historia del sellado

8/19/2019 Historia Del Sellado

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

APLICACIÓN DE SELLOS MECÁNICOS “SECOS” ENBOMBAS CENTRIFUGAS DE PROCESO

ALBERTO PÉREZ TAYLOR PONCE DE LEÓN

DIRECTOR DE TESIS: M. en C. JOSÉ RUBÉN AGUILAR SÁNCHEZ

AGOSTO 2010


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DEDICATORIA.

El presente proyecto esta dedicado, al esfuerzo, compromiso,dedicación, constancia, motivación, paciencia y perseveranciade mis seres amados y queridos, Víctor, Carolina, Elena, Lía,Mali, finalmente y especialmente a mi muy querida y amadaCarolina.

Gracias.

Alberto Pérez Taylor Ponce De León.

Agosto 2010


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INDICE GENERAL.

OBJETIVO. 7JUSTIFICACIÒN. 7

ALCANCE.7

INTRODUCCIÓN. 8

Capítulo 1: GENERALIDADES. 9

1.1 Tecnologías De Sellado. 91.2 Comparación Empaquetadura Y Sello Mecánico. 121.3 Elementos De Sellado Primario. 161.4 Elementos De Sellado Secundario. 181.5 Mecanismos De Carga Y Arrastre. 211.6 Herraje Auxiliar. 23

Capítulo 2: PROBLEMÁTICA EN EL MANEJO DEHIDROCARBUROS LIGEROS.

25

2.1 La Industria Del Petróleo. 252.2 Características Del Sellado. 272.3 Propiedades De Los Hidrocarburos Ligeros. 272.4 Condiciones De Sellado En Servicios De HidrocarburosLigeros.

29

2.5 Modo De Falla De Sello Mecánico En HidrocarburosLigeros.

32

Capítulo 3: SOLUCION DE SELLADO MECANICOEN HIDROCARBUROS LIGEROS.

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3.1 Condiciones Que Se Deben Cumplir En El Sellado DeHidrocarburos Ligeros Vaporizantes.

33

3.2 Arreglos De Sellos Mecánicos, API. 343.2.1. Existen Tres Tipos Principales De Sello Mecánico (4.1.3, API 3ª). 34

3.2.2. Tres Tipos De Arreglo (4.1.4, API 3ª). 353.2.3 Orientación De Los Sellos (4.1.5, API 3ª). 363.3 Arreglos De Sellos Mecánicos En Aplicaciones DeHidrocarburos Ligeros Vaporizantes (ETILENO).

36

3.3.1 Sello Mecánico Sencillo. 373.3.2 Sello Mecánico Tandem. 383.3.3 Sello Mecánico Doble. 393.4 Fluidos Amortiguadores Y Barrera. 41


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3.5 Estándares API. 423.6 Sellos Mecánicos Lubricados Por Gas. 433.6.1 Gas Como Fluido Barrera. 453.6.2 Separación Entre Caras En Sellos Lubricados Por Gas. 463.6.3 Promedios De Emisión Y Consumos De Gas Barrera Aceptables. 47

3.6.4 Características De Operación. 483.6.5 Problemas Potenciales. 483.6.6 Velocidades De Rotación. 493.6.7 Sentido De Rotación. 503.6.8 Sólidos En El Fluido Proceso. 503.6.9 Fuerza De Los Resortes. 513.6.10 Soluciones En El Diseño. 523.7 Selección De Sellos Mecánicos. 533.7.1 Identificación del tipo de servicio. 533.7.2 Categoría Y Tipo De Sello Mecánico. 543.7.3 Arreglo Y Configuración Del Sello Mecánico, Tipo De Planes De

Ambientación (Planes API).

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3.7.4 Selección De Fluido Barrera / Amortiguador. 703.7.5 Selección De Materiales. 713.7.6 Características Especiales. 743.7.7 Confirmación del sello seleccionado con la oferta en el mercado. 793.8 Selección Y Aplicación De Sello Mecánico Seco, EnHidrocarburo Ligero (Etileno).

81

3.8.1 Identificación Del Tipo De Servicio. 813.8.2 Categoría Y Tipo De Sello Mecánico. 813.8.3 Arreglo Y Configuración Del Sello Mecánico, Tipo De Planes DeAmbientación (Planes API).

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3.8.4 Selección De Fluido Barrera / Amortiguador. 823.8.5 Selección De Materiales. 823.8.6 Características Especiales. 833.8.7 Sello Mecánico Seleccionado. 843.9 Sellos Mecánicos Secos Para Bombas De Proceso EnAplicaciones De Hidrocarburos Ligeros.

85

Capitulo 4. ESTUDIO ECONÓMICO. 89

4.1 Antecedentes. 894.2 Optimización De Los Sistemas De Sellado. 89

4.3 Que Es El “Costo Del Ciclo De Vida” 904.4. Modelo Matemático. 914.5 Costos Inversión Inicial. 924.6 Simulador Costos Del Ciclo De Vida. 944.7 Costo Del Ciclo De Vida. 954.7.1.1. Selección Del Tipo De Sello/Empaquetadura Y Planes. 954.7.1.2. Suposiciones Financieras. 964.7.1.3 Información Del Equipo. 96


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4.7.1.4. Costos De Operación. 974.7.1.5. Información De Sello Mecánico. 984.7.1.6. Información De Empaquetaduras. 984.7.1.7. Información De Equipo Sin Sistema De Sellado. 994.7.1.8. Información Del Sistema De Soporte Al Sello Mecánico. 1004.7.2.1. Cálculos Del Costo De Operación Anual.

1014.7.2.2. Costos Puntuales. 1024.7.2.3. Cálculos De Valor Actual. 1024.7.2.4. Costo De Ciclo De Vida Estimado. 103

Capitulo 5. CONCLUSIONES Y TRABAJO AFUTURO.

104

5.1 Conclusiones. 1045.2 Trabajo A Futuro. 109

GLOSARIO. 110

NOMENCLATURA. 116

BIBLIOGRAFIA 117

INDICE DE FIGURASFigura 1. Problema Fundamental De Sellado. 10Figura 2. Empaquetadura. 11Figura 3. Sellado Básico. 13

Figura 4. Inconveniente Del Sellado Básico. 14Figura 5. Sello Mejorado. 15Figura 6. Sello Mecánico. 16Figura 7. Tipos De Asientos. 17Figura 8. Elementos De Sellado Secundario. 18Figura 9. Empuje vs. No Empuje. 19Figura 10. Sellos Secundarios. 20Figura 11. Mecanismos De Arrastre. 22Figura 12. Sello Cartucho. 24Figura 13. Contacto Cónico. 30Figura 14. Distorsión Térmica. 30

Figura 15. Desgaste Pronunciado. 30Figura 16. Deformación en una sección. 31Figura 17. Deformación En Varias Secciones. 31Figura 18. Alto Desgaste. 32Figura 19. Sello Tipo A. 34Figura 20. Sello Tipo B. 35Figura 21. Sello Tipo C. 35Figura 22. Sello Mecánico Sencillo Con Lavado A Sello Plan API 11. 38


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Figura 23. Sello Mecánico Tandem Con Lavado A Sello Plan API 11, 52. 39Figura 24. Sello mecánico doble con lavado a sello plan API 53. 40Figura 25. Sello Mecánico Lubricado Por Gas. 44Figura 26. Panel de control. 45Figura 27. Patrones De Cara. 46Figura 28. Separación De Caras.

47Figura 29. Migración De Sólidos A Separación De Caras. 51Figura 30. Fuerza De Cierre Vs. Fuerza De Apertura. 52Figura 31. Preselección Del Tipo De Sello. 54Figura 32. Resistencia Térmica De Los Elastómeros. 73Figura 33. Rango de Toxicidad. 77Figura 34. Sello Flowserve GF-200. 85Figura 35. Sello John Crane 2874. 87

INDICE DE TABLASTabla 1. Composición Típica Del Petróleo Crudo. 25

Tabla 2. Principales Características De Los Hidrocarburos Ligeros. 28Tabla 3. Distribución De Arreglo De Sello Mecánico En Bombas De Etileno. 37Tabla 4. Fluidos Amortiguador/Barrera. 42Tabla 5. Datos De Servicio. 53Tabla 6. Resistencia Química De Los Elastómeros. 74Tabla 7. Resistencia química de caras. 74Tabla 8. Grado De Toxicidad. 76Tabla 9. Planes API. 78Tabla 10. Planes API Por Toxicidad. 79Tabla 11. Datos De Servicio De Estudio. 81Tabla 12. Costo Inversión Inicial. 94

Tabla 13. Selección Del Tipo De Sello/Empaquetadura Y Planes. 96Tabla 14. Suposiciones Financieras. 96Tabla 15. Información del equipo. 97Tabla 16. Costos De Operación. 97Tabla 17. Información De Sello Mecánico. 98Tabla 18. Tiempo De Vida / Tipo De Sello. 98Tabla 19. Información De Empaquetaduras. 99Tabla 20. Información De Equipo Sin Sistema De Sellado. 100Tabla 21. Información Del Sistema De Soporte Al Sello Mecánico. 100Tabla 22. Cálculos Del Costo De Operación Anual. 102Tabla 23. Costos Puntuales. 102Tabla 24. Cálculos De Valor Actual.

103Tabla 25. Costo De Ciclo De Vida Estimado. 103

INDICE DE GRAFICASGrafica 1. Gravedad Específica Vs. Temperatura. 28Grafica 2. Presión De Vapor Vs. Temperatura. 29


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INDICE DE ANEXOSAnexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, “PROCEDIMIENTO RECOMENDADOPARA SELECCIÓN DE SELLOS”

55

Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Categoría. 55Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Tipo. 56

Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Arreglo. 57Anexo A API 682 3ª; Hoja 3 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado EnEl Servicio. NO-HIDROACRBUROS.

59

Anexo A API 682 3ª; Hoja 4 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado EnEl Servicio. HIDROACRBUROS NO VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 5 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado EnEl Servicio. HIDROACRBUROS VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 6 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan DeAmbientación API.

62

Anexo A API 682 3ª; Hoja 7 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan DeAmbientación API. NO HIDROCARBUROS.

64

Anexo A API 682 3ª; Hoja 8 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan De

Ambientación API. HIDROCARBUROS NO VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 9 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan DeAmbientación API. HIDROCARBUROS VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 10 de 10. Selección De Fluido Barrera /Amortiguador.

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Anexo C API 682 3ª; “Hojas de datos de sellos mecánicos” 53Anexo 1, Simulador ““Costos Del Ciclo De Vida” Caso De Estudio. i


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OBJETIVO.

