporcionar flexibilidad y para el montaje de estos. Un sello mecnico se asemeja a un cojinete, puesto que involucra un juego en operacin muy cerrado con una pelcula de lquido entre las caras. La lubricacin y el enfriamiento proporcionado por esta pelcula reducen el desgaste, por lo que hace una eleccin adecuada de los materiales de la cara de sellado.

29

3.3.

DESCRIPCIN ESTRUCTURAL. N En general todos los sellos mecnicos tienen tres grupos de componentes bsicos: mecnicos

FIG.3-1.

3.3.1. Sello primario Est formado por dos caras pulimentadas que dificultan las fugas por el contacto de friccin entre ellas. En todos los sellos, una cara (la estacionaria) est sujeta a la carcasa o cubierta y la otra (la rotatoria), est montada en el eje y gira con el mismo. 3.3.2. Sello secundario Tiene la funcin de sellar las trayectorias de fugas tanto en la cara fija y giratoria funcin con sellos hechos generalmente de fluorelstomero. En los sellos de tipo empuje uno fluorelstomero. de los secundarios debe avanzar sobre el eje para compensar el desgaste y la30

vibracin en sus caras. Los sellos sin empujador, como los de fuelle metlico, absorben las vibraciones y disminuyen el desgaste (son estticos). 3.3.3. Componentes y accesorios metlicos En los sellos se utilizan para: Adaptar los sellos en un equipo. Puede ser una camisa o una cubierta para tener una instalacin ms fcil y precisa. Aplicar carga mecnica en la cara de los sellos. Esto se logra con un slo resorte grande o con un grupo de resortes pequeos. Transmitir el par o torsin a las caras fijas o rotatorias del sello. Se obtiene con pasadores; muecas o tornillos integrales con el sello. 3.4. CLASIFICACIN DE LOS SELLOS MECNICOS. Todos los sellos estn disponibles tanto en versiones balanceadas como desbalanceadas. Un sello es desbalanceado cuando el rea expuesta al fluido bombeado, actuando para cerrar las caras del sello, es mayor que el rea de contacto (gradiente de presin) entre las caras. En trminos simples, este tiene una fuerza unitaria cerrante en exceso para la presin actual a ser sellada. Los sellos pueden ser adicionalmente clasificados de varias maneras. Hay cuatro clasificaciones adicionales de sellos mecnicos, que pueden ser descritos por distintas caractersticas. Rotatorio. En este tipo, el resorte o fuelle rota con el eje. Estacionario. El resorte, resortes o fuelle no rotan con el eje, Permanecen estacionarios. No- metlico. No hay partes metlicas en contacto con el fluido bombeado. Todo metlico. Las partes metlicas son usadas exclusivamente donde las temperaturas de aplicacin la requieren Como tambin existe una gran variedad de sellos mecnicos. Pudiendo clasificarse segn lo siguiente:31

Clasificacin por su diseo:

Sellos balanceados y no balanceados. Cabeza rotatoria o asiento rotatorio. Sellos dobles

Clasificacin por su ubicacin:

Montado interiormente. Montado exteriormente.

3.5.

TIPOS DE SELLOS. Hay ventajas definitivas con cada tipo de sello. La seleccin es usualmente basada en la experiencia e historia para cada aplicacin particular.

3.5.1. Sellos internos Cuando un sello es montado en el interior de la cmara de sello de una bomba, este es llamado sello interno. Los sellos internos son generalmente ms difciles de instalar, y la mantencin rutinaria es ms dificultosa sin un desarmado completo de la bomba. Ventajas: 1. El enfriamiento del sello es acomodado por el flujo del producto por el sello a travs de la entrada a la cmara de sello o brida. 2. La accin rotatoria del sello ayuda a mantenerlo limpio. La fuerza centrifuga dificulta a los slidos en suspensin migrar a travs de las caras del sello. 3. Cuando estos sellos filtran, no estn dispuestos para filtrado catastrfico, porque la gran masa de material bloquea la salida del producto desde la cmara de sello. Las fuerzas de balanceo hidrulico ayudan a mantener las caras cerradas. 4. Estn disponibles una gran variedad de materiales y caras disponibles. 5. Pueden ser aplicados controles ambientales a la cmara de sello fcilmente.

