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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD AZCAPOTZALCO APLICACIÓN DE SELLOS MECÁNICOS “SECOS”
EN
BOMBAS 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
perseverancia de mis seres amados y queridos, Víctor, Carolina,
Elena, Lía, Mali, finalmente y especialmente a mi muy querida y
amada Carolina. Gracias. Alberto Pérez Taylor Ponce De León.
Agosto 2010
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2
INDICE GENERAL. OBJETIVO. 7 JUSTIFICACIÒN. 7 ALCANCE. 7
INTRODUCCIÓN. 8 Capítulo 1: GENERALIDADES. 9 1.1 Tecnologías De
Sellado. 9 1.2 Comparación Empaquetadura Y Sello Mecánico. 12 1.3
Elementos De Sellado Primario. 16 1.4 Elementos De Sellado
Secundario. 18 1.5 Mecanismos De Carga Y Arrastre. 21 1.6 Herraje
Auxiliar. 23 Capítulo 2: PROBLEMÁTICA EN EL MANEJO DE HIDROCARBUROS
LIGEROS.
25
2.1 La Industria Del Petróleo. 25 2.2 Características Del
Sellado. 27 2.3 Propiedades De Los Hidrocarburos Ligeros. 27 2.4
Condiciones De Sellado En Servicios De Hidrocarburos Ligeros.
29
2.5 Modo De Falla De Sello Mecánico En Hidrocarburos
Ligeros.
32
Capítulo 3: SOLUCION DE SELLADO MECANICO EN HIDROCARBUROS
LIGEROS.
33
3.1 Condiciones Que Se Deben Cumplir En El Sellado De
Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes.
33
3.2 Arreglos De Sellos Mecánicos, API. 34 3.2.1. 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). 35 3.2.3 Orientación De Los
Sellos (4.1.5, API 3ª). 36 3.3 Arreglos De Sellos Mecánicos En
Aplicaciones De Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes (ETILENO).
36
3.3.1 Sello Mecánico Sencillo. 37 3.3.2 Sello Mecánico Tandem.
38 3.3.3 Sello Mecánico Doble. 39 3.4 Fluidos Amortiguadores Y
Barrera. 41
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3
3.5 Estándares API. 42 3.6 Sellos Mecánicos Lubricados Por Gas.
43 3.6.1 Gas Como Fluido Barrera. 45 3.6.2 Separación Entre Caras
En Sellos Lubricados Por Gas. 46 3.6.3 Promedios De Emisión Y
Consumos De Gas Barrera Aceptables. 47 3.6.4 Características De
Operación. 48 3.6.5 Problemas Potenciales. 48 3.6.6 Velocidades De
Rotación. 49 3.6.7 Sentido De Rotación. 50 3.6.8 Sólidos En El
Fluido Proceso. 50 3.6.9 Fuerza De Los Resortes. 51 3.6.10
Soluciones En El Diseño. 52 3.7 Selección De Sellos Mecánicos. 53
3.7.1 Identificación del tipo de servicio. 53 3.7.2 Categoría Y
Tipo De Sello Mecánico. 54 3.7.3 Arreglo Y Configuración Del Sello
Mecánico, Tipo De Planes De Ambientación (Planes API).
62
3.7.4 Selección De Fluido Barrera / Amortiguador. 70 3.7.5
Selección De Materiales. 71 3.7.6 Características Especiales. 74
3.7.7 Confirmación del sello seleccionado con la oferta en el
mercado. 79 3.8 Selección Y Aplicación De Sello Mecánico Seco, En
Hidrocarburo Ligero (Etileno).
81
3.8.1 Identificación Del Tipo De Servicio. 81 3.8.2 Categoría Y
Tipo De Sello Mecánico. 81 3.8.3 Arreglo Y Configuración Del Sello
Mecánico, Tipo De Planes De Ambientación (Planes API).
82
3.8.4 Selección De Fluido Barrera / Amortiguador. 82 3.8.5
Selección De Materiales. 82 3.8.6 Características Especiales. 83
3.8.7 Sello Mecánico Seleccionado. 84 3.9 Sellos Mecánicos Secos
Para Bombas De Proceso En Aplicaciones De Hidrocarburos
Ligeros.
85
Capitulo 4. ESTUDIO ECONÓMICO. 89 4.1 Antecedentes. 89 4.2
Optimización De Los Sistemas De Sellado. 89 4.3 Que Es El “Costo
Del Ciclo De Vida” 90 4.4. Modelo Matemático. 91 4.5 Costos
Inversión Inicial. 92 4.6 Simulador Costos Del Ciclo De Vida. 94
4.7 Costo Del Ciclo De Vida. 95 4.7.1.1. Selección Del Tipo De
Sello/Empaquetadura Y Planes. 95 4.7.1.2. Suposiciones Financieras.
96 4.7.1.3 Información Del Equipo. 96
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4
4.7.1.4. Costos De Operación. 97 4.7.1.5. Información De Sello
Mecánico. 98 4.7.1.6. Información De Empaquetaduras. 98 4.7.1.7.
Información De Equipo Sin Sistema De Sellado. 99 4.7.1.8.
Información Del Sistema De Soporte Al Sello Mecánico. 100 4.7.2.1.
Cálculos Del Costo De Operación Anual. 101 4.7.2.2. Costos
Puntuales. 102 4.7.2.3. Cálculos De Valor Actual. 102 4.7.2.4.
Costo De Ciclo De Vida Estimado. 103 Capitulo 5. CONCLUSIONES Y
TRABAJO A FUTURO.
104
5.1 Conclusiones. 104 5.2 Trabajo A Futuro. 109 GLOSARIO. 110
NOMENCLATURA. 116 BIBLIOGRAFIA 117 INDICE DE FIGURAS Figura 1.
Problema Fundamental De Sellado. 10 Figura 2. Empaquetadura. 11
Figura 3. Sellado Básico. 13 Figura 4. Inconveniente Del Sellado
Básico. 14 Figura 5. Sello Mejorado. 15 Figura 6. Sello Mecánico.
16 Figura 7. Tipos De Asientos. 17 Figura 8. Elementos De Sellado
Secundario. 18 Figura 9. Empuje vs. No Empuje. 19 Figura 10. Sellos
Secundarios. 20 Figura 11. Mecanismos De Arrastre. 22 Figura 12.
Sello Cartucho. 24 Figura 13. Contacto Cónico. 30 Figura 14.
Distorsión Térmica. 30 Figura 15. Desgaste Pronunciado. 30 Figura
16. Deformación en una sección. 31 Figura 17. Deformación En Varias
Secciones. 31 Figura 18. Alto Desgaste. 32 Figura 19. Sello Tipo A.
