Criterios básicos de diseño de sellos

mecánicos para bombas centrífugas de proceso

IntroducciónEl sello mecánico es reconocido como la manera más confiable de unir un eje giratorio y la carcasa estática de una bomba centrífuga. Existen casos documentados de uso de sellos mecánicos en equipos de agua limpia con una duración de hasta 40 años. Sin embargo, la gran mayoría de las aplicaciones no son con fluidos limpios ni con una vida útil prolongada. De hecho, el 90% de las bombas no alcanzan a cumplir su ciclo de vida útil, muchas veces por problemas asociados a la zona de sellado.

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Podemos encontrar, literalmente, miles de diseños de sellos mecánicos y cientos de oferentes, cada uno con su producto recomendado. A veces esta amplia variedad genera confusión y hasta frustración para el usuario de bombas centrífugas. La planta industrial tradicional utiliza sellos de bajo costo de adquisición pero con un alto valor de horas - hombre por recambio e intervención de los equipos de bombeo. Seguidamente, es usual que se experimente con sellos costosos “de primera línea” que, si bien pueden durar más tiempo, esto no siempre es así. Además, al momento de reemplazarlos, sus costos son elevados. La clave está en entender qué especificar para lograr una larga vida útil. En este artículo repasamos las principales características de diseño de sellos mecánicos recomendables para equipos de proceso, independientemente de la marca o el tipo de bomba centrifuga.

El impacto de un sello mecánico poco confiable afecta el entorno y genera costos adicionales

¿Resortes dentro o fuera del fluido?El diseño clásico de un sello mecánico básico se encuentra conformado por un resorte alrededor del eje, girando con éste y manteniendo la cara rotativa contra la pista estacionaria. Otros diseños de sello tienen múltiples resortes pequeños alrededor del eje para ejercer una distribución de fuerza más pareja sobre las caras de sello. El problema de que los resortes sean expuestos al fluido, es que el acero inoxidable bajo tensión sufre una corrosión acelerada generando roturas imprevistas. En el caso de los diseños de sello con múltiples pequeños resortes, cualquier suciedad de fluido puede ser captada por ellos y, eventualmente impedir el funcionamiento exitoso del sello. Por estos motivos, se recomienda utilizar sellos mecánicos diseñados con resortes afuera del fluido.

¿Caras monolíticas o insertadas?La construcción de las pistas o caras de un sello mecánico son realizadas de materiales extremadamente duros y pulidos para lograr una hermeticidad entre ellos con una baja fricción. En sellos modernos estos materiales suelen ser carburo de silicio o tungsteno. Por una cuestión de costos, algunos diseños de sello son construidos con la pista insertada en un cuerpo de acero inoxidable. Esto reduce la cantidad de silicio o tungsteno requerido. Sin embargo, en condiciones de operación extrema y cambios de temperatura rápida, la dilatación del material de pista es diferente a la de acero inoxidable. Puede suceder que las pistas se suelten o deformen perdiendo la superficie plana necesaria para funcionar. Las pistas monolíticas o sólidas, en cambio, son mucho más estables ante temperaturas variables o en funcionamiento a elevadas temperaturas. Se recomienda pistas monolíticas no insertadas.

¿Resortes giratorios o estáticos?Para que el sello mecánico funcione, las dos pistas tienen que permanecer perfectamente unidas. En un sello mecánico con resortes giratorios, cualquier imperfección entre el ángulo del eje (donde va montada la pista rotativa) y la carcasa estática (donde se monta la pista estática) requiere una compensación mediante expansión de los resortes, dos veces por revolución. En cambio, cuando el resorte se monta detrás de la pista estacionaria, no rotativa, cualquier imperfección entre el ángulo del eje y la carcasa de la bomba es absorbida en la instalación del sello. Las dos pistas quedan unidas sin necesidad de constante reajuste. Consecuencia: vida útil prolongada. Se recomienda diseños de sello mecánico estacionarias (donde los resortes no giran).

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Los diseños estacionarios (resortes que no giran) son más confiables

¿Qué es el flush y cuándo se utiliza?El flush es la inyección de un bajo flujo de líquido limpio (generalmente agua) desde una fuente externa de la bomba inyectada a la cámara de sello (a través de la brida del sello o una conexión en la bomba) hacia una presión superior a la de la cámara de sellado. Este fluido sirve para asegurar que el líquido en contacto con las pistas o caras del sello permanezca limpio, prolongando así su vida útil del sello. El fluido inyectado tiene que ser compatible con el líquido bombeado ya que ambos se terminan mezclando.