TENER LA METODOLOGÍA ESPECIFICA PARA LA PROBLEMÁTICAEXISTENTE, EN LA INDUSTRIA PETROLERA PARA EL MANEJO YUSO DE HIDROCARBUROS LIGEROS, ASI COMO EL SELLADO DELOS MISMOS PARA EVITAR DAÑOS AL FACTOR HUMANO Y MEDIOAMBIENTE.

JUSTIFICACIÓN.

EL MANEJO DE HIDROCARBUROS LIGEROS COMO SON ELMETANO, PROPANO Y ETILENO, A TRAVES DE BOMBASCENTRIFUGAS EN LA INDUSTRIA PETROLERA, HACENNECESARIOS, LA IMPLEMENTACION Y DESARROLLO DESISTEMAS DE SEGURIDAD PERSONAL Y PROTECCION AL MEDIOAMBIENTE, LO CUAL DESARROLLA TECNOLOGIAS RECIENTESQUE MUESTREN EFICIENCIA Y CONFIABILIDAD EN EL SELLADO.

ALCANCE.

LO DESCRITO ES UN DESARROLLO METODOLOGICO, PARA LAAPLICACIÓN Y USO DE SELLOS “SECOS” DE DIAMETRO NOMINALDE EJE DE 1.500”, EN TURBOMAQUINAS QUE MANEJANHIDROCARBUROS, EN LA INDUSTRIA PETROLERAPREFERENTEMENTE, PROTEGIENDO AL PERSONAL OPERATIVO YMEDIO AMBIENTE.


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INTRODUCCIÓN

Historia del sellado.

Los productos iniciales de sellado en el mercado fueron las empaquetaduras y juntas planas, las cuales se siguen usando hoy en día.El primer sello mecánico automotriz, fue inventado en 1939, y para principios de1940 se desarrollo y patento el primer sello mecánico de fuelle elastomerico,estos sellos revolucionaron la tecnología de sellado y siguen siendo uno de losmás usados en la industria del sellado.

En 1980 se desarrollo un parte aguas en la tecnología de sellado, lo sellos deno contacto lubricados por gas, diseñados para compresores centrífugos. Estaintroducción revoluciono los compresores de las estaciones de bombeo a travésde ductos de todo el mundo.

En 1990 se aplico la tecnología de sellos de no contacto a bombas de procesoque manejan líquidos peligrosos para el ambiente. Aplicando esta tecnología abombas estándar ANSI o API, los usuarios fácilmente pueden cumplir y excederlas regulaciones EPA para emisiones peligrosas. Esta tecnología es aplicadaexitosamente en aplicaciones donde la operación esta cerca del punto deebullición del producto a sellar. Servicios como el nitrógeno liquido, argon yoxigeno encontrados en pipas de almacenamiento y transporte, son selladoscon sellos mecánicos de fuelle metálico con tecnología de no contacto.Hidrocarburos vaporizantes, también son sellados con esta tecnología. Lasaplicaciones diseñadas para manejar las condiciones de los agitadores y

mezcladores son significantes ya que la lubricación es eliminada y la altapureza del producto en el recipiente es preservada.

Los sellos de fuelle metálico proveen servicio a condiciones de operación detemperaturas bajas o criogénicas y a temperaturas muy altas.

La tesis presente trata en el Capítulo 1, las generalidades ò estado del arte delsellado en equipos de proceso, aplicado en bombas centrifugas; el Capitulo 2,la problemática en el manejo de hidrocarburos ligeros; el Capitulo 3, la soluciónde sellado mecánico en hidrocarburos ligeros; el Capitulo 4, estudio económicoy finalmente las Conclusiones y el trabajo futuro a realizar sobre esta temática.


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Capítulo 1: GENERALIDADES.

1.1 Tecnologías De Sellado.

Tecnologías de sellado emergentes proveen opciones claras en el sellado.Diferentes servicios en plantas requieren la aplicación de estas nuevastecnologías para controlar emisiones, seguridad, y confiabilidad. Los sistemasde sellado están disponibles, basados en el método de lubricación a usar. Lostipos de sellado son:

Sellos De Contacto Lubricados Por Líquido.• En arreglo sencillo normalmente enfriados y lubricados por el líquido a

sellar.• En arreglo dual conteniendo liquido barrera-presionado o amortiguador-

sin presionar. Este arreglo es usado en aplicaciones donde el líquido a

sellar no es buen lubricante, y para contención de emisiones. Estosarreglos requieren de un sistema auxiliar para la circulación del líquidobarrera o amortiguador.

Sellos De No-Contacto Lubricados Por Gas.• En arreglo dual de no contacto lubricados y presurizados por gas, por un

gas inerte como el nitrógeno.• En arreglo dual lubricados por gas sin presurizar, donde a el liquido a

sellar se le permite vaporizar entre las caras del sello. Este arreglo esusado en líquidos que representan un peligro para las plantas.

• En arreglo sencillo de no contacto, pueden usarse en fluidos

vaporizantes que no son dañinos en planta.

Cada uno de estas soluciones han sido usadas en aplicaciones difíciles paraaumentar el “tiempo medio entre mantenimiento” (MTBM), resultando enreducciones significantes en el costo de la operación y el mantenimiento de losequipos.

Conceptos De Sellos De Contacto Lubricados Por Líquido.

Empaquetaduras.La historia de los sellos mecánicos es relativamente corta en comparación de

otros dispositivos de sellado mecánico. Las primeras patentes de sellosaparecieron a principios de 1900. Antes de la invención de los sellosmecánicos, la empaquetadura fue usada por miles de años para sellar ejesrotantes a bajas velocidades.La palabra “sello” es usada para describir gran variedad de dispositivos desellado. Por ejemplo, juntas, empaques toricos u o-rings, sellos de labio oretenes, son comúnmente llamados sellos. En orden de distinguir entre variosdispositivos de sellado usaremos “sello mecánico”.


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Los sellos mecánicos pueden ser encontrados en casi todas las industrias. Enla aeroespacial son usados para sellar las bombas de propulsión. En laautomotriz son usados en las bombas de agua para sellar el refrigerante. Enplantas petroquímicas sellan una variedad de líquidos peligrosos y no

peligrosos en bombas, mezcladores y reactores. En muchas casas son usadosen cisternas, maquinas de lavado, lava trastes, tinas de hidromasaje y albercas.Los sellos mecánicos se han convertido en parte de nuestra vida diaria.

Antes de entender la importancia de los sellos mecánicos en la industria,necesitamos considerar el problema fundamental de evitar fugas alrededor deun eje rotante que entra a una cámara, por ejemplo el de una bomba. La figura1 lo muestra. Una forma obvia de reducir la fuga es minimizando el claroexistente entre el eje y la carcasa de la bomba. Pero si hacemos el clarodemasiado pequeño, el eje rozara contra la carcasa.

Figura 1. Problema Fundamental De Sellado.

La figura 2 muestra una situación mejorada. La bomba fue modificada para queun material compresible pueda ser alojado entre el eje y el cuerpo de la bomba.Debido a que el material fue “empacado” entre el eje y el cuerpo de la bomba esllamado “empaquetadura”. El espacio entre el eje y el cuerpo de la bomba esllamado caja de estoperos.


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El uso de empaquetadura de compresión fue usado desde hace miles de años.La primera empaquetadura fue hecha de lino y sebo. Actualmente diferentesmateriales son usados pero el concepto básico es el mismo. La caja deestoperos es llenada de un material elastico que forma anillos.

Figura 2. Empaquetadura.

Estos anillos son comprimidos mecánicamente para reducir el goteo. Lasempaquetaduras pueden ser instaladas con pocas herramientas. Esconsiderada generalmente como la inversión menor en el control de emisiones.Con la empaquetadura, el fluido entra en la caja de estoperos a través de lapresión hidráulica. El fluido circula debajo de los anillos de la empaquetadura yeventualmente fuga al exterior al prensa estopas. Si menos fuga es requerida,se aprieta el prensa estopas. Fuga visible es requerida con lasempaquetaduras, ya que esta fuga provee de enfriamiento y lubricación.

La empaquetadura se gasta y compensaciones se tienen que hacer debido a laperdida de material. Conforme el uso la prensa estopas es apretada. El aprietees constante y verdaderamente arbitrario. Muchas fallas en las empaquetadurasson debidas al calentamiento y desgaste excesivo como resultado del sobreapriete del prensa estopas.

Las empaquetaduras tiene varias deficiencias como dispositivos de sellado.Ajustes constantes y reempacado de las bombas consumen los recursos de losdepartamentos de mantenimiento. Altos índices de inactividad son asociados a


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bombas con empaquetadura debido a la corrosión, problemas en losrodamientos y refaccionamiento de los ejes.

Bombas empacadas incorrectamente consumen mayor potencia a diferencia delos equipos sellados mecánicamente. De hecho un equipo empacado consume

de un 2 a un 12% de la potencia total para vencer la fricción del laempaquetadura.

Los costos asociados al ajuste de empaquetaduras, son los costos asociados almantenimiento, perdidas de producto, y consumo adicional de potencia. Laagencia de protección ambiental americana (EPA) ha hecho regulaciones encuanto a los promedios de fugas de fluidos comunes. Las empaquetaduras nocumplen con dichas regulaciones y solo los sellos mecánicos proveenalternativas viables.

En la mayoría de los países industrializados las bombas de proceso hanmigrado a sellos mecánicos. Aun existen mercados que encuentran en lasempaquetaduras una alternativa viable. La decisión entre empaquetadura ysello mecánico puede ser hecha revisando los beneficios y problemasasociados a cada uno.

1.2 Comparación Empaquetadura Y Sello Mecánico.

EMPAQUETADURAVentajas:

• Método económico de “sellado”.•

Instalación fácil.Desventajas:

• Sirve como un dispositivo de restricción no de sellado.• Requiere de fuga o se quemara.• Ranurara y desgastara ejes y camisas.• Hay perdías de producto debido a la fuga requerida.• Requiere tiempo de mantenimiento para ajustar el prensa estopas.• Puede destruir y dañar al equipo por la fuga.• Requiere alta potencias para romper la fricción.


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SELLOS MECANICOSVentajas:

• Sellara prácticamente con fuga invisible.• Puede trabajar hasta por 10 años.• Ahorros en pérdida de producto y consumo de energía.

• Requiere mantenimiento mínimo tras la instalación.• Proveen mayor seguridad cuando el producto sellado es peligroso.• Cuesta mucho menos que la empaquetadura en el periodo de vida del

equipo.

Desventajas:• Requiere de una mayor inversión inicial.• Requiere componentes más complejos que los de la empaquetadura.