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Desventajas: Los componentes metlicos deben ser resistentes a la corrosin del fluido bombeado.

3.5.2. Sellos externos Un sello externo est localizado afuera de la cmara de sello de la bomba, por lo que el elemento rotatorio se localiza fuera de la caja, entonces ninguno de los componentes metlicos est en contacto con el fluido bombeado. La mayora de estos tipos se sujetan al eje con grapas en lugar de tornillos prisioneros que podran daar los ejes revestidos de cermica o vidrio. Ventajas: 1. Fcil instalacin. 2. Puede ser fabricado de materiales resistentes a la corrosin de bajo costo. 3. Apropiado para servicios donde es necesario remover rpidamente el sello para limpieza, donde las cmaras de sello son poco profundas y los sellos internos no pueden ser usados debido a la falta de espacio radial o axial, donde el desgaste de las caras debe ser monitoreado, y donde el acceso para reapretar el sello es difcil o prcticamente imposible. 4. Un sellado para bombas no metlicas. Desventajas: 1. Debido a la falta de disipacin de calor desde debajo de las caras del sello, los sellos externos deben ser usados en aplicaciones con bajas temperaturas, baja velocidad y baja presin. Las presiones deben ser ms bajas que en los sellos internos ya que las presiones estn siendo ejercidas hacia fuera en las partes del sello y no hacia dentro. 2. La accin rotatoria del sello ayuda a que los slidos en suspensin puedan migrar a las caras del sello debido a la fuerza centrifuga, (usar en fluidos limpios).

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3.5.3. Sellos monoresortes Un slo resorte ejerce presin entre las caras del sello. Ventaja: El alambre del resorte es ms grueso, por lo que puede resistir con ms facilidad la corrosin. Desventajas: Presin desuniforme entre las caras del sello. 3.5.4. Sello multirresorte Varios resortes pequeos ejercen presin entre las caras del sello. Ventaja: Presin ms uniforme entre las caras del sello. Desventajas: El alambre del resorte es ms delgado, por lo que es ms fcil que ocurra dao por corrosin. La solucin a esto es seleccionar un sello de diseo tal, que los resortes estn instalados de modo que no toquen el lquido bombeado cuando este es corrosivo. 3.5.5. Sellos rotativos Los resortes o fuelles giran con el eje. Ventaja: Menor costo y auto limpieza, especialmente en los tipos con resortes ubicados fuera del lquido a sellar. Desventaja: Sensible al deslizamiento del eje con el frente de la caja. Esto causa que el sello se mueva hacia delante y hacia atrs dos veces por cada revolucin del eje. La junta y la expansin trmica aumentan el problema de desalineamiento. 3.5.6. Sello estacionario Los resortes o fuelles no giran con el eje. Ventaja: El desalineamiento no es un problema a menos que el sello sea montado en cartucho. Para que un sello de cartucho este bien alineado se requiere que la unidad giratoria este perfectamente alineada con el eje, y esto es difcil, ya que el cartucho tiende a inclinar la cara cuando se aprietan los tornillos prisioneros.34

Desventajas: No es muy recomendable en aplicaciones con lodos, por lo que la fuerza centrfuga no arroja los slidos fuera de los componentes mviles. Lodo es definido como slidos en el lquido. 3.5.7. Sello nico (simple) Tiene un slo juego en caras de sellado. Ventaja: Costo ms bajo y usualmente una instalacin simple. Desventajas: Cuando el sello falla, tiene que detenerse el equipo. En la mayora de los casos las excesivas fugas resultantes no son aceptables. 3.5.8. Sello mltiple (doble) Se instalan ms de un juego de caras en una variedad de configuraciones, incluyendo: Espalda con espalda (Fig.3-2a) Tndem (Fig.3-2b) Cara con cara (Fig.3-2c)

Ventaja: Proteccin de reserva que prcticamente evita las fallas imprevistas del sello. Este arreglo se utiliza en bombas que manejan lquidos txicos altamente inflamables, que no pueden permitir escapes a la atmsfera. Desventajas Mayor costo, y en algunos casos, restricciones de espacio.