Se utiliza un flush cuando la bomba mueve fluidos abrasivos o que afectan el bienestar del sello mecánico. Con la inyección de un fluido limpio se puede lograr una condición óptima en la zona de sellado, aún cuando la bomba sea utilizada para fluidos extremadamente abrasivos o con sólidos.

Hay que tener en cuenta que en muchos casos la utilización de un flush hace que el sello mecánico y, por ende, la bomba pase a ser dependiente de la misma para funcionar. La ausencia del suministro de líquido limpio al flush puede generar una rotura de sello mecánico en un período muy breve de tiempo. Se suelen utilizar bombas centrifugas para agua de flush o para aquellos casos bombas de alta presióndonde la presión de la zona de sellado supera los 10 bar.

¿Qué es el quench y cuándo se utiliza?El quench típicamente refiere a la aplicación de un fluido a baja presión en el lado externo del sello mecánico. Este puede ser agua, vapor o gas. Generalmente el quench cumple una de las siguientes funciones:

1. Evita la formación de cristales sobre la parte exterior del sello mecánico donde la película de fluido entre las pistas del sello entra en contacto con la atmósfera 2. Cuando la bomba se encuentra frenada, se utiliza para reducir o aumentar temperatura mediante la aplicación de vapor con el fin de mantener el fluido alrededor del sello en estado líquido.

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El flush permite generar una zona de sellado limpia

Sellos simples y sellos dobles La mayoría de los sellos mecánicos son simples. Ante la rotura de un sello simple se produce una fuga hacia el medio ambiente. En las aplicaciones donde esto no se permite se instala un segundo sello mecánico. El conjunto se conoce como doble sello

mecánico. Consiste de un segundo sello cerca del primero en contacto con el fluido de la bomba, con una cámara de fluido barrera entre medio. El fluido barrera lubrica y asegura el funcionamiento exitoso del segundo sello permitiendo, en caso de rotura del sello principal, obtener tiempo de reacción, sin permitir una fuga hacia el exterior.

Los sellos mecánicos dobles también suelen utilizarse con fluidos abrasivos o donde la presencia de líquido dentro de la bomba es intermitente. En este caso, es importante presurizar el fluido barrera para asegurar que las pistas internas (lado bomba) se lubriquen con el fluido de barrera limpio y no con el fluido abrasivo de proceso.

En la figura se puede apreciar una bomba Techniflo SC con tanque utilizado como reservorio de líquido barrera presurizado o no presurizado.

¿Qué impacto tiene el diseño de la bomba sobre la vida útil del sello?La vida útil de un sello mecánico depende de su diseño y las condiciones del líquido, pero, en gran parte, de su entorno. Cuando el fabricante de la bomba considera las necesidades del sello mecánico al momento de diseñarla, las probabilidades de incrementar la vida útil del mismo aumentan drásticamente.

En cambio, cuando el fabricante instala un sello mecánico económico para cumplir con una especificación básica, la vida útil no va a ser la deseada por el usuario final.

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Techniflo SC con doble sello mecánico

Algunos ejemplos de sellos mecánicos y el entorno dentro de una bomba:

Doble sello mecánico de bomba química no metálica. Sello estacionario Techniflo SCsin partes metálicas en contacto con el fluido.

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Bomba TORO para fluidos sucios (desagüe de mina) con caja cónica para expulsión de sólidos por fuerza centrífuga minimizando el impacto hacia el sello. Entorno de sello favorable.

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Sello mecánico de diseño clásico. Múltiples resortes en contacto con el fluido. Riesgo de acumulación de suciedad y atascamiento.

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ResumenSi bien este artículo cubre solamente algunos aspectos de diseño de sellos mecánicos, la aplicación de los conceptos mencionados aumenta las probabilidades de obtener una mayor vida útil de sellos en bombas centrífugas. Vale destacar la importancia de que el usuario final participe en la especificación o al menos la evaluación porque, como vimos, del sello depende la confiabilidad de la bomba.

Sobre All Pumps ArgentinaAll Pumps Argentina Grupo Intrax, es una empresa del una organización global enfocada en el desarrollo y producción de bombas industriales. Para más artículos sobre bombas para fluidos corrosivos y fluidos abrasivos haga . clic aquí