Elementos De Sellado.El sello mecánico mas sencillo consiste en un hombro en un eje en rotación que

roza contra un cuerpo estático. Esto se muestra en la figura 3. El hombroprovee una cara de sellado y la pared de la bomba otra. La presión hidráulicaforzara a entrar líquido entre las caras y brindara una película de lubricación,pero la separación de caras debe ser pequeña para minimizar la fuga. Elenfriamiento es proporcionado por el líquido alrededor.

Figura 3. Sellado Básico.


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La figura 4. Muestra un inconveniente de este diseño. Siempre habrámovimiento del eje durante la operación. Este movimiento puede reducir laseparación de caras aumentando el área de contacto y el desgaste, o puedeincrementar la separación de las caras, causando incrementos en la fuga. Lafuga entre caras es provocada por varios factores, pero la dominante es la

separación de caras. Una variación de apenas millonésimas de pulgada en laseparación de las caras puede causar cambios en la fuga. Desafortunadamenteel movimiento del eje puede ser de hasta varias milésimas de pulgada.

Figura 4. Inconveniente Del Sellado Básico.

Una manera de limitar el movimiento del eje en el sello mecánico, es montandouna de las caras del sello de forma flexible de manera que pueda moverseaxialmente. La figura 5 muestra un sello mejorado. El hombro de sellado en eleeje fue removido y en su lugar se reemplazo un componente que no estarígidamente sujeto. Este componente es llamado anillo primario. La cara del

anillo primario roza contra otro componente, el asiento. Ya que el anillo primarioy el eje son dos diferentes componentes un dispositivo adicional de selladodebe ser usado para evitar la fuga entre el eje y el anillo primario. El anilloprimario flexible puede compensar las pequeñas variaciones en el movimientoaxial del eje. Y también se puede ajustar para el desgaste de la cara.Para esto componentes adicionales son requeridos para precargar las caras,transmitir torque y ser fácil de instalar.


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Figura 5. Sello Mejorado.

La figura 6 muestra un sello mecánico completo, incluido un asientorefaccionable, empaques, resortes, opresores, y herraje adicional. El diseño deestos componentes puede variar considerablemente dependiendo del servicio

del sello. El arreglo y orientación puede variar para cumplir con las necesidadesde cada industria y con el diseño de cada bomba.


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Figura 6. Sello Mecánico.

Un Sello Mecánico Es:• Un elemento estático de sellado primario refaccionable.• Un elemento rotativo de sellado primario refaccionable.

• Un elemento de sellado secundario.• Un elemento de carga mecánica, para presionar y mantener unidos los

elementos de sellado primario.• Componentes auxiliares.

1.3 Elementos De Sellado Primario.

La cara rotativa, y su elementos de sellado secundario, el acarreador y otroscomponentes hacen el ensamble de “anillo primario”. El asiento y su elementode sellado secundario, hacen el ensamble de “asiento”.

El anillo primario esta hecho normalmente de carbón y el asiento de un materialmas duro, normalmente carburo de tungsteno, o carburo de silicio. Ambas carasson “lapeadas” pulidas a una planicidad tan precisa que debe ser dimensionadaen bandas luz (una banda luz es equivalente a 11.6 millonésimas de pulgada).Los fabricantes de sellos mecánicos han investigado durante años el diseño deestas piezas. El material y el diseño de las caras de sellado es a menudo elelemento critico en servicios difíciles.


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La función básica del asiento es proveer una superficie plana y lisa, para elsellado del anillo primario. Para mantener la integridad de la superficie, debecontar con las siguientes características: resistencia a la corrosión y al uso,buena conductividad térmica, estabilidad, y tener un excelente acabadosuperficial. Para prevenir movimiento adicional del sello mecánico, el asiento es

montado solidamente al cuerpo de la bomba, haciendo lo másperpendicularmente posible un plano para el anillo primario.

Existen algunos diseños básicos de asientos. La figura 7 muestra los máscomunes.

Figura 7. Tipos De Asientos.


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1.4 Elementos De Sellado Secundario.

Los elementos de sellado secundario proveen sellado entre el anillo primario yel eje y el asiento y el cuerpo de la bomba, como se muestran en la figura 8.Son elementos de sellado secundario, porque su patrón de fuga es secundario

a la fuga entre caras. Cargados por fuerzas hidráulicas o mecánicas, hacen queestos se aprieten en su área confinada. El elemento de sellado secundario parael asiento es siempre estático axialmente, incluso aunque este se encuentre enrotación. Los elementos de sellado secundario del anillo primario son descritoscomo de empuje o no empuje en la dirección axial. El termino empuje es usadocuando el elemento de sellado secundario es empujado hacia a tras y haciadelante por el movimiento del eje o del anillo primario. Un elemento de selladosecundario de no empuje es un sello estático para el anillo primario como en lafigura 9.

Figura 8. Elementos De Sellado Secundario.


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Figura 9. Empuje vs. No Empuje.

La figura 10 muestra ejemplos de elementos de sellado secundario de empuje yno empuje y estáticos. Los diseños de empuje usan o-rings, cuñas, etc. Los deno empuje, usan siempre una especie de fuelle con una sección estática. Los

asientos usan juntas planas y o-rings.


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Figura 10. Sellos Secundarios.

Fuelles – Los sellos que usan fuelles como elementos de sellado secundarioson clasificados como de no empuje. Los fuelles son referidos por su material yconstrucción: elastómero, teflón y metal.

Los fuelles elastomericos son de convolucion completa o de media convolucion.Los que tienen convolucion completa ofrecen la máxima flexibilidad posible enla sección frontal del anillo primario. La sección frontal de estos fuelles tienecontacto mínimo con el eje o la camisa, esto minimiza el desgaste. Ademásproporciona una considerable área de sellado que compensa lasimperfecciones del eje.

Los fuelles de teflón o de teflón cargado con fibra de vidrio están diseñadospara ambientes extremadamente corrosivos. Debido a los requerimientos deflexibilidad, las convoluciones en este arreglo son mas y mas largas, a

diferencia de los fuelles elastomericos.Los fuelles de metal pueden ser usados a muy altas o muy bajas temperaturas.Debido a su construcción metálica, ofrecen libertad en el diseño. La fuerzamecánica de cierre proporcionada por los resortes en otros arreglos, esproporcionada por el esfuerzo del metal al comprimirlo.


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Cuñas – Las cuñas son normalmente fabricadas en Teflón. No requieren deajustes o maquinados especiales debido al ángulo plano en el área de contacto.Sin embargo requieren de un acabado pulido para un sellado efectivo.

O-rings – Los o-rings son por mucho el mas popular y simple elemento de

sellado secundario. Es usado en una gran variedad de fluidos y temperaturas.Los o-rings son considerados como sellos auto energizantes y no requierenprecarga mecánica. Esta ventaja permite a los o-rings ser usados a altaspresiones. Los o-rings se ofrecen en un rango completo de resistencia químicay de materiales. Buna-N, Neopreno, Etileno Propileno EPDM,Fluoroelastómeros, y Perfluoroelastómeros, son los materiales estándar parauna variedad de servicios y aplicaciones. Los o-rings encapsulados tienen laresistencia química del teflón y la flexibilidad del elastómero. Los o-ringsencapsulados son recomendados únicamente para aplicaciones estáticas.

1.5 Mecanismos De Carga Y Arrastre.Arrastre – Un mecanismo de arrastre es requerido por el torque creado entrelas caras de sellado. Se requieren mecanismos estáticos y dinámicos. Elmecanismo estático es requerido para mantener la posición axial y transmitir eltorque. El mecanismo dinámico transmitirá el torque y dará flexibilidad axial alanillo primario. La figura 11 muestra varios tipos.


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Figura 11. Mecanismos De Arrastre.

Mecanismos De Carga.En todo sello mecánico existe la necesidad de mantener las caras cerradas enausencia de presión hidráulica. Generalmente un dispositivo mecánico en forma

de resorte es usado.Resorte Único – Un resorte único tiene la ventaja de una sección de alambremás gruesa, lo que puede manejar mayor grado de corrosión. Otra ventaja esque los sellos de resorte único no se atascan en los fluidos viscosos. Ladesventaja de un resorte sencillo, es que no provee de carga uniforme a lascaras. También las fuerzas centrifugas tienden a desenrollar las volutas. Losresortes únicos requieren mayor espacio axial y tamaños específicos deresortes para cada tamaño de sello.

Resortes Múltiples – Los resortes múltiples son normalmente mas pequeños

que los resortes unidos y proveen un contacto uniforme a las caras. El mismoresorte puede ser usado en varios tamaños de sellos, simplemente cambiandoel número de resortes. Los resortes múltiples resisten la fuerza centrifuga enmayor grado que los resortes únicos, ya que las fuerzas actúan diferente. Ladesventaja obvia es la sección delgada del alambre. Esto hace a los resortessusceptibles a la corrosión y al atascamiento.


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Resortes De Onda – este tipo de resorte es un disco con ondas que han sidoformadas para proveer una carga mecánica. La principal razón para usar estosresortes, es que requieren un espacio axial mínimo. Por otro lado, herramientasespeciales se requieren para su maquinado. Además el templado limita losmateriales a los que no son resistentes a la corrosión, como los aceros

inoxidables o el Hastelloy. Cuando se usan resortes de onda, un gran cambioen el diseño debe ser hecho por la deflexión del mismo. Esto es una decisiónentre perdida de fuerza u obtención de fuerza, y entre un movimiento limitadoaxialmente.

Fuelles Metálicos – El fuelle metálico, es una combinación de resorte yelemento de sellado secundario. Los fuelles formados son usados paradisminuir la cantidad de soldadura, sin embargo estos tienen mayor tamaño quelos soldados. El espesor de las volutas, debe ser seleccionado en base a laresistencia química y la presión. La técnica de volutas soldadas debe serseleccionada para una fatiga máxima.

1.6 Herraje Auxiliar.

Estos son los componentes que completan el sello mecánico. Estos incluyen:camisa de sellado, collar de arrastre, y bridas de instalación. La camisa es uncilindro que se ajusta sobre el collar, el propósito original es proveer un fácilmantenimiento y prevenir daños al eje asociados a los empaques. También sonusadas para proveer un escalón al sello mecánico y de esta forma tener unbalance hidráulico, y también para un ensamble cartucho. Una camisa estándares fijada y posicionada con un collar de arrastre, los opresores y un o-ringestático al eje de la bomba. La brida sostiene a los componentes estáticos delsello y conecta al sello a la cámara del sello. La brida puede ser barrenada yroscadas para proveer entradas de lavado y drenaje de sello y otras.

Los sellos mecánicos han evolucionado a diseños cartucho. Esto significa queel anillo primario, el asiento y el herraje auxiliar son puestos juntos en un solopaquete. El sello mecánico es precargado y facilita el proceso de instalación.


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Figura 12. Sello Cartucho.