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Fig.3.2. 3.5.9. Sello tndem El arreglo de sello tndem es l ms seguro de todas las combinaciones de sellos dobles. En efecto, esto es realizado con dos sellos internos. En este arreglo un fluido barrera limpio y separado es sellado por el sello externo y el lquido de proceso es sellado por el sello interno. Esto elimina una de las mayores desventajas de los arreglos de sellos convencionales dobles, tener el lquido de proceso en el lado inferior del sello primario. El fluido barrera puede ser mantenido a una presin ligeramente mayor que la del lquido de proceso, para ayudar a prevenir la filtracin del fluido bombeado en el fluido barrera a mayor presin. En este caso, el sello interno estacionario requerir retencin en ambas direcciones axiales. 3.5.10. Sellos desbalanceados Las caras del sello estn afectadas en una mayor superficie a las presiones del sistema hidrulico y sobre presiones momentneas, adems la presin de los resortes.

Ventaja: costo ms bajo. Desventajas: uso limitado.36

La presin dentro de la bomba justamente adelante del sello mecnico tiende a mantener juntas las caras del sello interno. En el esquema ms simple (Fig.3-3), la presin interna de la caja acta sobre toda el rea posterior, resultando una mayor fuerza para juntar las caras. Si el lquido que se maneja es un buen lubricante y las presiones no son altas esta carga no resultara tan perjudicial. El diseo se conoce como sello no balanceado. En la (Fig.3-4), se da una descripcin grfica de las relaciones de fuerza y rea de este sello. Si: P = presin del lquido en la caja P= presin media a travs de las caras del sello (la cual tiende a abrirlas y que es aproximadamente P/2).

Fuerza de cierre (Fc) = (P) * (rea A)+ carga de resorte. Fuerza de apertura (FA) = (P)* (rea B).

Fig. 3-3. Esquema sello desbalanceado.

Fig. 3-4.relacin de fuerzas.

Como P' = P/2 y rea A = rea B; y sin considerar la carga del resorte se tiene que: FA = 2 * FB.

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En el siguiente ejemplo se describe un sello rotativo no balanceado tpico con una presin en la caja de 10 Kg /cm2 y un rea de cara de 6cm2 (Fig. 3-5).

Fig. 3-5, Fuerzas de un sello desbalanceado. La presin en el dimetro externo de las caras del sello es de 10kg/cm2 y en el dimetro interior es atmosfrica o 1kg/cm2 manomtrica. Si suponemos una cada lineal de presin, la presin promedio a travs de las caras ser de 5 kg/cm2, luego la fuerza tendiente a abrir las caras (FA) ser: FA = 5 kg/cm2*6cm2 = 30 Kg. (la cara B no puede moverse ya que es fija) Los 10 kg/cm2 de presin tambin actan en la parte posterior de la cara "A" tendiendo a cerrar las caras y debido a que no hay cada de presin en la parte posterior; por lo que la fuerza que tiende a cerrar las caras (Fc) ser: Fc = 10 kg/cm2 *6cm2 = 60kg + fuerza de resorte. Debido a que la presin interna de la caja acta sobre la cara posterior del sello tendiendo a juntar sus caras, la fuerza de cierre resulta ser el doble que la de apertura. Ahora, si el rea de la cara de contacto es reducida a la mitad (una condicin comn), la fuerza de cierre ahora ser cuatro veces la fuerza de apertura. Esta mayor fuerza de cierre puede causar calor excesivo de las caras pulidas y por lo tanto, se tendr que establecer lmites operacionales para este sello. Los factores que contribuiran a esto lmites seran:

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Velocidad: cuanto ms rpido gira el eje ms calor es generado. Viscosidad de fluido: algunos pueden soportar cargas mayores. Temperatura: puede afectar la viscosidad. Tamao del eje: la fuerza aumenta con el rea. Presin: la fuerza aumenta con la presin. Materiales de las caras: algunos materiales son mejores conductores de calor que otros. 3.5.11. Sellos balanceados Este modelo permite que slo parte de la cara posterior del sello reciba la presin del sistema hidrulico. Ventaja: amplia variedad de condiciones operativas, desde el vaco hasta la alta presin, as como sobre presin momentnea en el sistema. Menos calor generado entre las caras. Desventaja: el modelo interno (el de mayor uso) requiere ms espacio radial debido a la necesidad del manguito de balanceado. Este tambin aumenta el costo inicial. En los sellos de cartucho sera absurdo fabricar un tipo desbalanceado ya que el manguito siempre est presente. En la Fig.3-6, se muestra como la fuerza de cierre puede disminuirse por la reduccin del rea de cierre (fuerza = presin * rea). La forma ms fcil de lograr esto es instalando una camisa escalonada sobre el eje. Ahora solamente una parte del rea de la cara del sello est expuesta a la presin de cierre.

Sello parcialmente Balanceado

Sello completamente Balanceado

Fig. 3-6. Sellos balanceados.39

La Fig. 3-7, muestra el diagrama de fuerzas para la cara rotativa (A). La lnea punteada muestra la fuerza real medida en condiciones de laboratorio. Como se puede ver, las fuerzas de apertura (FA) pueden variar debido a que la cada de presin no es lineal en todos los casos.

Fig. 3-7. Cada de presin en las caras del sello. Si el sello estuviera perfectamente equilibrado con 50% de la cara soportando la presin de cierre, podra ser peligroso de abrirse las caras, si la fuerza de apertura va aumentando debido a la cada de presin no lineal. Fig. 3-8

Fig. 3-8. Sello balanceado con 50% de la cara expuesta a la presin de cierre. Por esta razn la mayora de los sellos balanceados se construyen con un ligero sobre balanceado de aproximadamente un 70% del rea de la cara del sello soportando la presin de cierre como se muestra en la Fig. 3-9. Adems, para evitar una apertura de las caras del sello recordemos que a la fuerza de cierre por accin de la presin se debe adicionar la fuerza del resorte.

Fig. 3-9. Sello balanceado con 70% de la cara expuesta a la presin de cierre.

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3.5.12. Sello de tipo elastmero Utilizan un aro trico (O-Ring), cua, copa en forma de U o V. el tipo de O-Ring es el ms ventajoso. Ventaja: el elastmero acta como amortiguador natural de vibracin, evitando

la astilladura y separacin de las caras. Para vaco slo puede usarse el tipo con aro trico. El O-Ring est disponible en una amplia variedad de materiales y es el elastmero de mayor precisin que se puede encontrar. Desventaja: todos los elastmeros tienen lmites de temperatura inferior y

superior. 3.5.13. Sello de fuelle metlico Los ms comunes son aquellos para altas temperaturas, en los cuales todos los elastmeros son eliminados (Fg.3-10). Ventaja: mayor lmite de temperatura de sellado. Excelentes para sellados

criognico y la mayora de los fluidos calientes, con excepcin de derivados de petrleo, ya que estos deben ser enfriados para evitar que se "coquifiquen". Desventaja: mayor costo que los elastmeros para sellado similar. Problema con

vibracin, a menos que se hayan instalado amortiguadores. Todos los metales de baja expansin usados en estos modelos no estn considerados como resistentes a la corrosin El acero inoxidable 316 no es aceptable debido a problemas de tensiones por el problema de cloruro,

Fig. 3-10. Sello de fuelle metlico.41

3.5.14. Sello en cartucho El sello est montado en un manguito que asegura al eje desde fuera de la cmara de sello. Ventaja: un mtodo fcil de instalacin de sello y una caracterstica necesaria para ajustes del rodete (impulsor). Desventajas: mayor espacio requerido y costo inicial ms alto.