34 Figura 20. Sello Tipo B. 35 Figura 21. Sello Tipo C. 35 Figura
22. Sello Mecánico Sencillo Con Lavado A Sello Plan API 11. 38
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5
Figura 23. Sello Mecánico Tandem Con Lavado A Sello Plan API 11,
52. 39 Figura 24. Sello mecánico doble con lavado a sello plan API
53. 40 Figura 25. Sello Mecánico Lubricado Por Gas. 44 Figura 26.
Panel de control. 45 Figura 27. Patrones De Cara. 46 Figura 28.
Separación De Caras. 47 Figura 29. Migración De Sólidos A
Separación De Caras. 51 Figura 30. Fuerza De Cierre Vs. Fuerza De
Apertura. 52 Figura 31. Preselección Del Tipo De Sello. 54 Figura
32. Resistencia Térmica De Los Elastómeros. 73 Figura 33. Rango de
Toxicidad. 77 Figura 34. Sello Flowserve GF-200. 85 Figura 35.
Sello John Crane 2874. 87 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Composición
Típica Del Petróleo Crudo. 25 Tabla 2. Principales Características
De Los Hidrocarburos Ligeros. 28 Tabla 3. Distribución De Arreglo
De Sello Mecánico En Bombas De Etileno. 37 Tabla 4. Fluidos
Amortiguador/Barrera. 42 Tabla 5. Datos De Servicio. 53 Tabla 6.
Resistencia Química De Los Elastómeros. 74 Tabla 7. Resistencia
química de caras. 74 Tabla 8. Grado De Toxicidad. 76 Tabla 9.
Planes API. 78 Tabla 10. Planes API Por Toxicidad. 79 Tabla 11.
Datos De Servicio De Estudio. 81 Tabla 12. Costo Inversión Inicial.
94 Tabla 13. Selección Del Tipo De Sello/Empaquetadura Y Planes. 96
Tabla 14. Suposiciones Financieras. 96 Tabla 15. Información del
equipo. 97 Tabla 16. Costos De Operación. 97 Tabla 17. Información
De Sello Mecánico. 98 Tabla 18. Tiempo De Vida / Tipo De Sello. 98
Tabla 19. Información De Empaquetaduras. 99 Tabla 20. Información
De Equipo Sin Sistema De Sellado. 100 Tabla 21. Información Del
Sistema De Soporte Al Sello Mecánico. 100 Tabla 22. Cálculos Del
Costo De Operación Anual. 102 Tabla 23. Costos Puntuales. 102 Tabla
24. Cálculos De Valor Actual. 103 Tabla 25. Costo De Ciclo De Vida
Estimado. 103 INDICE DE GRAFICAS Grafica 1. Gravedad Específica Vs.
Temperatura. 28 Grafica 2. Presión De Vapor Vs. Temperatura. 29
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INDICE DE ANEXOS Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10,
“PROCEDIMIENTO RECOMENDADO PARA SELECCIÓN DE SELLOS”
55
Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Categoría. 55
Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Tipo. 56 Anexo A API
682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Arreglo. 57 Anexo A API 682 3ª;
Hoja 3 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado En El Servicio.
NO-HIDROACRBUROS.
59
Anexo A API 682 3ª; Hoja 4 de 10. Selección Del Tipo De Sello,
Basado En El Servicio. HIDROACRBUROS NO VOLATILES.
60
Anexo A API 682 3ª; Hoja 5 de 10. Selección Del Tipo De Sello,
Basado En El Servicio. HIDROACRBUROS VOLATILES.
61
Anexo A API 682 3ª; Hoja 6 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan
De Ambientación API.
62
Anexo A API 682 3ª; Hoja 7 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan
De Ambientación API. NO HIDROCARBUROS.
64
Anexo A API 682 3ª; Hoja 8 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan
De Ambientación API. HIDROCARBUROS NO VOLATILES.
66
Anexo A API 682 3ª; Hoja 9 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan
De Ambientación API. HIDROCARBUROS VOLATILES.
68
Anexo A API 682 3ª; Hoja 10 de 10. Selección De Fluido Barrera /
Amortiguador.
70
Anexo C API 682 3ª; “Hojas de datos de sellos mecánicos” 53
Anexo 1, Simulador ““Costos Del Ciclo De Vida” Caso De Estudio.
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OBJETIVO. TENER LA METODOLOGÍA ESPECIFICA PARA LA PROBLEMÁTICA
EXISTENTE, EN LA INDUSTRIA PETROLERA PARA EL MANEJO Y USO DE
HIDROCARBUROS LIGEROS, ASI COMO EL SELLADO DE LOS MISMOS PARA
EVITAR DAÑOS AL FACTOR HUMANO Y MEDIO AMBIENTE. JUSTIFICACIÓN. EL
MANEJO DE HIDROCARBUROS LIGEROS COMO SON EL METANO, PROPANO Y
ETILENO, A TRAVES DE BOMBAS CENTRIFUGAS EN LA INDUSTRIA PETROLERA,
HACEN NECESARIOS, LA IMPLEMENTACION Y DESARROLLO DE SISTEMAS DE
SEGURIDAD PERSONAL Y PROTECCION AL MEDIO AMBIENTE, LO CUAL
DESARROLLA TECNOLOGIAS RECIENTES QUE MUESTREN EFICIENCIA Y
CONFIABILIDAD EN EL SELLADO. ALCANCE. LO DESCRITO ES UN DESARROLLO
METODOLOGICO, PARA LA APLICACIÓN Y USO DE SELLOS “SECOS” DE
DIAMETRO NOMINAL DE EJE DE 1.500”, EN TURBOMAQUINAS QUE MANEJAN
HIDROCARBUROS, EN LA INDUSTRIA PETROLERA PREFERENTEMENTE,
PROTEGIENDO AL PERSONAL OPERATIVO Y MEDIO 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 de 1940 se
desarrollo y patento el primer sello mecánico de fuelle
elastomerico, estos sellos revolucionaron la tecnología de sellado
y siguen siendo uno de los más usados en la industria del sellado.