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Capítulo 2: PROBLEMÁTICA EN EL MANEJO DEHIDROCARBUROS LIGEROS.

2.1 La Industria Del Petróleo.

La industria del petróleo es definida y entendida como la encargada de laexploración, perforación y extracción de crudo y gas, la transportación y larefinación de los mismos.

La industria del petróleo se divide en dos segmentos: Extracción, Refinación. Laextracción incluye ambos productos gas natural y crudo de petróleo,tratamientos preeliminares, transportación por ductos y embarcaciones, carga ydescarga en terminales. La refinación incluye la separación, depuración yextracción de todos los componentes asociados.

Que Es El Crudo De Petróleo Y El Gas Natural.

El petróleo es una mezcla de miles de componentes químicos, hechos todos abase del carbón y del hidrogeno. Una composición típica en el petróleo crudoes:

Tabla 1. Composición Típica Del Petróleo Crudo.Elemento Símbolo % PesoCarbón C 84-87Hidrogeno H 11-14Azufre S 0-2Nitrógeno N 0.2

Estos combinados en conjunto son llamados hidrocarburos y sonprincipalmente: parafinas, oleofinas y aromáticos. Mezclas de compuestosligeros del metano al butano forman la base del gas natural. Este es encontradoen reservas a lo largo del mundo, el gas natural una vez extraído debe sertratado preliminarmente para separarlo y reprocesarlo de forma que pueda sertransportado seguramente.

Procesos En La Industria Del Petróleo.Un número básico de procesos son usados en la industria del petróleo, estosson: Separación, Conversión, Purificación, Mejoramiento.

Productos Refinados Del Petróleo Crudo.Mientras que el consumidor promedio piensa que las refinerías solo producengasolinas y diesel, las plantas petroquímicas y refinerías pueden producir másde 2300 productos, y estos crecen a medida que las refinerías se vuelven máscomplejas, la demanda por combustibles limpios crece y las industriaspetroquímicas demandan diferentes productos de alimentación. Los productosde una refinería varían dependiendo el crudo de alimentación o la mezcla con laque se opere. Los productos de una refinería pueden ser divididos en:


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Hidrocarburos Vaporizantes, “Flashing Hydrocarbons” Hidrocarburos No Vaporizantes “Non Flashing Hydrocarbons”No Hidrocarburos “Non Hydrocarbons”

Hidrocarburos Vaporizantes.Los hidrocarburos vaporizantes están definidos como los productos que tienenuna presión de vapor mayor a 1 bar o 14.5 psia, a la temperatura de bombeo.Estos se dividen en 2 grupos:

El primero es llamado hidrocarburos ligeros y se refiere a los productos queson gas a temperatura ambiente, estos comprenden:

• Etileno, es usado principalmente para la obtención de polímeros, y comomateria prima de los mismos.

• Etano, es usado en las refinerías como combustible, o como

alimentación a las plantas de producción de hidrogeno o etanol, tambiénes usado en la fraccionadora de etileno.• Propileno, es usado principalmente para la obtención de polipropileno, y

como materia de los mismos.• Propano, es vendido como gas licuado de petróleo (LPG), también es

usado como alimentación en la producción de propileno.• Butano, Iso-Butano, Normal-Butano, es vendido como gas licuado de

petróleo (LPG), debido a su alto valor. El n-butano es combinado con lasgasolinas para corregir su presión de vapor, también es usado comoalimentación en las plantas de alquilacion, o en la fabricación delpropileno.

El segundo grupo comprende los productos que pueden formar gases atemperaturas de bombeo y presiones atmosféricas, estos comprenden:Los residuos de las unidades de crudo y de vació.

• Productos de la viscoreductora.• Productos de la catalizadora.• Productos de la hidrotratadora.

Hidrocarburos No Vaporizantes.Los hidrocarburos no vaporizantes son definidos como los productos que tienen

una presión de vapor menor a 1 bar o 14.5 psia, son usualmente líquidos osólidos a temperaturas ambiente. Estos se dividen en 2 grupos:

• Gasolinas.• Destilados.• Residuos.


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No Hidrocarburos.Los productos que son catalogados como no hidrocarburos, son los queincluyen azufre, sales, arena, nitrógeno, metales pesados y agua. Por lo generalestos productos son considerados como contaminantes, dentro del proceso.

2.2 Características Del Sellado.

La industria del sellado esta altamente desarrollada, y como resultado de esto,hay una alta competitividad entre los suplidores, respaldados por soluciones dela mas alta ingenieria. Desde un punto de vista del desempeño, las presiones,productos y temperaturas a ser selladas son similares, tanto en extracción comoen refinación. La otra característica común en el mercado es la amplia variedadde equipo a sellar incluidos: bombas, compresores, y turbinas de todos tipos.

Sellos Mecánicos En Hidrocarburos Ligeros.

Sellar bombas centrifugas en servicios de hidrocarburos ligeros, es de lasaplicaciones mas demandantes para los sellos mecánicos. En particular cuandoestos tienen un peso molecular tan bajo, estas aplicaciones requieren especialatención en el diseño y la instalación. Los hidrocarburos vaporizantesrepresentan la clase de aplicaciones de baja temperatura y de altas presionesen servicios y líquidos no lubricantes.

2.3 Propiedades De Los Hidrocarburos Ligeros.

Estos son parte de la serie de oleofinas, los cuales son también llamados

alquenos. Estos se caracterizan por la formula química C nH n. Debido a que supunto de ebullición es menor que la temperatura ambiente, estos son gases atemperatura ambiente, y es por esta razón que para mantenerlos líquidos soncomprimidos o licuados. En las plantas de procesos son usualmentemanejados a altas presiones y bajas temperaturas, la tabla 2 muestra el porque.Por ejemplo la presión de vapor para el etileno a 0 °C es 38.63 kg/cm 2A, lo quesignifica que el etileno debe ser presionado por arriba de 38.63 kg/cm 2A, enorden de mantenerlo liquido, por el otro lado la presión de vapor puede serreducida a 14.46 kg/cm2A, si disminuimos la temperatura a -40 °C.


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Tabla 2. Principales Características De Los Hidrocarburos Ligeros.Producto Etileno Etano Propileno Propano ButanoFormula C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H10Peso Molecular 28.1 30.1 42.1 44.1 58.1Punto de Ebullición °C -104 -89 -48 -43 -1

Presion de vapor kg/cm2

@ 0 °C 38.63 23.55 5.96 4.83 1.05@ -40 °C 14.46 7.89 1.45 1.13 0.17Gravedad especifica @ 0 °C 0.6 0.4 0.5 0.5 0.6Viscosidad cP @ 0 °C 0.045 0.05 0.05 0.15 0.07

Por lo general los hidrocarburos ligeros tienen pesos moleculares bajos, bajasgravedades especificas, altas presiones de vapor y baja viscosidad. Estaspropiedades en conjunto hacen difícil el sellado.

Cuando la presión en un gas licuado, es súbitamente reducida, la temperatura

decrece. Para una fuga a presión atmosférica, la temperatura decrece a alpunto de ebullición, el cual esta por debajo de la temperatura atmosférica, loque significaría que la fuga estaría en fase gaseosa, por lo que la igniciónpudiera ocurrir.

Grafica 1. Gravedad Especifica Vs. Temperatura.

°C

°F


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La gravedad específica decrece a medida que la temperatura decrece, al igualque la viscosidad.

Grafica 2. Presión De Vapor Vs. Temperatura.

°C

kg/cm2A °F

La presión de vapor se incrementa a medida que la temperatura incrementa.

2.4 Condiciones De Sellado En Servicios De Hidrocarburos Ligeros.

Las propiedades físicas de los hidrocarburos ligeros dictan que las condicionesde succión de una bomba deberían estar relativamente a altas presiones, ybajas temperaturas. Las condiciones y características de los sellos mecánicosdependen de los detalles y condiciones de los equipos de bombeo, lascaracterísticas de operación de los sellos mecánicos pueden verseinfluenciadas por el arreglo y lavado de los mismos.

Cuando un sello mecánico trabaja adecuadamente, las emisiones son bajas, lahuella de trabajo en las caras (asiento, anillo rotatorio) es pareja, concéntrica, yexiste un ligero desgaste en ambos.

De esta forma las principales fallas de los sellos mecánicos en hidrocarburosligeros evidenciadas en las caras de contacto son:


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Contacto Cónico (Rotación Negativa): huella de trabajo profundo en elasiento, cercano al diámetro exterior, el cual se va desvaneciendo al diámetrointerior. Posibles fracturas en el diámetro exterior del anillo rotatorio. Lossíntomas son: baja o ninguna fuga a altas presiones, fuga remanente a bajaspresiones (estático). La causa posible: sobre presión en el sello mecánico. La

corrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado.Figura 13. Contacto Cónico.

Distorsión Térmica (Rotación Positiva): huella de trabajo profundo en elasiento, cercano al diámetro interior, el cual se va desvaneciendo al diámetro

exterior. Posibles fracturas en el diámetro interior del anillo rotatorio. Lossíntomas son: fuga remanente cuando el equipo esta en operación. La causaposible: alta temperatura en las caras. La corrección: enfriar y corregir el flujo delavado en la cámara de sellado.

Figura 14. Distorsión Térmica.

Desgaste Pronunciado, O Deformación Térmica En El Área De Contacto: alto desgaste en el asiento, deformación de la cara de contacto, a lo largo de lahuella de trabajo, alto desgaste en el anillo rotativo, con depósitos de carbón allado atmosférico. Posibles fracturas en el anillo rotativo. Los síntomas: fugaremanente cuando el equipo se encuentra operando o estáticamente, sonidoscausados por vaporización en las caras (constante choque por ir y venir). Lacausa posible: liquido de sellado vaporizando en la fase de sellado. Lacorrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado para unacorrecta supresión de la presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a lossellos, e incrementarlo, revisar los datos de diseño vs. Los actuales.

Figura 15. Desgaste Pronunciado.


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Deformación Térmica En Una Sección De Sellado: aproximadamente 1/3 desección deformada térmicamente opuesto 180° a la entrada del lavado a sellosen el asiento, alto desgaste del anillo rotativo con posibles depósitos de carbónen el lado atmosférico. Los síntomas: el sello fuga súbitamente en operación,sonidos causados por vaporización en las caras (constante choque por ir y

venir). La causa posible: vaporización del líquido de lavado opuesto 180° a suentrada, lavado a sellos distribuido ineficazmente. La corrección: verificar ycorregir la presión en la cámara de sellado para una correcta supresión de lapresión de vapor. Revisar el diseño de lavado a los sellos, e incrementarlo, usarun sistema distribuido en lugar de una inyección puntual, revisar los datos dediseño vs. Los actuales.

Figura 16. Deformación en una sección.