3.5.15. Sello sin cartucho El sello se fija directamente al eje o camisa de la bomba, o en algunos casos, contra un resalto del eje. Ventaja: costo ms bajo. Desventaja: sujeto a los errores que pueden cometerse en la instalacin. Mayor

tiempo para la instalacin y el sello no tiene la capacidad de compensacin trmica o ajustes del rodete (impulsor). 3.5.16. Sello partido Todos los componentes del sello estn partidos por la mitad, de forma que el sello pueda ser instalado sin tener que desarmar el equipo. Los componentes de caucho no pueden estar pegados ya que crearan un "punto duro", interfiriendo con el libre movimiento del elastmero dinmico, por lo que deben unirse mecnicamente. Ventaja: no se necesita desarmar ningn equipo rotativo, a menos que sea

absolutamente necesario para alguna otra razn de mantenimiento. Desventaja: los modelos actuales no pueden ser usados en aplicaciones con

ciclos presin / vaco. El sello puede ser instalado para sellar cualquiera de los dos pero no para ambos. Las bombas de condensado pueden ser selladas si se conecta una lnea desde la carga de la bomba hasta la conexin de la brida del sello. 3.5.17. Sello slido El equipo tiene que ser desarmado para instalar el sello. Ventaja: puede usarse en aplicaciones alternativas de presin / vaco y tiene una

variedad amplia de materiales disponibles. Desventaja: debe desarmarse la bomba y ser realineada.

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3.6.

DISEOS DE SELLOS MECANICOS Los diseos bsicos de sellos tienen variaciones que desarrollan sellos para aplicaciones especficas. Cada diseo de sello tiene sus propias fortalezas y debilidades.

3.6.1. Sello de cartucho El sello de cartucho no cambia ninguno de los componentes funcionales de las clasificaciones bsicas del sello. En un sello de cartucho, todos los tems estn contenidos en un conjunto y slo se requiere apretar los pernos de la brida, conexiones de purga y tornillos prisioneros. La necesidad de marcar lneas y realizar mediciones crticas es usualmente eliminada. Los sellos de cartuchos estn disponibles en cada uno de los tipos y clasificaciones. El factor limitante en el diseo de un sello de cartucho es el espacio disponible en el rea de la cmara de sello de la bomba por que pueden requerir mayor espacio axial de profundidad y seccin radial. Fig.3-11.

Fig. 3-11. Sello de cartucho.

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3.6.2. Sello de copa "U" El sello secundario o de copa "U" puede ser fabricado de PTFE, elastmero o composite. El gran resorte simple no conduce la rotatoria pero extiende el sello secundario y mantiene la carga en la cara durante la operacin y paradas o detenciones de la bomba. Este sello es un diseo balanceado de servicio pesado que normalmente requiere mayor espacio radial y axial que un sello balanceado convencional multiresorte.

Fig. 3-12. Sello de copa "U". 3.6.3. Sellos V-Ring. El sello V-Ring (anillo V) es un mecanismo de sello que requiere carga constante del V-Ring, para sellar. Si el sello es del tipo que trabaja tanto externo como interno, entonces el V-Ring debe voltearse de modo que selle el fluido. Para reducir el estancamiento de los tipos multiresortes, este diseo es medianamente abierto y permite la circulacin del fluido para limpiar los resortes cuando el sello rote.

Fig. 3-13. Sello V Ring.