En 1980 se desarrollo un parte aguas en la tecnología de sellado,
lo sellos de no contacto lubricados por gas, diseñados para
compresores centrífugos. Esta introducción revoluciono los
compresores de las estaciones de bombeo a través de ductos de todo
el mundo. En 1990 se aplico la tecnología de sellos de no contacto
a bombas de proceso que manejan líquidos peligrosos para el
ambiente. Aplicando esta tecnología a bombas estándar ANSI o API,
los usuarios fácilmente pueden cumplir y exceder las regulaciones
EPA para emisiones peligrosas. Esta tecnología es aplicada
exitosamente en aplicaciones donde la operación esta cerca del
punto de ebullición del producto a sellar. Servicios como el
nitrógeno liquido, argon y oxigeno encontrados en pipas de
almacenamiento y transporte, son sellados con sellos mecánicos de
fuelle metálico con tecnología de no contacto. Hidrocarburos
vaporizantes, también son sellados con esta tecnología. Las
aplicaciones diseñadas para manejar las condiciones de los
agitadores y mezcladores son significantes ya que la lubricación es
eliminada y la alta pureza del producto en el recipiente es
preservada. Los sellos de fuelle metálico proveen servicio a
condiciones de operación de temperaturas bajas o criogénicas y a
temperaturas muy altas. La tesis presente trata en el Capítulo 1,
las generalidades ò estado del arte del sellado en equipos de
proceso, aplicado en bombas centrifugas; el Capitulo 2, la
problemática en el manejo de hidrocarburos ligeros; el Capitulo 3,
la solución de sellado mecánico en hidrocarburos ligeros; el
Capitulo 4, estudio económico y finalmente las Conclusiones y el
trabajo futuro a realizar sobre esta temática.
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9
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 nuevas tecnologías para controlar emisiones, seguridad, y
confiabilidad. Los sistemas de sellado están disponibles, basados
en el método de lubricación a usar. Los tipos 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. Estos arreglos requieren de un sistema auxiliar para
la circulación del líquido barrera 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 es usado 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 para aumentar el “tiempo medio entre mantenimiento”
(MTBM), resultando en reducciones significantes en el costo de la
operación y el mantenimiento de los equipos. 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 sellos
aparecieron a principios de 1900. Antes de la invención de los
sellos mecánicos, la empaquetadura fue usada por miles de años para
sellar ejes rotantes a bajas velocidades. La palabra “sello” es
usada para describir gran variedad de dispositivos de sellado. Por
ejemplo, juntas, empaques toricos u o-rings, sellos de labio o
retenes, son comúnmente llamados sellos. En orden de distinguir
entre varios dispositivos de sellado usaremos “sello mecánico”.
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10
Los sellos mecánicos pueden ser encontrados en casi todas las
industrias. En la aeroespacial son usados para sellar las bombas de
propulsión. En la automotriz son usados en las bombas de agua para
sellar el refrigerante. En plantas petroquímicas sellan una
variedad de líquidos peligrosos y no peligrosos en bombas,
mezcladores y reactores. En muchas casas son usados en 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 de un eje rotante que entra a una cámara,
por ejemplo el de una bomba. La figura 1 lo muestra. Una forma
obvia de reducir la fuga es minimizando el claro existente entre el
eje y la carcasa de la bomba. Pero si hacemos el claro demasiado
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 que un 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 es llamado
“empaquetadura”. El espacio entre el eje y el cuerpo de la bomba es
llamado caja de estoperos.
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11
El uso de empaquetadura de compresión fue usado desde hace miles
de años. La primera empaquetadura fue hecha de lino y sebo.
Actualmente diferentes materiales son usados pero el concepto
básico es el mismo. La caja de estoperos es llenada de un material
elastico que forma anillos. Figura 2. Empaquetadura.
Estos anillos son comprimidos mecánicamente para reducir el
goteo. Las empaquetaduras pueden ser instaladas con pocas
herramientas. Es considerada generalmente como la inversión menor
en el control de emisiones. Con la empaquetadura, el fluido entra
en la caja de estoperos a través de la presión hidráulica. El
fluido circula debajo de los anillos de la empaquetadura y
eventualmente fuga al exterior al prensa estopas. Si menos fuga es
requerida, se aprieta el prensa estopas. Fuga visible es requerida
con las empaquetaduras, ya que esta fuga provee de enfriamiento y
lubricación. La empaquetadura se gasta y compensaciones se tienen
que hacer debido a la perdida de material. Conforme el uso la
prensa estopas es apretada. El apriete es constante y
verdaderamente arbitrario. Muchas fallas en las empaquetaduras son
debidas al calentamiento y desgaste excesivo como resultado del
sobre apriete del prensa estopas. Las empaquetaduras tiene varias
deficiencias como dispositivos de sellado. Ajustes constantes y
reempacado de las bombas consumen los recursos de los departamentos
de mantenimiento. Altos índices de inactividad son asociados a
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12
bombas con empaquetadura debido a la corrosión, problemas en los
rodamientos y refaccionamiento de los ejes. Bombas empacadas
incorrectamente consumen mayor potencia a diferencia de los equipos
sellados mecánicamente. De hecho un equipo empacado consume de un 2
a un 12% de la potencia total para vencer la fricción del la
empaquetadura. Los costos asociados al ajuste de empaquetaduras,
son los costos asociados al mantenimiento, perdidas de producto, y
consumo adicional de potencia. La agencia de protección ambiental
americana (EPA) ha hecho regulaciones en cuanto a los promedios de
fugas de fluidos comunes. Las empaquetaduras no cumplen con dichas
regulaciones y solo los sellos mecánicos proveen alternativas
viables. En la mayoría de los países industrializados las bombas de
proceso han migrado a sellos mecánicos. Aun existen mercados que
encuentran en las empaquetaduras una alternativa viable. La
decisión entre empaquetadura y sello mecánico puede ser hecha
revisando los beneficios y problemas asociados a cada uno. 1.2
Comparación Empaquetadura Y Sello Mecánico. EMPAQUETADURA
Ventajas:
• 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 MECANICOS Ventajas:
• 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 hombro provee una cara de
sellado y la pared de la bomba otra. La presión hidráulica forzara
a entrar líquido entre las caras y brindara una película de
lubricación, pero la separación de caras debe ser pequeña para
minimizar la fuga. El enfriamiento es proporcionado por el líquido
alrededor. Figura 3. Sellado Básico.
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14
La figura 4. Muestra un inconveniente de este diseño. Siempre
habrá movimiento del eje durante la operación. Este movimiento
puede reducir la separación de caras aumentando el área de contacto
y el desgaste, o puede incrementar la separación de las caras,
causando incrementos en la fuga. La fuga entre caras es provocada
por varios factores, pero la dominante es la separación de caras.
Una variación de apenas millonésimas de pulgada en la separación de
las caras puede causar cambios en la fuga. Desafortunadamente el
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 montando una de las caras del sello de forma flexible
de manera que pueda moverse axialmente. La figura 5 muestra un
sello mejorado. El hombro de sellado en ele eje fue removido y en
su lugar se reemplazo un componente que no esta rígidamente sujeto.