Deformación Térmica En Varias Secciones Del Sellado: una o variassecciones deformadas térmicamente en el asiento, alto desgaste del anillorotativo con posibles depósitos de carbón en el lado atmosférico. Principalmenteen fluidos de baja gravedad especifica, a altas velocidades y presiones. Lossíntomas: fuga remanente en operación o en estacionario, la fuga se da enforma de vapor, sonidos causados por vaporización en las caras (constantechoque por ir y venir). La causa posible: liquido de sellado vaporizando en lafase de sellado, flujo distribuido inadecuado a las caras del sello mecánico. La

corrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado para unacorrecta supresión de la presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a lossellos, e incrementarlo, usar un sistema distribuido en lugar de una inyecciónpuntual, revisar los datos de diseño vs. Los actuales.

Figura 17. Deformación En Varias Secciones.


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Alto Desgaste Y Ranuras: gran desgaste en el asiento, el anillo primario haranurado al asiento en 360°. Los síntomas: fuga remanente con el equipo enoperación o estático. La causa posible baja a pobre lubricación del líquidosellado, común cuando ambas caras son duras, abrasivos incrustados en lacara más suave. La corrección: incrementar el enfriamiento en las caras,

verificar que no existan partículas abrasivas en el liquido de lavado, verificarque exista recirculación en la cámara de sellado.

Figura 18. Alto Desgaste.

2.5 Modo de Falla de Sello Mecánico En Hidrocarburos Ligeros.Al inicio de la operación (cuando el sello mecánico se encuentra nuevo), no seadvierten síntomas de falla, el equipo opera adecuadamente y las emisionesson bajas o nulas.

Debido a que generalmente a los hidrocarburos ligeros se les sella a altaspresiones, los sellos mecánicos se ven sometidos a estas altas presiones, loque causa que en primera instancia y conforme el desgaste ocurre que el anillorotativo se deforme por efecto de presión (rote negativamente), de esta forma eldiámetro exterior del anillo primario se entierra en el asiento causando que la

fricción, entre las dos caras aumente, se cierre la interfase de sellado(generalmente una separación de 0.0002 cm) y dado que los hidrocarburosligeros tienen muy malas propiedades lubricantes, se genere mas calor porefecto de fricción, de esta forma el fluido de lavado (generalmente el fluido asellar) alcance su presión de vapor en la interfase de sellado (vaya de altapresión y baja temperatura a presión atmosférica y temperatura atmosférica)por lo que el fluido súbitamente vaporiza entre las caras, las separa y sepermite una fuga mayor, al existir una fuga mayor hay mas liquido entre lascaras de sellado y estas se enfrían y lubrican adecuadamente y hace que estasestén en un continuo ir y venir, entre sellar adecuadamente y permitir fugaexcesiva, a este fenómeno, se le conoce como “flasheo” o vaporización súbita,

este efecto es muy parecido y contrario a lo que en los equipos de bombeoocurre como fenómeno de cavitación.


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Capítulo 3: SOLUCION DE SELLADO MECANICO ENHIDROCARBUROS LIGEROS.

3.1 Condiciones Que Se Deben Cumplir En El Sellado De

Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes.

Las propiedades físicas de los hidrocarburos ligeros vaporizantes dictan que lascondiciones de succión en los equipos de bombeo deben ser a altas presiones(Presión de succión mínima 250 psi / 17.5 kg/cm2 a Presión de descargamaxima 1500 psi / 105.5 kg/cm2) y relativas bajas temperaturas (temperaturaminima -40 °F / -40 °C a 68 °F / 20 °C). Las condiciones base para los sellosmecánicos, dependen de los detalles y el diseño de los equipos de bombeo.Las condiciones reales de operación en el equipo de bombeo pueden serinfluenciadas por el arreglo y lavado a las caras del sello mecánico.

Para las bombas de proceso horizontales cantilever de una sola etapa, lapresión en la cámara de sellado, es usualmente asumida como la presión desucción mas el 15% de la presión diferencial. Esta regla simple es usadacuando el impulsor usa anillos de desgaste posteriores y orificios de balance, enorden de reducir la carga axial en los baleros. Esta regla debe ser omitida paraaplicaciones de alta presión de succión como es el caso de los hidrocarburosligeros vaporizantes. Para estas aplicaciones los fabricantes de bombas usanvariaciones en el diseño, las cuales eliminan anillos posteriores de desgaste yorificios de balanceo, para estas aplicaciones especiales la presión de selladoen la cámara del sello es muy cercana a la presión de descarga. En estos casoslos sellos mecánicos deben ser diseñados para soportar la presión de descarga,

y un simple lavado a sellos proveniente de la descarga no puede ser usado.

Si la bomba de proceso es horizontal axialmente partida y multi-etapas,entonces existen dos cámaras de sellado, una cámara de sellado a presión desucción y otra cámara de sellado a una presión intermedia entre presión desucción y presión de descarga, exceptuando las que cuenten con bujes declaro cerrado, y de balance o línea de balance. Cuando los bujes se encuentranen buen estado el resultado es que la cámara de sellado a presión alta seencuentre entre 3.5 y 10.5 kg7cm2, por arriba de la presión de succión,conforme el buje se desgaste, la presión en la cámara de sellado seincrementara.

Las bombas de proceso horizontales multi-etapas de barril, también cuentancon dos cámaras de sellado, una cámara de sellado se encuentra a presión desucción, la otra a presión de descarga. Dispositivos de balance de presión comolos bujes, tambores, pistones de balance y líneas de balance, reducen lapresión en la cámara de sellado a alta presión, la presión en la cámara desellado variara de 1.5 a 7.0 kg/cm2 por arriba de la presión de succión.


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Las bombas de proceso verticales multi-etapas, tienen una sola cámara desellado, y esta localizada cerca del flanco de descarga de la bomba, y tiende aestar a presión de descarga, exceptuando los efectos de un buje de claroscerrados o una línea de balance, la presión se encontrara alrededor de 3.5 y10.5 kg7cm2, por arriba de la presión de succión.

Estas condiciones dictan que aunque gran variedad de bombas de proceso sonusadas en servicios de hidrocarburos ligeros vaporizantes. Las condiciones enlos sellos son regularmente cercanas a la presión de succión y no a las depresiones de descarga. Por lo tanto se debe tener cuidado en la selección delsistema de sellado (sello mecánico, arreglo, sistema de lavado a sellos). Esesencial conocer la presión en la cámara de sellado durante las diferentes fasesde operación. Diseñar el sello para operar con las condiciones de presión dedescarga no es suficiente. El fabricante del equipo de bombeo debe ser unparticipante activo en el diseño del sistema de sellado, de esta forma lascondiciones verdaderas de operación del sello mecánico, serán conocidas.

3.2 Arreglos De Sellos Mecánicos, API.

De acuerdo al API (American Petroleum Institute) 682 3ª Edición, equivalente alISO (International Standard Organization) 21049. “Sistemas de Sellado Eje-Bomba Para Bombas Centrifugas y Rotantes”, que es la norma de referenciainternacional para el diseño y aplicación de sellos mecánicos en equipos debombeo.

3.2.1. Existen Tres Tipos Principales De Sello Mecánico (4.1.3, API3ª).

• Tipo A, sello balanceado, montado internamente, diseño cartucho, sellode empuje con resortes múltiples y elemento flexible rotante y elementode sellado secundario elastomerico (o-rings).

Figura 19. Sello Tipo A.


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• Tipo B, sello balanceado, montado internamente, diseño cartucho, sellode no empuje (fuelle metálico) y elemento flexible rotante y elemento desellado secundario elastomerico (o-rings).

Figura 20. Sello Tipo B.

• Tipo C, sello balanceado, montado internamente, diseño cartucho, sellode no empuje (fuelle metálico) y elemento flexible estacionario yelemento de sellado secundario grafito flexible.

Figura 21. Sello Tipo C.

3.2.2. Tres Tipos De Arreglo (4.1.4, API 3ª).

• Arreglo 1, un sello por cartucho.• Arreglo 2, dos sellos por cartucho, con el espacio entre los dos sellos a

presión menor que la de proceso.• Arreglo 3, dos sellos por cartucho, usando una fuente externa de fluido

barrera a una presión mayor a la presión de sellado.


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Nuevas Tecnologías De Sellado Son Consideradas Como Sigue:

• Sellos de contacto húmedo (CW contacting wet), donde las caras noestán diseñadas para crear fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas quesustenten un separación especifica entre las caras de sellado.

•

Sellos de no contacto (NC non contanting), ya sean húmedos o secos,donde las caras están diseñadas para crear fuerzas aerodinámicas ohidrodinámicas que sustenten un separación especifica entre las carasde sellado.

• Sellos de contención (CS containment seals) de contacto o no contacto,montados en la cámara de contención.

3.2.3 Orientación De Los Sellos (4.1.5, API 3ª).

• Cara contra espalda, sello doble con un asiento montado entre los dos

elementos flexibles y un elemento flexible montado entre los dosasientos.• Espalda contra espalda, sello doble en donde ambos elementos flexibles

están montados entre los asientos.• Cara contra cara, sello doble donde ambos asientos están montados

entre los elementos flexibles.

3.3 Arreglos De Sellos Mecánicos En Aplicaciones De HidrocarburosLigeros Vaporizantes (ETILENO).

Si bien los sellos mecánicos sencillos y dobles son usados, en hidrocarburosligeros vaporizantes la gran mayoría son en arreglo “tandem” (uno tras otro enserie, espalda contra cara). La tabla 3 muestra la distribución de arreglos desellos mecánicos, basado en 100 aplicaciones de servicio de etileno. De la tabla3, el arreglo de sellos mecánicos, sencillos operan directamente en el etilenoliquido, estos son montados al interior de la cámara de sellado, con etilenoliquido a alta presión en el diámetro exterior del sello mecánico y aire a presióny temperatura ambiental en el diámetro interior del sello mecánico. El arreglo delos sellos mecánicos tandem, consiste en dos sellos mecánicos sencillos enserie, un líquido amortiguador no presurizado es circulado entre los dos sellos.El arreglo de sellos mecánicos dobles, consiste en dos sellos con un líquido

barrera presurizado entre los dos. Las figuras 22, 23 y 24 son ilustracionesesquemáticas de dichos arreglos.


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Tabla 3. Distribución De Arreglo De Sello Mecánico En Bombas De Etileno.