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3.6.4. Sello O-Ring. Este particular sello tiene un O-Ring dinmico como sello secundario y un O-Ring (Anillo-O) esttico como sello al eje. Los resortes en este diseo estn aislados del lquido bombeado por los sellos O-Ring y no puede llegar a atascarse a menos que ocurra filtracin a travs de las caras del sello. Este tipo de sello es totalmente balanceado dentro de l con sus propios componentes

Fig. 3-14. Sello "O" Ring. 3.6.5. Sellos de cua. Este sello es mostrado usando una cua deslizante de PTFE, que est acompaada con una cara de carbn. No contiene tolerancias cerradas de fijacin. Este sello est diseado para uso interior, pero puede ser usado exteriormente a bajas presiones.

Fig. 3-15. Sello de cua.

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3.6.6. Sello tipo bota. Este sello es mostrado usando un gran resorte simple, que mantiene el contacto de cara pero la conduccin (el giro de la unidad con el eje) es proporcionada por la bota de elastmero o goma. Se deber ser cuidadoso cuando se instale el sello, por que el elastmero puede apretarse al eje si el sello es para conducir (rota con el eje).

Fig. 3-16. Sello tipo bota. 3.6.7. Sellos de fuelle. Los diseos de fuelle de metal soldado constan de una serie de golillas delgadas que son soldadas juntas en sus dimetros interiores y exteriores. Cada set de placas soldadas tiene una cantidad fija de movimiento axial (a lo largo del eje). A mayor cantidad de placas soldadas que son anilladas al sello, mayor es la habilidad del sello para moverse y ajustarse por desgaste de la cara. Las placas soldadas son usualmente hechas de material resistente a la corrosin, tal como, Hastelloy o acero inoxidable serie 300 (segn fabricante).

Fig. 3-17. Sello de fuelle

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3.7.

SELECCIN DE LOS MATERIALES DEL SELLO. Una vez que se ha escogido el tipo correcto de sello, debemos escoger los materiales del sello que sean qumicamente compatibles con el fluido a sellarse y con cualquier otro solvente o limpiador que pueda encontrarse en el equipo o en las tuberas.

3.7.1. Seleccione el metal correcto. 1. Los componentes metlicos (caja, tornillos prisioneros, aros de resorte, etc) deben ser del mismo material y calidad que los de la bomba o equipo. 2. El acero inoxidable 316 generalmente puede especificarse s cualquier calidad de acero inoxidable es aceptable. 3. El inoxidable 316 es aceptable en la mayora de los equipos en los que sus piezas que se mojan se fabrican de hierro, acero o bronce. Si existe alguna duda respecto a su aceptacin, verifique con su departamento de ingeniera. Precaucin: nunca use resortes o fuelles de acero inoxidable debido a la posibilidad de producirse corrosin en tensin, por presencia de cloruros. El Hastelloy C es el mejor material para los resortes y fuelles. (Segn fabricante). 3.7.2. Caras de contacto Muchas son las variables a considerar para la seleccin de las caras de contacto en un sello mecnico. Las caractersticas ms significativas a considerar son: Dureza. Resistencia qumica (Compatibilidad con el producto a sellar). Coeficiente de roce y auto lubricacin. Resistencia a la temperatura. Resistencia a choques trmicos y choques mecnicos. Transferencia de calor y costo.

Los materiales para cara de contacto ms utilizados son: Carbono: es usado como "cara blanda". Es recomendado 80% carbono, 20%

grafito

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Cermica: (alumina u oxido de aluminio: AL2 O). Es usada como "Cara dura".