Este componente es llamado anillo primario. La cara del anillo
primario roza contra otro componente, el asiento. Ya que el anillo
primario y el eje son dos diferentes componentes un dispositivo
adicional de sellado debe ser usado para evitar la fuga entre el
eje y el anillo primario. El anillo primario flexible puede
compensar las pequeñas variaciones en el movimiento axial 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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15
Figura 5. Sello Mejorado.
La figura 6 muestra un sello mecánico completo, incluido un
asiento refaccionable, empaques, resortes, opresores, y herraje
adicional. El diseño de estos componentes puede variar
considerablemente dependiendo del servicio del sello. El arreglo y
orientación puede variar para cumplir con las necesidades de cada
industria y con el diseño de cada bomba.
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16
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 otros componentes
hacen el ensamble de “anillo primario”. El asiento y su elemento de
sellado secundario, hacen el ensamble de “asiento”. El anillo
primario esta hecho normalmente de carbón y el asiento de un
material mas duro, normalmente carburo de tungsteno, o carburo de
silicio. Ambas caras son “lapeadas” pulidas a una planicidad tan
precisa que debe ser dimensionada en bandas luz (una banda luz es
equivalente a 11.6 millonésimas de pulgada). Los fabricantes de
sellos mecánicos han investigado durante años el diseño de estas
piezas. El material y el diseño de las caras de sellado es a menudo
el elemento critico en servicios difíciles.
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La función básica del asiento es proveer una superficie plana y
lisa, para el sellado del anillo primario. Para mantener la
integridad de la superficie, debe contar con las siguientes
características: resistencia a la corrosión y al uso, buena
conductividad térmica, estabilidad, y tener un excelente acabado
superficial. Para prevenir movimiento adicional del sello mecánico,
el asiento es montado solidamente al cuerpo de la bomba, haciendo
lo más perpendicularmente posible un plano para el anillo primario.
Existen algunos diseños básicos de asientos. La figura 7 muestra
los más comunes. 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 y el 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 que estos se aprieten en su área confinada. El
elemento de sellado secundario para el asiento es siempre estático
axialmente, incluso aunque este se encuentre en rotación. Los
elementos de sellado secundario del anillo primario son descritos
como de empuje o no empuje en la dirección axial. El termino empuje
es usado cuando el elemento de sellado secundario es empujado hacia
a tras y hacia delante por el movimiento del eje o del anillo
primario. Un elemento de sellado secundario de no empuje es un
sello estático para el anillo primario como en la figura 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 y no empuje y estáticos. Los diseños de empuje usan
o-rings, cuñas, etc. Los de no 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
secundario son clasificados como de no empuje. Los fuelles son
referidos por su material y construcción: 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 en la sección frontal del anillo
primario. La sección frontal de estos fuelles tiene contacto mínimo
con el eje o la camisa, esto minimiza el desgaste. Además
proporciona una considerable área de sellado que compensa las
imperfecciones del eje. Los fuelles de teflón o de teflón cargado
con fibra de vidrio están diseñados para ambientes extremadamente
corrosivos. Debido a los requerimientos de flexibilidad, 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 fuerza mecánica de
cierre proporcionada por los resortes en otros arreglos, es
proporcionada por el esfuerzo del metal al comprimirlo.
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Cuñas – Las cuñas son normalmente fabricadas en Teflón. No
requieren de ajustes 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 requieren precarga
mecánica. Esta ventaja permite a los o-rings ser usados a altas
presiones. Los o-rings se ofrecen en un rango completo de
resistencia química y de materiales. Buna-N, Neopreno, Etileno
Propileno EPDM, Fluoroelastómeros, y Perfluoroelastómeros, son los
materiales estándar para una variedad de servicios y aplicaciones.
Los o-rings encapsulados tienen la resistencia química del teflón y
la flexibilidad del elastómero. Los o-rings encapsulados son
recomendados únicamente para aplicaciones estáticas. 1.5 Mecanismos
De Carga Y Arrastre. Arrastre – Un mecanismo de arrastre es
requerido por el torque creado entre las caras de sellado. Se
requieren mecanismos estáticos y dinámicos. El mecanismo estático
es requerido para mantener la posición axial y transmitir el
torque. El mecanismo dinámico transmitirá el torque y dará
flexibilidad axial al anillo 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 en ausencia 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
alambre más gruesa, lo que puede manejar mayor grado de corrosión.
Otra ventaja es que los sellos de resorte único no se atascan en
los fluidos viscosos. La desventaja de un resorte sencillo, es que
no provee de carga uniforme a las caras. También las fuerzas
centrifugas tienden a desenrollar las volutas. Los resortes únicos
requieren mayor espacio axial y tamaños específicos de resortes
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 mismo resorte puede
ser usado en varios tamaños de sellos, simplemente cambiando el
número de resortes. Los resortes múltiples resisten la fuerza
centrifuga en mayor grado que los resortes únicos, ya que las
fuerzas actúan diferente. La desventaja obvia es la sección delgada
del alambre. Esto hace a los resortes susceptibles a la corrosión y
al atascamiento.
-
23
Resortes De Onda – este tipo de resorte es un disco con ondas
que han sido formadas para proveer una carga mecánica. La principal
razón para usar estos resortes, es que requieren un espacio axial
mínimo. Por otro lado, herramientas especiales se requieren para su
maquinado. Además el templado limita los materiales a los que no
son resistentes a la corrosión, como los aceros inoxidables o el
Hastelloy. Cuando se usan resortes de onda, un gran cambio en el
diseño debe ser hecho por la deflexión del mismo. Esto es una
decisión entre perdida de fuerza u obtención de fuerza, y entre un
movimiento limitado axialmente. Fuelles Metálicos – El fuelle
metálico, es una combinación de resorte y elemento de sellado
secundario. Los fuelles formados son usados para disminuir la
cantidad de soldadura, sin embargo estos tienen mayor tamaño que
los soldados. El espesor de las volutas, debe ser seleccionado en
base a la resistencia química y la presión. La técnica de volutas
soldadas debe ser seleccionada 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 un cilindro que se ajusta sobre
el collar, el propósito original es proveer un fácil mantenimiento
y prevenir daños al eje asociados a los empaques. También son
usadas para proveer un escalón al sello mecánico y de esta forma
tener un balance hidráulico, y también para un ensamble cartucho.