Arreglo PorcentajeSencillo, no cartucho 6%Sencillo, cartucho 5%

Tandem, no cartucho 16%Tandem, cartucho 64%Doble, no cartucho 7%Doble, cartucho 2%

3.3.1 Sello Mecánico Sencillo.

La figura 22 muestra un sello mecánico sencillo, montado al interior de lacámara de sellado con un lavado a sellos plan API 11. En este arreglo, lapresión en la cara de sellado es controlada por el diseño de la bomba, y la

caída de presión del fluido inyectado conforme fluye a través del buje garganta.El fluido de proceso se encuentra en el diámetro exterior del sello mecánico,cualquier fuga a través de las caras del sello mecánico, saldrán al medioambiente, por el buje de claros cerrados, si la conexión de lavado y venteo esusada, la gran mayoría de la fuga será enviada a un sistema de recolección.Cuando los sellos sencillos son usados en servicios de etileno, la combinaciónde bajas temperaturas mas el efecto de refrigeración de la caída de presión, através de las caras del sello, frecuentemente provocan hielo en el ladoatmosférico del sello mecánico. Esto efecto puede ocurrir incluso si latemperatura de operación se encuentra por arriba de los 0° C. El congelamientoes especialmente un problema durante los arranques de la bomba y una vez

que el hielo se empieza a formar alrededor del equipo de bombeo y el sellomecánico es difícil recuperarlo, para prevenir este congelamiento vapor o unapurga de nitrógeno seco son usadas en las conexiones de lavado y drenaje delsello mecánico. Esto puede eliminar o prevenir el hielo pero usar un arreglotandem es mucho mas efectivo. El fluido amortiguador de un sello mecánicotandem, no solo excluye la humedad, si no provee una fuente adicional de calor,que previene la formación de hielo.


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Figura 22. Sello Mecánico Sencillo Con Lavado A Sello Plan API 11.

1. De la descarga de la bomba.2. Lavado (F, Flush).

3. Drenaje, Desfogue (D, Drain, Q, Quench).4. Caja de sello.

3.3.2 Sello Mecánico Tandem.

La figura 23, muestra un sello mecánico tandem, un sello mecánico tandem usados sellos mecánicos sencillos, el sello interno a la izquierda esta en el fluidoproceso, el sello externo o sello de contención a la derecha, esta rodeado porun liquido amortiguador no presurizado. El sello externo de un sello tandemprovee sellado si el sello interno de proceso falla, el fluido amortiguador es

recirculado de un recipiente y hacia el por un anillo de bombeo. El recipientecontiene y provee el fluido amortiguador, es venteado a un dispositivo o sistemadesignado, como un quemador a un sistema recuperador de vapores.

Cuando el sello proceso de un sello mecánico en arreglo tandem fuga, la fugase mezcla con el fluido amortiguador, la mezcla es bombeada al recipiente porel anillo de bombeo; si la fuga de proceso es gas, este se separa del fluidoamortiguador y sale del recipiente a través del venteo; si la fuga proceso esliquido, este se mantiene mezclado con el fluido amortiguador, en este caso elrecipiente es usualmente instrumentado de forma que una fuga significante delproceso puede ser detectada, el sistema mas fácil usa una placa orificio en el

venteo y una alarma de presión en el recipiente. Normalmente existe unaválvula en la línea de venteo así el recipiente puede ser aislado del sistema deventeo, si esta válvula se cierra (o si la placa orificio se tapona) el recipiente sepresionara.

Para las aplicaciones en hidrocarburos ligeros existen varias ventajas de lossellos mecánicos en arreglo tandem, la mas obvia es que añaden confiabilidady seguridad, otra ventaja es que el fluido amortiguador previene la formación de


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hielo alrededor de los componentes del sello mecánico, también mantiene a loselementos de sellado secundario lubricados y flexibles. Y aunque ambos sellos,el sello sencillo y el sello interno de un sello tandem operan directamente en elfluido proceso, el arreglo tandem es el mas usado, preferido y recomendado porlos usuarios por su reputada confiabilidad hacia el proceso y seguridad al medio

ambiente y el personal operativo.Figura 23. Sello Mecánico Tandem Con Lavado A Sello Plan API 11, 52.

1. Sistema de desfogue o venteo.2. Recipiente.3. Entrada de fluido amortiguador.4. Lavado a sellos.5. Entrada de fluido amortiguador (LBO).6. Salida de fluido amortiguador (LBI).7. Cámara de sellado.LSH. Alarma alto nivel.LSL. Alarma bajo nivel.LI. Indicador de nivel.PI. Indicador de presión.PSH. Alarma alta presión.a. ítems hacia arriba responsabilidad del comprador, ítems hacia

abajo responsabilidad del vendedor.b. Normalmente abierto.c. Si se especifica.

3.3.3 Sello Mecánico Doble.

La figura 24, muestra un sello mecánico doble. Dos sellos son presurizados porun fluido barrera entre ellos. El fluido barrera se encuentra a una presión mayor,que la presión en la cámara de sellado. En la figura 21 el fluido barrera escirculado por un anillo de bombeo, también se muestra como los sellos son


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colocados espalda vs. espalda, no obstante este no es un requerimiento de unsello doble. Un arreglo de sello mecánico doble, incluye algunas de las ventajasde un sello mecánico tandem, pero tiene la desventaja que adicionacomplejidad al sistema, por el sistema de presurización. En un sello mecánicodoble, la fuga es solo de fluido barrera, el fluido barrera fuga hacia al proceso y

hacia la atmósfera.Para equipos de bombeo que manejan etileno puro (final), donde la alta purezaes esencial, cualquier fuga de fluido barrera al etileno es consideradainaceptable. Este requerimiento puede eliminar el uso de sellos dobles.

Figura 24. Sello mecánico doble con lavado a sello plan API 53.

1. De la fuente externa de presión.2. Recipiente.3. Entrada de fluido barrera.4. Lavado a sellos.5. Salida fluido barrera (LBO).6. Entrada fluido barrera (LBI).7. Cámara de sellado.LSH. Alarma alto nivel.LSL. Alarma bajo nivel.LI. Indicador de nivel.PI. Indicador de presión.

PSL. Alarma baja presión.a. ítems hacia arriba responsabilidad del comprador, ítems haciaabajo responsabilidad del vendedor.

b. Normalmente abierto.c. Si se especifica.


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3.4 Fluidos Amortiguadores Y Barrera.

El término fluido amortiguador y fluido barrera, es usado para describir ellubricante usado en los sellos. Un fluido amortiguador es usado en sellosduales sin presurizar (sello mecánico tandem). Un fluido barrera es usado en

sellos duales presurizados con el fin de aislar el líquido del equipo de bombeodel medio ambiente. La selección del fluido apropiado es esencial para laoperación confiable de los sellos mecánicos tandem o dobles. Un fluidoamortiguador/barrera debe tener las siguientes propiedades:

1. Seguro de usar, manejar y almacenar.2. No ser un VOC (componentes orgánicos volátiles) o VHAP

(contaminantes del aire volátiles peligrosos).3. No inflamables.4. Buena lubricidad.5. Buenas propiedades de transferencia de calor.

6. Compatible con el hidrocarburo ligero.7. Compatible con los materiales del sello.8. Buena cualidad de flujo a bajas temperatura.9. Permanecer líquido estable a temperatura ambiente.10. No burbujear cuando se mezcle con vapores (de hidrocarburo ligero).11. Baja solubilidad en el producto (hidrocarburo ligero).12. Accesible $$$.

Los fluidos amortiguador/barrera, se pueden clasificar en 6 grandes grupos:

1. Soluciones de agua/ glicol.2. Alcoholes.3. Combustibles hidrocarburos y solventes.4. Aceites base de petróleo, hidráulicos y lubricantes.5. Aceites sintéticos, hidráulicos y lubricantes.6. fluidos de transferencia de calor.

Regulaciones restrictivas en cuanto a las emisiones de las plantas de proceso yde los sellos mecánicos han resultado en el incremento de varios arreglos desellos mecánicos. Esto combinado con las restricciones de algunoscomponentes químicos, ha causado a los usuarios y fabricantes de sellosmecánicos la revisión y recomendación de los fluidos amortiguador/barrera,dando como resultado que algunos fluidos comunes y tradicionales, ya no serecomienden.

Muchos fluidos amortiguador/barrera, tradicionales, no son recomendados enaplicaciones criogénicas. Por ejemplo, los aceites no pueden fluiradecuadamente a temperaturas bajas, las soluciones acuosas se congelan.

Algunos fluidos amortiguador/barrera, que han sido usados con éxito enaplicaciones de etileno, se muestran en la tabla 4.


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Tabla 4. Fluidos Amortiguador/Barrera.Fluido Gravedad

Especifica@ 16 °C

Viscosidad@ 40 /100 °C, cP

Punto deEbullición°C

Punto deCongela-miento °C

Punto deVaporización°C

Observaciones

Metanol 0.79 0.45 / 0.22 64.5 -100 11.1 Es VHAPPropanol 0.81 1.5 / 0.45 97.2 -126 15 Recomendado

Etilen-glicol /Agua50/50

1.07 2.5 / 0.8 104.5 -34.5 110 Es VHAP

Propilen-glicol /Agua50/50

1.05 2.6 / 0.7 110 -40 98.9 Recomendado

Keroseno

0.8 1.4 / 0.6 176.5 -34.5 48.9 Propiedadestípicas

AceiteSintéticode baja

viscosidad

0.83 5 / 1 371 -62.2 232.2 Bajaexperiencia

Aceitelubricante ISO 32

0.88 28 / 5 232.2 -34.5 204.5 Norecomendado.

3.5 Estándares API.

Ni el API 610, ni el API 682, tienen requerimientos específicos para aplicacionesde etileno, pero ambos ofrecen guías. El API 610 desde la 8ª edición, pide queel sistema de sellado cumpla con la norma API 682. El API 682 comprende

sellos, para temperaturas entre – 40 °C y 260 °C y presiones hasta 35 kg/cm2,por lo que no aplica para la gran mayoría de aplicaciones de etileno. El API 682clasifica al etileno como un hidrocarburo vaporizante y recomienda el uso de unsello tipo A.

El sello tipo A del API 682, es rotativo de empuje, de resortes múltiples y usaempaques o-ring, como elemento de sellado secundario, la cara es de carbóngrafito, y el asiento de carburo de silicio aglutinado por reacción. Paratemperaturas de -40 °C a -6.5 °C, se recomienda el Buna criogénico en losempaques, resortes de Hastelloy C, y herrajes en acero inoxidable 316.

El API 682, no es especifico en el uso y recomendación de un sistema desellado para aplicaciones de Etileno, por lo recomienda que para cualquieraplicación fuera de su alcance se desarrolle ingenieria especial de sellado.

Los sellos mecánicos lubricados por gas son de desarrollo reciente en latecnología de sellado para equipos de bombeo rotativo. Estos proveen unmejoramiento a los sellos dobles. Una gran cantidad de diseños y


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configuraciones existen para cumplir con los requerimientos de las diversasaplicaciones.