Se utilizan dos tipos diferentes en la concentracin de alumina: 99.5% alumina, 0.5% aglomerante. 99.7% alumina, 0.3% aglomerante. Carburo de tungsteno: es usada como "Cara dura". Tanto el aglomerante de

cobalto como el de Nquel son aceptables, excepto en el caso de materiales revestidos o recubiertos, donde slo debe usarse el aglomerante de Nquel. Carburo de Silicio: es usado como "Cara dura". Segn el proceso de fabricacin

se utilizan dos tipos: el sinterizado y en liga a reaccin. Este debido a su menor costo, es un sustituto aceptable del carburo de tungsteno. La combinacin de caras utilizadas en la mayora de las aplicaciones es carbono v/s cermica, es decir una "Cara blanda" v/s "Cara dura", debido a la buena resistencia qumica y capacidad para trabajar a altas temperaturas de ambos materiales. Tambin se utilizan combinacin de "cara dura" v/s "cara dura" especialmente en productos qumicos oxidantes fuertes (ya que estos afectan al carbono), o cuando el producto a sellar tiene tendencia a pegar las caras pulidas del sello. Importante en estos casos la generacin de calor entre las caras y el mejor arreglo para ellos es carburo de silicio v/s carburo de silicio. 3.7.3. Elastmeros y juntas de brida Los elastmeros, generalmente un sello anular (O-Ring), o una cua u otra configuracin, a pesar de ser sellos secundarios, son las piezas ms sensibles al ataque qumico, a la temperatura y a la extrusin, por lo cual pueden indicar el xito o fracaso de un sello mecnico.

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Los materiales utilizados para O-Ring en sellos mecnicos y sus lmites de temperaturas son: Viton (fluorocarbono) Etileno propileno Kalrez Chemraz (perfluoro) Buna N. (butaideno acrilo nitrito) Buna S. (butaideno estireno) Neopreno (cloropeno) -30 C -55 C -30 C -30 C -55 C -59 C -43 C A A A A A A A 205 C 150 C 260 C 215 C 110 C 120C 149 C

Para la seleccin considerando sus resistencias qumicas, se debe recurrir a las tablas de compatibilidad, dada por los fabricantes de estos productos.

3.8.

COMO OBTENER UNA BUENA DURACIN DEL SELLO. Para obtener la mayor vida til de los sellos mecnicos, seguimos la filosofa de que s una pieza de equipo est funcionando adecuadamente la dejamos tranquila y no la reparamos hasta que falle. Cmo saber si se est consiguiendo una duracin satisfactoria? En realidad es bien simple, el sello mecnico tiene una sola pieza que se desgasta o sacrifica la cara del sello.

Fig. 3-18. Este es un sello mecnico tpico

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Un sello mecnico, que ha estado funcionando adecuadamente, tendr el aspecto que se muestra en la siguiente figura, cuando haya sido sacado del equipo.

Fig. 3-19. Al realizar una inspeccin de los sellos que hayan sido retirado de los equipos, se puede comprobar que ms del 85% de ellos tienen mucho carbn restante, que significa esto, que ms del 85% de los sellos fallan prematuramente. La solucin a este problema, para obtener una mxima vida til del sello es:

Conocer los diferentes tipos de sellos y saber escoger el tipo correcto para su aplicacin y uso. Saber instalar correctamente los sellos. Saber los productos del sello y cmo los productos qumicos alteran su estado. Conocer los diferentes tipos de sistemas de respaldo para evitar una falla de sello inesperada.

Si estos conocimientos y tcnicas se aplican al 100%, en todas sus aplicaciones de sellado, se podr esperar alcanzar el desgaste total del 85% de los sellos. Los otros 15% sern un problema, no importa lo que se haga.

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3.9.