Una camisa estándar es fijada y posicionada con un collar de
arrastre, los opresores y un o-ring estático al eje de la bomba. La
brida sostiene a los componentes estáticos del sello y conecta al
sello a la cámara del sello. La brida puede ser barrenada y
roscadas para proveer entradas de lavado y drenaje de sello y
otras. Los sellos mecánicos han evolucionado a diseños cartucho.
Esto significa que el anillo primario, el asiento y el herraje
auxiliar son puestos juntos en un solo paquete. El sello mecánico
es precargado y facilita el proceso de instalación.
-
24
Figura 12. Sello Cartucho.
-
25
Capítulo 2: PROBLEMÁTICA EN EL MANEJO DE HIDROCARBUROS LIGEROS.
2.1 La Industria Del Petróleo. La industria del petróleo es
definida y entendida como la encargada de la exploración,
perforación y extracción de crudo y gas, la transportación y la
refinación de los mismos. La industria del petróleo se divide en
dos segmentos: Extracción, Refinación. La extracción incluye ambos
productos gas natural y crudo de petróleo, tratamientos
preeliminares, transportación por ductos y embarcaciones, carga y
descarga en terminales. La refinación incluye la separación,
depuración y extracción 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 a base del carbón y del
hidrogeno. Una composición típica en el petróleo crudo es: Tabla 1.
Composición Típica Del Petróleo Crudo.
Elemento Símbolo % PesoCarbón C 84-87 Hidrogeno H 11-14 Azufre S
0-2 Nitrógeno N 0.2
Estos combinados en conjunto son llamados hidrocarburos y son
principalmente: parafinas, oleofinas y aromáticos. Mezclas de
compuestos ligeros del metano al butano forman la base del gas
natural. Este es encontrado en reservas a lo largo del mundo, el
gas natural una vez extraído debe ser tratado preliminarmente para
separarlo y reprocesarlo de forma que pueda ser transportado
seguramente. Procesos En La Industria Del Petróleo. Un número
básico de procesos son usados en la industria del petróleo, estos
son: Separación, Conversión, Purificación, Mejoramiento. Productos
Refinados Del Petróleo Crudo. Mientras que el consumidor promedio
piensa que las refinerías solo producen gasolinas y diesel, las
plantas petroquímicas y refinerías pueden producir más de 2300
productos, y estos crecen a medida que las refinerías se vuelven
más complejas, la demanda por combustibles limpios crece y las
industrias petroquímicas demandan diferentes productos de
alimentación. Los productos de una refinería varían dependiendo el
crudo de alimentación o la mezcla con la que se opere. Los
productos de una refinería pueden ser divididos en:
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26
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
tienen una 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 que son
gas a temperatura ambiente, estos comprenden:
• Etileno, es usado principalmente para la obtención de
polímeros, y como materia prima de los mismos.
• Etano, es usado en las refinerías como combustible, o como
alimentación a las plantas de producción de hidrogeno o etanol,
también es 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 las gasolinas para corregir su presión de vapor, también es
usado como alimentación en las plantas de alquilacion, o en la
fabricación del propileno.
El segundo grupo comprende los productos que pueden formar gases
a temperaturas 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 o sólidos a
temperaturas ambiente. Estos se dividen en 2 grupos:
• Gasolinas. • Destilados. • Residuos.
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27
No Hidrocarburos. Los productos que son catalogados como no
hidrocarburos, son los que incluyen azufre, sales, arena,
nitrógeno, metales pesados y agua. Por lo general estos 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 de
la mas alta ingenieria. Desde un punto de vista del desempeño, las
presiones, productos y temperaturas a ser selladas son similares,
tanto en extracción como en refinación. La otra característica
común en el mercado es la amplia variedad de 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 las aplicaciones mas
demandantes para los sellos mecánicos. En particular cuando estos
tienen un peso molecular tan bajo, estas aplicaciones requieren
especial atención en el diseño y la instalación. Los hidrocarburos
vaporizantes representan la clase de aplicaciones de baja
temperatura y de altas presiones en 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 CnHn. Debido
a que su punto de ebullición es menor que la temperatura ambiente,
estos son gases a temperatura ambiente, y es por esta razón que
para mantenerlos líquidos son comprimidos o licuados. En las
plantas de procesos son usualmente manejados 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/cm2A, lo que
significa que el etileno debe ser presionado por arriba de 38.63
kg/cm2A, en orden de mantenerlo liquido, por el otro lado la
presión de vapor puede ser reducida a 14.46 kg/cm2A, si disminuimos
la temperatura a -40 °C.
-
28
Tabla 2. Principales Características De Los Hidrocarburos
Ligeros. Producto Etileno Etano Propileno Propano ButanoFormula
C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H10 Peso Molecular 28.1 30.1 42.1 44.1 58.1
Punto 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
0.17 Gravedad especifica @ 0 °C 0.6 0.4 0.5 0.5 0.6 Viscosidad cP @
0 °C 0.045 0.05 0.05 0.15 0.07
Por lo general los hidrocarburos ligeros tienen pesos
moleculares bajos, bajas gravedades especificas, altas presiones de
vapor y baja viscosidad. Estas propiedades 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 al punto de
ebullición, el cual esta por debajo de la temperatura atmosférica,
lo que significaría que la fuga estaría en fase gaseosa, por lo que
la ignición pudiera ocurrir. Grafica 1. Gravedad Especifica Vs.
Temperatura.
°C
°F
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29
La gravedad específica decrece a medida que la temperatura
decrece, al igual que 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 condiciones de succión de una bomba deberían
estar relativamente a altas presiones, y bajas temperaturas. Las
condiciones y características de los sellos mecánicos dependen de
los detalles y condiciones de los equipos de bombeo, las
características de operación de los sellos mecánicos pueden verse
influenciadas por el arreglo y lavado de los mismos. Cuando un
sello mecánico trabaja adecuadamente, las emisiones son bajas, la
huella de trabajo en las caras (asiento, anillo rotatorio) es
pareja, concéntrica, y existe un ligero desgaste en ambos. De esta
forma las principales fallas de los sellos mecánicos en
hidrocarburos ligeros evidenciadas en las caras de contacto
son:
-
30
Contacto Cónico (Rotación Negativa): huella de trabajo profundo
en el asiento, cercano al diámetro exterior, el cual se va
desvaneciendo al diámetro interior. Posibles fracturas en el
diámetro exterior del anillo rotatorio. Los síntomas son: baja o
ninguna fuga a altas presiones, fuga remanente a bajas presiones
(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 el asiento, cercano al diámetro interior, el cual se va
desvaneciendo al diámetro exterior. Posibles fracturas en el
diámetro interior del anillo rotatorio. Los síntomas son: fuga
remanente cuando el equipo esta en operación. La causa posible:
alta temperatura en las caras. La corrección: enfriar y corregir el
flujo de lavado 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 la huella de trabajo, alto desgaste en el
anillo rotativo, con depósitos de carbón al lado atmosférico.