El uso de sellos mecánicos lubricados por gas en bombas de proceso se haincrementado por una gran variedad de razones, como: mejoramiento en el

control de emisiones (virtualmente cero emisiones), alta confiabilidad, minimizanla generación de calor, y reducen el consumo de energía.

Los sistemas de soporte para los sellos mecánicos son mas sencillos yrequieren menos mantenimiento que los de sellado convencional, sin embargolas aplicaciones requieren consideraciones especiales en cuanto a la selecciónde un sello mecánico lubricado por gas en un equipo de bombeo rotativo. Estasconsideraciones son: la selección optima del patrón topográfico de las caras decontacto, con el fin de generar la separación adecuada, la selección adecuadadel tipo y arreglo del sello mecánico que mejor se adapte a las condiciones deoperación esperadas.

3.6 Sellos Mecánicos Lubricados Por Gas.

Los sellos mecánicos lubricados por gas, operan en un ambiente con un fluidolimpio y controlado y están diseñados para permanecer sin contacto y sindesgaste en las caras de contacto, para las condiciones de operaciónespecificadas. Las caras del sello operan con una película de gas como fluidobarrera, regularmente en arreglos de sellos duales presurizados, como semuestra en la figura 25.


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Figura 25. Sello Mecánico Lubricado Por Gas.

1. Drenaje “normalmente cerrado” C. Indicador de Flujo2. Entrada de Gas “normalmenteabierto”

D. Alarma de Flujo “alta”

3. Drenaje de Filtro “normalmentecerrado”

E. Alarma de Presión “baja”

A. Filtro coalescente F. ManómetroB. Regulador G. Válvula de no retorno

Los gases regularmente usados en sellos de gas incluyen el nitrógeno, vapor deagua seco, aire purificado y otros gases inertes. Una de las caras de contactode los sellos mecánicos lubricados por gas presentan un diseño ranurado, estasson mas anchas que la de los sellos convencionales, están precargadas conresortes menos fuertes. Estos cambios permiten la generación de presioneshidrodinámicas que evitan el contacto solidó entre las caras de sellado.

Debido a que no existe contacto ni desgaste, los sellos mecánicos lubricadospor gas producen un desempeño constante del sello mecánico, aun en lasvariaciones de operación, y aunado a que reducen el consumo de energía porel nulo contacto entre caras. Estos sellos generan menos calor que los sellosconvencionales, el gas se absorbe por las caras y se desaloja por las mismaspor efecto de expansión de los gases. Es primordial que las caras seencuentren separadas por una película de gas barrera. Si las caras llegaran hahacer contacto el sello no durara tanto por el efecto de corrida en seco.


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3.6.1 Gas Como Fluido Barrera.

Todos los gases tienen baja o poca lubricidad, ¿por que creer que el gas lubricalas caras?, la razón es que en algunas bombas de proceso el fluido proceso asellar puede ser volátil, no lubricante y sensible a los cambios de temperatura,

también puede polimerizar y calzar las caras del sello, corroer los componentesde sellado y ser peligroso y toxico para el medio ambiente.

Los sellos de arreglo dual con fluido barrera líquido, son comúnmente usadospara resolver los problemas citados. En las situaciones que el fluido barreracontamina el fluido proceso, o que los costos son prohibitivos debido a que setiene que mantener un sistema de circulación que enfrié el sistema del fluidobarrera, el uso de gas como fluido barrera se vuelve una elección viable. Unsistema de soporte al sello es usualmente instalado, incluido un panel de controlde gas con filtros coalescentes que ayudan a minimizar la contaminación delfluido, aseguran la limpieza del gas y monitorean los consumos así como las

emisiones, figura 26.Figura 26. Panel de control.

1. Válvula de la fuente de alimentación 6. Indicador de Flujo Alto2. Filtro coalescente 7. Alarma de Flujo3. Regulador 8. Alarma de Presión4. Manómetro 9. Válvula de no retorno5. Indicador de Flujo Normal 10. Conexión al sello


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3.6.2 Separación Entre Caras En Sellos Lubricados Por Gas.

Hay muchas formas de generar una película de gas barrera. El principio es usarranuras que cambien de profundidad en la cara y permitan comprimir el gas ygenerar cambios de presión. Variaciones de estos diseños se muestran en la

figura 27, incluidas cuñas, ranuras en espiral, caras onduladas y otras. Todashan demostrado capacidad en el control del gas y la generación de presión quesepare las caras.

Figura 27. Patrones De Cara.

Si la presión de gas generada depende del desplazamiento de las caras,entonces es llamada “presión hidrodinámica”, si solo depende de la presión

diferencial y es efectiva incluso en las paradas es llamada “presión hidrostática”.Dependiendo de las condiciones operacionales y sus requerimientos, los sellosmecánicos lubricados por gas usan una gran variedad de la combinación deestas presiones “hidrodinámica e hidrostática”, con el fin de maximizar laprotección de las caras de contacto. La mayoría usa carbón grafitado dematerial para el anillo primario, y corre contra un asiento de carburo de silicio ocarburo de tungsteno, lo que ayuda a la vida de los sellos en tiempos cortos decontacto, y en condiciones transitorias o de emergencia. Para aplicaciones dealta presión, el anillo primario es usado en material de carburos, lo que adhiereventajas debido al alto modulo de young y de dureza.


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Figura 28. Separación De Caras.

3.6.3 Promedios De Emisión Y Consumos De Gas BarreraAceptables.

El promedio de consumo de gas es bajo, este se mide en SCFH (pie cúbicoestándar por hora), predecir un consumo actual versus el consumo teórico esbastante complicado ya que el consumo es sensible a las variaciones en lamanufactura así como del modelo teórico, es mucho mejor usar el consumoinicial del sello mecánico como la línea base y de ahí tomar las desviaciones

adecuadas, si el consumo excede en mas de 10 veces el consumo inicial esnecesario contactar con el fabricante del sello mecánico, en orden de revisar elmismo.

La presión del gas barrera suplido es típicamente 30 PSIG por arriba de lapresión de proceso, como regla solo 1/3 del gas barrera será consumido por elsello interno y se ira al proceso. La entrada de gas barrera al proceso no es unproblema ya que el fluido proceso lo lleva a través de los procesos y lo venteaen algún punto, sin embargo para un sistema cerrado el fabricante y el usuariodeben determinar si el gas se acumulara en algún lugar y ocasionara problemasoperacionales como cavitacion o engasamiento, lo cual puede dañar los

equipos de bombeo.


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3.6.4 Características De Operación.

El espesor de la película de gas barrera puede variar conforme las condicionesde operación, los usuarios necesitan proveer los detalles de los ciclos deservicio esperados, no solo las condiciones máximas de presión y velocidad, de

esta forma los fabricantes puedan asegurar la confiabilidad del sello a través detodas sus fases de operación. Dado que los sellos mecánicos lubricados porgas no sufren desgaste, no sufren de ciclo de histéresis, es decir el consumosolo depende de las condiciones de operación actuales y no del histórico deoperaciones.

Cuando los sellos se contactan y operan en seco, generan polvo de carbón, elcual puede ser visto en el testigo de fuga, o en el alojamiento del sello en labrida. Alta temperatura en las bridas puede ser evidencia de operación en secoen el sello externo, si ambas señales son vistas los equipos deben salir deoperación y los sellos mecánicos deben repararse.

Bajo una condición adversa, ya sea alta presión en el proceso, o pérdida depresión en el gas barrera, la mayoría de los sellos mecánicos, están diseñadospara operar con reversiones de presión, lo que provocara que las caras entrenen contacto previniendo que el fluido proceso fugué al gas barrera y a laatmósfera. Tras la operación en condiciones adversas y dependiendo de lascondiciones, el sello mecánico podrá regresar a operar normalmente, de locontrario se tendrá que contactar con el fabricante. La medición de consumo degas barrera con el equipo estático será de gran ayuda para diagnosticar laseveridad del daño, si es que existe.

3.6.5 Problemas Potenciales.

Un problema común encontrado en los sellos mecánicos lubricados por gas esla perdida de presión en el suministro del gas barrera. Esto puede ocurrircuando la presión del gas baja más allá del punto preestablecido o cuando lapresión del proceso se incrementa más allá de lo establecido.

Como los sellos tienen muy poca presión de cierre dada por los resortes, elarrastre provocado por las caras puede romper los resortes, el empaquedinámico es crítico en cuanto a la confiabilidad del sello y debe ser el adecuadopara garantizar el buen desempeño del equipo, si este se encuentra en unambiente o fluido sucio, puede causar la acumulación de sólidos y porconsiguiente fricción y arrastre y provocar la falla en el sello mecánico.Dispositivos de exclusión de sólidos deben ser incorporados para prevenir laacumulación de sólidos en el área de los empaques.


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Los empaques elastomericos, tienen generalmente bajos limites detemperaturas, mas allá de estos limites, otros materiales y diseños deben serconsiderados como los de los sellos con fuelle metálico. En algunas ocasioneslos sellos de fuelle metálico son usados para evitar el arrastre que provoca quelos resortes se dañen. Contaminación de líquido en el gas barrera puede ocurrir

con vapor, lo que causara separación en las caras y puede ser más de lodiseñado, esto provocara un gran consumo o fuga del gas barrera, pero nodañara las caras del sello mecánico. Ya que el liquido haya pasado por lascaras del sello mecánico, el sello regresara a operar normalmente, siempre ycuando el liquido no deje depósitos en las caras del sello.

3.6.6 Velocidades De Rotación.

Las caras de los sellos mecánicos lubricados por gas están diseñadas paragenerar fuerzas hidrodinámicas las cuales separen las caras, cuando el equipo

se encuentre en rotación. Estas fuerzas son proporcionales a la velocidadrotativa del eje. Los patrones topográficos de las caras están diseñados paraofrecer un desempeño óptimo entre las velocidades de eje especificadas. Lapelícula de gas entre las caras puede ser significantemente reducida si el sellomecánico es operado a velocidades por debajo de los limites de diseño yespecificados.

Las velocidades de operación normal se encontraran entre las del rango dediseño, sin embargo condiciones de velocidades bajas transitorias puedenocurrir en los paros y arranques de los equipos, especialmente en equipos conconductores de frecuencia variable. Las aplicaciones de alta temperaturatambién aplican paradas paulatinas en el equipo, con el fin de evitar daños en elmismo. Los equipos con turbinas de vapor como conductor, son corridos abajas velocidades durante tiempos prolongados con el fin de evitar daños en lasmismas.