SELECCIN DE LOS SELLOS MECNICOS, Muchas son las variables a considerar a la hora de realizar la seleccin de un sello mecnico. Entre ellas se encuentran caractersticas de diseo del sello, condiciones de operacin tales como velocidad tangencial, medida en las caras del sello, presin en la caja prensa estopa, temperatura del medio a sellar, caractersticas del equipo como el dimetro del eje, etc. Respecto del diseo hay que considerar que el sello tenga las caractersticas para soportar los factores desfavorables y caractersticos de anti-atascamiento. Por ejemplo, hay que establecer si el elastmero es un sello anular, una cua u otra configuracin. En general, los sellos anulares se pueden flexionar unas cuantas milsimas de pulgadas y son mejores que otras configuraciones de elastmero que no permiten tanto movimiento. Se debe tener en cuenta que los resortes mltiples pequeos producen una presin ms uniforme entre las caras que un slo resorte grande; sin embargo, como el alambre de este ltimo es ms grueso, puede resistir con ms facilidad la corrosin, partculas y sustancias gomosas. La resistencia a esos factores y caractersticas de anti-atascamiento se puede lograr con sellos de resortes mltiples que estn instalados de modo que no toquen el lquido bombeado, con elastmero y parte mvil del sello que puedan moverse hacia una superficie limpia, a medida que las caras del sello se desgastan; y con un diseo en que la fuerza centrfuga arroje los slidos fuera de las caras pulidas del sello. Aunque se crea que el lquido bombeado este limpio, una contaminacin inesperada puede ocasionar la prdida momentnea del contacto entre las caras del sello y ocurrir una fuga. El calor generado en las caras del sello puede producir la falla del elastmero o cambiar la condicin del lquido bombeado en la zona del sello, lo que aumentar la corrosin o producir cristalizacin. Por tanto, al evaluar cualquier tipo d sello mecnico se debe tener en cuenta la proximidad del elastmero con las caras del sello y verificar el flujo recomendado del lquido en el prensaestopas. El calor generado por el sello mecnico est en funcin de la presin de cierre contra sus caras.

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Por ejemplo: Los sellos mecnicos equilibrados hacen que esa presin sea mnima y compense cuando cambia la presin hidrulica; por ello, este sello requiere poco o ningn lquido para lavado y enfriamiento. Adems el sello equilibrado tiene la propiedad de ser ms resistente si se cierra en forma brusca el tubo de descarga de la bomba, requiere menos energa que el desequilibrado, compensa el golpe de ariete y se puede utilizar el mismo tipo de sello en bombas distintas para diferentes presiones. Adems, hay que comprobar la compatibilidad del lquido para estopero con los materiales de construccin de los resortes, el elastomero, el componente rotatorio y el fijo. Si no se tienen en cuenta esos factores y ocurre prdida momentnea de contacto entre las caras del sello, ste, se daar y ocurrirn fugas. Ciertas condiciones de operacin o caractersticas del equipo determinan ciertos tipos o caractersticas especficas del sello a utilizar. (Los valores dados a continuacin deben considerarse slo como una gua aproximada de seleccin, ya que cada fabricante especifica sus diseos para determinadas condiciones de operacin). Es as como para: Velocidad: Velocidad < Velocidad > Dimetro < Dimetro > 4000 Rpm: Usar sello rotatorio. 4000 Rpm: Usar sello estacionario. 115 mm: Usar sello rotatorio 115 mm: Usar sello estacionario

Dimetro del Eje:

Presin (en la Caja): Desde 0,133 kPa (1 mm Hg) al vaco a 2.800 k Pa (28 Bar): Usar sello balanceado. Para presiones mayores usar diseo para trabajo pesado con anillos de soporte para prevenir la extrusin del elastomero ms gruesos para prevenir la distorsin de la cara, menor presin de resorte y un radio de balance diferente.

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Temperatura: (Del medio a sellar). Si est dentro de los lmites de temperatura de los anillos-O: usar sellos con Anillo-O. Si est fuera de los lmites del Anillo-O, usar sellos de fuelle metlico (sin elastmero). SELECCIN DEL TIPO DE SELLO PARA BOMBAS CENTRIFUGAS (VALORES APROXIMADOS PARA EL COMN DE LOS SELLOS)TIPO DE SELLO ROTATORIO, CON ANILLO "0" BALANCEADO, ROTATORIO, CON ANILLO O" BALANCEADO ROTATORIO DE FUELLE METLICO. ESTACIONARIO CON ANILLO O BALANCEADO. EJE (mm) RPM PRESIN CAJA (ABSOLUTA) T FLUIDO

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