Posibles fracturas en el anillo rotativo. Los síntomas: fuga
remanente cuando el equipo se encuentra operando o estáticamente,
sonidos causados por vaporización en las caras (constante choque
por ir y venir). La causa posible: liquido de sellado vaporizando
en la fase de sellado. La corrección: verificar y corregir la
presión en la cámara de sellado para una correcta supresión de la
presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a los sellos, e
incrementarlo, revisar los datos de diseño vs. Los actuales. Figura
15. Desgaste Pronunciado.
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31
Deformación Térmica En Una Sección De Sellado: aproximadamente
1/3 de sección deformada térmicamente opuesto 180° a la entrada del
lavado a sellos en el asiento, alto desgaste del anillo rotativo
con posibles depósitos de carbón en 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 su
entrada, lavado a sellos distribuido ineficazmente. La corrección:
verificar y corregir la presión en la cámara de sellado para una
correcta supresión de la presión de vapor. Revisar el diseño de
lavado a los sellos, e incrementarlo, usar un sistema distribuido
en lugar de una inyección puntual, revisar los datos de diseño vs.
Los actuales. Figura 16. Deformación en una sección.
Deformación Térmica En Varias Secciones Del Sellado: una o
varias secciones deformadas térmicamente en el asiento, alto
desgaste del anillo rotativo con posibles depósitos de carbón en el
lado atmosférico. Principalmente en fluidos de baja gravedad
especifica, a altas velocidades y presiones. Los síntomas: fuga
remanente en operación o en estacionario, la fuga se da en forma de
vapor, sonidos causados por vaporización en las caras (constante
choque por ir y venir). La causa posible: liquido de sellado
vaporizando en la fase de sellado, flujo distribuido inadecuado a
las caras del sello mecánico. La corrección: verificar y corregir
la presión en la cámara de sellado para una correcta supresión de
la presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a los sellos, e
incrementarlo, usar un sistema distribuido en lugar de una
inyección puntual, revisar los datos de diseño vs. Los actuales.
Figura 17. Deformación En Varias Secciones.
-
32
Alto Desgaste Y Ranuras: gran desgaste en el asiento, el anillo
primario ha ranurado al asiento en 360°. Los síntomas: fuga
remanente con el equipo en operación o estático. La causa posible
baja a pobre lubricación del líquido sellado, común cuando ambas
caras son duras, abrasivos incrustados en la cara más suave. La
corrección: incrementar el enfriamiento en las caras, verificar que
no existan partículas abrasivas en el liquido de lavado, verificar
que 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 se advierten síntomas de falla, el equipo opera
adecuadamente y las emisiones son bajas o nulas. Debido a que
generalmente a los hidrocarburos ligeros se les sella a altas
presiones, los sellos mecánicos se ven sometidos a estas altas
presiones, lo que causa que en primera instancia y conforme el
desgaste ocurre que el anillo rotativo se deforme por efecto de
presión (rote negativamente), de esta forma el diámetro 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
hidrocarburos ligeros tienen muy malas propiedades lubricantes, se
genere mas calor por efecto de fricción, de esta forma el fluido de
lavado (generalmente el fluido a sellar) alcance su presión de
vapor en la interfase de sellado (vaya de alta presión y baja
temperatura a presión atmosférica y temperatura atmosférica) por lo
que el fluido súbitamente vaporiza entre las caras, las separa y se
permite una fuga mayor, al existir una fuga mayor hay mas liquido
entre las caras de sellado y estas se enfrían y lubrican
adecuadamente y hace que estas estén en un continuo ir y venir,
entre sellar adecuadamente y permitir fuga excesiva, 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
bombeo ocurre como fenómeno de cavitación.
-
33
Capítulo 3: SOLUCION DE SELLADO MECANICO EN HIDROCARBUROS
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 las condiciones 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
descarga maxima 1500 psi / 105.5 kg/cm2) y relativas bajas
temperaturas (temperatura minima -40 °F / -40 °C a 68 °F / 20 °C).
Las condiciones base para los sellos mecánicos, dependen de los
detalles y el diseño de los equipos de bombeo. Las condiciones
reales de operación en el equipo de bombeo pueden ser influenciadas
por el arreglo y lavado a las caras del sello mecánico. Para las
bombas de proceso horizontales cantilever de una sola etapa, la
presión en la cámara de sellado, es usualmente asumida como la
presión de succión mas el 15% de la presión diferencial. Esta regla
simple es usada cuando el impulsor usa anillos de desgaste
posteriores y orificios de balance, en orden de reducir la carga
axial en los baleros. Esta regla debe ser omitida para aplicaciones
de alta presión de succión como es el caso de los hidrocarburos
ligeros vaporizantes. Para estas aplicaciones los fabricantes de
bombas usan variaciones en el diseño, las cuales eliminan anillos
posteriores de desgaste y orificios de balanceo, para estas
aplicaciones especiales la presión de sellado en la cámara del
sello es muy cercana a la presión de descarga. En estos casos los
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 de succión y otra cámara de sellado
a una presión intermedia entre presión de succión y presión de
descarga, exceptuando las que cuenten con bujes de claro cerrado, y
de balance o línea de balance. Cuando los bujes se encuentran en
buen estado el resultado es que la cámara de sellado a presión alta
se encuentre 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 se incrementara. Las bombas de proceso horizontales
multi-etapas de barril, también cuentan con dos cámaras de sellado,
una cámara de sellado se encuentra a presión de succión, la otra a
presión de descarga. Dispositivos de balance de presión como los
bujes, tambores, pistones de balance y líneas de balance, reducen
la presión en la cámara de sellado a alta presión, la presión en la
cámara de sellado variara de 1.5 a 7.0 kg/cm2 por arriba de la
presión de succión.