Los sellos mecánicos lubricados por gas pueden operar exitosamente inclusiveen dichas condiciones de servicio. El patrón topográfico puede ser modificadopara operar mayoritariamente con fuerzas hidrostáticas y minoritariamente confuerzas hidrodinámicas, esto puede ser efectivo en aplicaciones de corridaslentas, pero el consumo de gas barrera se vera incrementado. Otra solución esel uso de caras duras (carburo de silicio o carburo de tungsteno), el cualminimiza el desgaste cuando ocurran corridas lentas, actualmente estaincursionando en la industria el uso de recubrimientos de diamante artificial enlas caras de los sellos mecánicos.


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3.6.7 Sentido De Rotación.

La mayoría de los patrones usados en las caras son diseñados para crearfuerzas hidrodinámicas, las cuales separen las caras y esto es regularmentesolo para un sentido de rotación, cuando se giran hacia el sentido contrario

estas se contactan, estos sellos son llamados unidireccionales.Para la mayoría de aplicaciones, un sello unidireccional no presenta problemaalguno ya que los equipos de bombeo solo giran en un sentido. Sin embargohay algunos equipos los cuales cuentan con arreglos en la descarga los cualespermiten el regreso de alguna cantidad de producto en las paradas, esto puedecausar que el impulsor gire en sentido contrario, y por lo tanto el sello también ycause que las caras se contacten.

La mayoría de los sellos mecánicos lubricados por gas permiten el trabajo enseco provocado por reversiones de presión, sin embargo si las condiciones

serán persistentes el diseño de un sello especial se tiene que tomar enconsideración.

La topografía de un sello unidireccional se puede cambiar para confiar más enlas fuerzas hidrostáticas que en las hidrodinámicas, esto con el fin de generaruna separación adecuada de caras y mejorar el desempeño, esto incrementarael consumo del gas barrera.

Topografía bidireccional puede ser usada para separar las caras, sin embargoesta generara una separación menor, lo que permitirá un potencial contacto delas caras si es que en el equipo existen desplazamientos axiales.

3.6.8 Sólidos En El Fluido Proceso.

Sólidos en el fluido proceso son de las causas comunes de falla en los sellosmecánicos, estos pueden ser problemáticos en las aplicaciones de selloslubricados por gas.

Los sólidos pueden estar presentes en el proceso o ser disueltos o cristalizadosentre el sello interno y el externo, lo que puede causar problemas en eldesempeño del sello mecánico.

La separación de caras esta diseñada para operar en el orden de 0.0001 in.(2.54 µm), los sólidos pueden migrar a esta separación y causar erosión en elpatrón topográfico, aumenta el efecto como se muestra en la figura 29. En lasconfiguraciones donde el proceso fluido se encuentre en diámetro interior delsello interno, las fuerzas centrifugas ayudaran a la migración de los sólidoshacia la separación de caras.


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Figura 29. Migración De Sólidos A Separación De Caras.

3.6.9 Fuerza De Los Resortes.

La fuerza de cierre que proveen los resortes en los sellos de empuje sonnormalmente 50 % menos en los resortes de sellos lubricados por gas. Estabaja fuerza es usada para prevenir el contacto de las caras, debido a este factorlos sellos lubricados por gas son susceptibles al atascamiento de los empaquessecundarios, esto ocurre cuando los empaques no pueden moverse axialmenterestando flexibilidad al conjunto. El atascamiento se puede dar cuando el sellose desplaza axialmente hacia fuera con respecto del asiento, lo que resulta enun consumo excesivo del gas barrera, o cuando el sello se desplaza axialmentehacia a dentro con respecto al asiento provocando un contacto. Figura 30.


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Figura 30. Fuerza De Cierre Vs. Fuerza De Apertura.

3.6.10 Soluciones En El Diseño.Múltiples diseños pueden ser incorporados en un sello lubricado por gas paraun equipo de bombeo rotativo, cuando se conoce que existen sólidos en elproceso, un logro es prevenir que los sólidos entren a la cavidad de sellado.Esto puede ser alcanzado usando dispositivos de exclusión de sólidosinstalados al interior de la cavidad de sellado. Estos dispositivos incluyen losparecidos a volutas los cuales convierten el movimiento rotacional del equipo enmovimiento axial del fluido, sacando el producto proceso y sus sólidos afuera dela cavidad de sellado.

Las configuraciones con el producto proceso en el diámetro exterior de lossellos mecánicos ayudan a reducir la migración de los sólidos a la película desellado.

Otros diseños usan dispositivos de restricción en la cámara de sellado, talescomo los sellos laberinto.

El plan API 32, también puede ser usado con el fin de prevenir la entrada desólidos al sello mecánico, esto con la ayuda de un buje de restricción en lacavidad de sellado y la inyección de un fluido limpio y compatible con elproceso.

Dispositivos de sellado secundario son diseñados con el fin de evitaratascamiento de los empaques, estos diseños minimizan el arrastre de losempaques cuando se mueven axialmente, estos también minimizan laacumulación de sólidos del lado proceso, estos diseños controlan el apriete delos empaques de forma radial usando resortes en voladizo o resortes de onda,para cargar las superficies del empaque contra las superficies del sello.


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Los sellos mecánicos lubricados por gas incluyen sellos de fuelle metálico, eluso de sellos de fuelle metálico elimina el uso de empaques tipo o-ring, y por lotanto su atascamiento.

3.7 Selección De Sellos Mecánicos.La selección de un sello mecánicos apropiado para cada aplicación engloba, lasdiferentes características del producto a bombear y las condiciones deoperación requeridas por el cliente.

En general los pasos a seguir para la selección adecuada de un sello mecánicoson:

1. Identificación del tipo de servicio.2. Selección de categoría y tipo de sello mecánico.

3. Selección de arreglo y configuración del sello mecánico, y selección detipo de planes de ambientación (Planes API).4. Selección de fluido barrera / amortiguador.5. Selección de materiales.6. Selección características especiales.

3.7.1 Identificación del tipo de servicio.

Se identifica el tipo de servicio, en base a los datos operacionalesproporcionados, de acuerdo a lo solicitado por el API 682 3ª Anexo C “Hojas de

datos de sellos mecánicos”.Tabla 5. Datos De Servicio.43

44 Corriente Fluido Bombeado Peligroso Flamable

45 Tipo o Nombre : Conc'n : % Fluido Sólido @ Ambiente

46 Contaminante Disuelto H2S Húmedo Solidif ica @ : °C Punto de Flujo Mínimo : °C

47 Cl2 Otro Producto Solidifica por Esfuerzos Cortantes

48 Contaminante Sólido Producto con Agentes que Polimerizan

49 Concentración (% peso o PPM) : Especificar Agentes : @ Temp : °C

50 Temperatura de Bombeo Producto puede Descomponerse

51 Min : °C Normal : °C Max : °C Especificar Condiciones :

52 Gravedad Específica a la Tem peratur a Indicada Producto Regulado para Minimizar Emisiones Fugitivas u Otro Tipo

53 @ Temp. Normal : @ Temp Max : Nivel de Regulación : ppmv

54 Presión de Vapor a la Temperatura Indicada Procedimientos Especiales de Limpieza

55 @ T. Normal: kPaa (kg/cm2a) @ T. Max : kPaa (kg/cm2a

56 Punto de Burbuja Atmosférico Fluido de Proceso Alternativo & Conc. (incl. Puesta en Marcha)

57 Visc. @ Temperatura Normal de Bombeo:

58 Fluido de Lavado [Si el fluido de lavado es el producto, no se requiere ésta información]

59 Tipo o Nombre : Conc'n : % Presión de vapor a la Temperatur a Indicada

60 Se Requiere Revision del Sello por Fabricante @ Temp. Normal : @ Temp Max :

61 Temperatura del Fluido Punto de Burbuja Atmosférico

62 Min : °C Normal : °C Max : °C Viscosidad @ Temp Normal de Bombeo :

63 Grave dad espe cífica a la Tem pe ratura Indicada Rango de Flujo Req'd Max / Min /

64 @ Temp Normal : °C @ Temp Max : °C Presión Req'd Max / Min /

Datos de l Fluido (Para Datos de Fluido de Enfriamiento, Amortiguador y Barre ra, Ver Página 3)

ppm

ppm @ ppm

°C

Pas (cP)

°C

°C

kPam (kg/cm2 m)

Pas (cP)

m3 / s (m3 / h)

°C


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54

4

5 Medio de Enfriamiento Temperatura de Suminis tro Max / Min : / °C

6 Tipo o Nombre : Flujo Requerido Max / Min : /

7 Medio de Fluido Buffer / Barrera Gravedad específica a la Temperatura Indicada (Liquido)

8 Tipo o Nombre : @ Temp Normal : @ Temp Max :

9 Selección del Comprador Selección del Fabr. Sello Presión de Vapor a la Temperatura Indicada (Liquido)

10 Revisión por Fabr. Sello Revisión por Comprador @ Temp Normal : @ Max Temp :

11 Flujo Requerido Max / Min : / Punto de Burbuja Atmosférico (Liquido) : °C

12 Presión de Suministro Max / Min : / Viscosidad @ Temp Normal de Bombeo (Liquido) : Pas (cP)

13 Temperatura del Fluido Calor Específ ico @ Temp Normal : J/kg°K (Kcal/kg°C)

14 Min : °C Normal : °C Max : °C Enfriamiento Requerido : J/kg°K (Kcal/kg°C)

Datos d el Fluido (Datos de l Fluido de Enfriamiento, Buffer y Barre ra, Liquido y Gas)

kg/cm2 a

m3/s (m3/h)

kPaa (kg/cm2a)

m3/s (m3/h)

kPam (kg/ cm2m)

3.7.2 Categoría Y Tipo De Sello Mecánico.

Se selecciona la categoría y tipo de sello en base a la temperatura y presión, deacuerdo a lo solicitado por el API 682 3ª Anexo A hoja 2 de 10.

Se puede realizar una preselección del tipo de sello, en base a gravedadespecifica, temperatura, presión de vapor, conforme a la figura 31 “preselección

del tipo de sello”.

Figura 31. Preselección Del Tipo De Sello.

CasoEstudio


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ANEXO A, API 682 3ª EDICION.

HOJA 2 DE 10.PROCEDIMIENTO RECOMENDADO PARA SELECCIÓN DE SELLOSRESUMEN DE CATEGORÍA, TIPO Y ARREGLO.

Las categorías de sello pueden ser Categorías 1, 2, o 3 como se especifica.Las principales características de cada categoría son resumidas debajo.Donde exista opciones para cada característica se escribe en el texto como“si es especificado”.Las cláusulas en paréntesis indican donde el requerimiento es especificado.

ANEXO A, API 682 3ª EDICION. HOJA 2 DE 10. Selección De Categoría.


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HOJA 2 DE 10 (CONTINUACIÓN) DEL ANEXO A DE API 682 3ª EDICION.

Los tipos

historia del sellado

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