-
34
Las bombas de proceso verticales multi-etapas, tienen una sola
cámara de sellado, y esta localizada cerca del flanco de descarga
de la bomba, y tiende a estar a presión de descarga, exceptuando
los efectos de un buje de claros cerrados o una línea de balance,
la presión se encontrara alrededor de 3.5 y 10.5 kg7cm2, por arriba
de la presión de succión. Estas condiciones dictan que aunque gran
variedad de bombas de proceso son usadas en servicios de
hidrocarburos ligeros vaporizantes. Las condiciones en los sellos
son regularmente cercanas a la presión de succión y no a las de
presiones de descarga. Por lo tanto se debe tener cuidado en la
selección del sistema de sellado (sello mecánico, arreglo, sistema
de lavado a sellos). Es esencial conocer la presión en la cámara de
sellado durante las diferentes fases de operación. Diseñar el sello
para operar con las condiciones de presión de descarga no es
suficiente. El fabricante del equipo de bombeo debe ser un
participante activo en el diseño del sistema de sellado, de esta
forma las condiciones 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
al ISO (International Standard Organization) 21049. “Sistemas de
Sellado Eje-Bomba Para Bombas Centrifugas y Rotantes”, que es la
norma de referencia internacional para el diseño y aplicación de
sellos mecánicos en equipos de bombeo. 3.2.1. Existen Tres Tipos
Principales De Sello Mecánico (4.1.3, API 3ª).
• Tipo A, sello balanceado, montado internamente, diseño
cartucho, sello de empuje con resortes múltiples y elemento
flexible rotante y elemento de sellado secundario elastomerico
(o-rings).
Figura 19. Sello Tipo A.
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35
• Tipo B, sello balanceado, montado internamente, diseño
cartucho, sello de no empuje (fuelle metálico) y elemento flexible
rotante y elemento de sellado secundario elastomerico
(o-rings).
Figura 20. Sello Tipo B.
• Tipo C, sello balanceado, montado internamente, diseño
cartucho, sello de no empuje (fuelle metálico) y elemento flexible
estacionario y elemento 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.
-
36
Nuevas Tecnologías De Sellado Son Consideradas Como Sigue:
• Sellos de contacto húmedo (CW contacting wet), donde las caras
no están diseñadas para crear fuerzas aerodinámicas o
hidrodinámicas que sustenten 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 o hidrodinámicas que sustenten un separación
especifica entre las caras de 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 dos
asientos.
• 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
Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes (ETILENO). Si bien los sellos
mecánicos sencillos y dobles son usados, en hidrocarburos ligeros
vaporizantes la gran mayoría son en arreglo “tandem” (uno tras otro
en serie, espalda contra cara). La tabla 3 muestra la distribución
de arreglos de sellos mecánicos, basado en 100 aplicaciones de
servicio de etileno. De la tabla 3, el arreglo de sellos mecánicos,
sencillos operan directamente en el etileno liquido, estos son
montados al interior de la cámara de sellado, con etileno liquido a
alta presión en el diámetro exterior del sello mecánico y aire a
presión y temperatura ambiental en el diámetro interior del sello
mecánico. El arreglo de los sellos mecánicos tandem, consiste en
dos sellos mecánicos sencillos en serie, 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
ilustraciones esquemáticas de dichos arreglos.
-
37
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 la cámara de sellado con
un lavado a sellos plan API 11. En este arreglo, la presión 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 medio ambiente, por el buje de claros
cerrados, si la conexión de lavado y venteo es usada, la gran
mayoría de la fuga será enviada a un sistema de recolección. Cuando
los sellos sencillos son usados en servicios de etileno, la
combinación de bajas temperaturas mas el efecto de refrigeración de
la caída de presión, a través de las caras del sello,
frecuentemente provocan hielo en el lado atmosférico del sello
mecánico. Esto efecto puede ocurrir incluso si la temperatura de
operación se encuentra por arriba de los 0° C. El congelamiento es
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 sello mecánico es difícil recuperarlo, para prevenir este
congelamiento vapor o una purga de nitrógeno seco son usadas en las
conexiones de lavado y drenaje del sello mecánico. Esto puede
eliminar o prevenir el hielo pero usar un arreglo tandem es mucho
mas efectivo. El fluido amortiguador de un sello mecánico tandem,
no solo excluye la humedad, si no provee una fuente adicional de
calor, que previene la formación de hielo.
-
38
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 usa dos sellos mecánicos
sencillos, el sello interno a la izquierda esta en el fluido
proceso, el sello externo o sello de contención a la derecha, esta
rodeado por un liquido amortiguador no presurizado. El sello
externo de un sello tandem provee 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 recipiente
contiene y provee el fluido amortiguador, es venteado a un
dispositivo o sistema designado, como un quemador a un sistema
recuperador de vapores. Cuando el sello proceso de un sello
mecánico en arreglo tandem fuga, la fuga se mezcla con el fluido
amortiguador, la mezcla es bombeada al recipiente por el anillo de
bombeo; si la fuga de proceso es gas, este se separa del fluido
amortiguador y sale del recipiente a través del venteo; si la fuga
proceso es liquido, este se mantiene mezclado con el fluido
amortiguador, en este caso el recipiente es usualmente
instrumentado de forma que una fuga significante del proceso puede
ser detectada, el sistema mas fácil usa una placa orificio en el
venteo y una alarma de presión en el recipiente. Normalmente existe
una válvula en la línea de venteo así el recipiente puede ser
aislado del sistema de venteo, si esta válvula se cierra (o si la
placa orificio se tapona) el recipiente se presionara. Para las
aplicaciones en hidrocarburos ligeros existen varias ventajas de
los sellos mecánicos en arreglo tandem, la mas obvia es que añaden
confiabilidad y seguridad, otra ventaja es que el fluido
amortiguador previene la formación de
-
39
hielo alrededor de los componentes del sello mecánico, también
mantiene a los elementos de sellado secundario lubricados y
flexibles. Y aunque ambos sellos, el sello sencillo y el sello
interno de un sello tandem operan directamente en el fluido
proceso, el arreglo tandem es el mas usado, preferido y recomendado
por los 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 por un 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 es circulado por un anillo de bombeo, también se muestra
como los sellos son
-
40
colocados espalda vs. espalda, no obstante este no es un
requerimiento de un sello doble. Un arreglo de sello mecánico
doble, incluye algunas de las ventajas de un sello mecánico tandem,
pero tiene la desventaja que adiciona complejidad al sistema, por
el sistema de presurización. En un sello mecánico doble, 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 pureza es esencial, cualquier fuga de fluido
barrera al etileno es considerada inaceptable. 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 hacia
abajo responsabilidad del vendedor. b. Normalmente abierto. c.
Si se especifica.
-
41
3.4 Fluidos Amortiguadores Y Barrera. El término fluido
amortiguador y fluido barrera, es usado para describir el
lubricante usado en los sellos. Un fluido amortiguador es usado en
sellos duales sin presurizar (sello mecánico tandem). Un fluido
barrera es usado en sellos duales presurizados con el fin de aislar
el líquido del equipo de bombeo del medio ambiente. La selección
del fluido apropiado es esencial para la operación confiable de los
sellos mecánicos tandem o dobles. Un fluido amortiguador/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 y de los sellos mecánicos han resultado en el
incremento de varios arreglos de sellos mecánicos. Esto combinado
con las restricciones de algunos componentes químicos, ha causado a
los usuarios y fabricantes de sellos mecánicos la revisión y
recomendación de los fluidos amortiguador/barrera, dando como
resultado que algunos fluidos comunes y tradicionales, ya no se
recomienden. Muchos fluidos amortiguador/barrera, tradicionales, no
son recomendados en aplicaciones criogénicas. Por ejemplo, los
aceites no pueden fluir adecuadamente a temperaturas bajas, las
soluciones acuosas se congelan. Algunos fluidos
amortiguador/barrera, que han sido usados con éxito en aplicaciones
de etileno, se muestran en la tabla 4.
-
42
Tabla 4. Fluidos Amortiguador/Barrera. Fluido Gravedad
Especifica @ 16 °C
Viscosidad @ 40 / 100 °C, cP
Punto de Ebullición °C
Punto de Congela-miento °C
Punto de Vaporización °C
Observaciones
Metanol 0.79 0.45 / 0.22 64.5 -100 11.1 Es VHAP Propanol 0.81
1.5 / 0.45 97.2 -126 15 Recomendado Etilen-glicol / Agua 50/50
1.07 2.5 / 0.8 104.5 -34.5 110 Es VHAP
Propilen-glicol / Agua 50/50
1.05 2.6 / 0.7 110 -40 98.9 Recomendado
Keroseno
0.8 1.4 / 0.6 176.5 -34.5 48.9 Propiedades típicas
Aceite Sintético de baja viscosidad
0.83 5 / 1 371 -62.2 232.2 Baja experiencia
Aceite lubricante ISO 32
0.88 28 / 5 232.2 -34.5 204.5 No recomendado.
3.5 Estándares API. Ni el API 610, ni el API 682, tienen
requerimientos específicos para aplicaciones de etileno, pero ambos
ofrecen guías. El API 610 desde la 8ª edición, pide que el 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 682 clasifica al etileno como un
hidrocarburo vaporizante y recomienda el uso de un sello tipo A. El
sello tipo A del API 682, es rotativo de empuje, de resortes
múltiples y usa empaques o-ring, como elemento de sellado
secundario, la cara es de carbón grafito, y el asiento de carburo
de silicio aglutinado por reacción. Para temperaturas de -40 °C a
-6.5 °C, se recomienda el Buna criogénico en los empaques, resortes
de Hastelloy C, y herrajes en acero inoxidable 316. El API 682, no
es especifico en el uso y recomendación de un sistema de sellado
para aplicaciones de Etileno, por lo recomienda que para cualquier
aplicación fuera de su alcance se desarrolle ingenieria especial de
sellado. Los sellos mecánicos lubricados por gas son de desarrollo
reciente en la tecnología de sellado para equipos de bombeo
rotativo. Estos proveen un mejoramiento a los sellos dobles. Una
gran cantidad de diseños y
-
43
configuraciones existen para cumplir con los requerimientos de
las diversas aplicaciones. El uso de sellos mecánicos lubricados
por gas en bombas de proceso se ha incrementado por una gran
variedad de razones, como: mejoramiento en el control de emisiones
(virtualmente cero emisiones), alta confiabilidad, minimizan la
generación de calor, y reducen el consumo de energía. Los sistemas
de soporte para los sellos mecánicos son mas sencillos y requieren
menos mantenimiento que los de sellado convencional, sin embargo
las aplicaciones requieren consideraciones especiales en cuanto a
la selección de un sello mecánico lubricado por gas en un equipo de
bombeo rotativo. Estas consideraciones son: la selección optima del
patrón topográfico de las caras de contacto, con el fin de generar
la separación adecuada, la selección adecuada del tipo y arreglo
del sello mecánico que mejor se adapte a las condiciones de
operación esperadas. 3.6 Sellos Mecánicos Lubricados Por Gas. Los
sellos mecánicos lubricados por gas, operan en un ambiente con un
fluido limpio y controlado y están diseñados para permanecer sin
contacto y sin desgaste en las caras de contacto, para las
condiciones de operación especificadas. Las caras del sello operan
con una película de gas como fluido barrera, regularmente en
arreglos de sellos duales presurizados, como se muestra en la
figura 25.
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44
Figura 25. Sello Mecánico Lubricado Por Gas.
1. Drenaje “normalmente cerrado” C. Indicador de Flujo 2.
Entrada de Gas “normalmente abierto”
D. Alarma de Flujo “alta”
3. Drenaje de Filtro “normalmente cerrado”
E. Alarma de Presión “baja”
A. Filtro coalescente F. Manómetro B. Regulador G. Válvula de no
retorno Los gases regularmente usados en sellos de gas incluyen el
nitrógeno, vapor de agua seco, aire purificado y otros gases
inertes. Una de las caras de contacto de los sellos mecánicos
lubricados por gas presentan un diseño ranurado, estas son mas
anchas que la de los sellos convencionales, están precargadas con
resortes menos fuertes. Estos cambios permiten la generación de
presiones hidrodinámicas que evitan el contacto solidó entre las
caras de sellado. Debido a que no existe contacto ni desgaste, los
sellos mecánicos lubricados por gas producen un desempeño constante
del sello mecánico, aun en las variaciones de operación, y aunado a
que reducen el consumo de energía por el nulo contacto entre caras.
Estos sellos generan menos calor que los sellos convencionales, el
gas se absorbe por las caras y se desaloja por las mismas por
efecto de expansión de los gases. Es primordial que las caras se
encuentren separadas por una película de gas barrera. Si las caras
llegaran ha hacer contacto el sello no durara tanto por el efecto
de corrida en seco.
-
45
3.6.1 Gas Como Fluido Barrera. Todos los gases tienen baja o
poca lubricidad, ¿por que creer que el gas lubrica las caras?, la
razón es que en algunas bombas de proceso el fluido proceso a
sellar puede ser volátil, no lubricante y sensible a los cambios de
temperatura, también puede polimerizar y calzar las caras del
sello, corroer los componentes de sellado y ser peligroso y toxico
para el medio ambiente. Los sellos de arreglo dual con fluido
barrera líquido, son comúnmente usados para resolver los problemas
citados. En las situaciones que el fluido barrera contamina el
fluido proceso, o que los costos son prohibitivos debido a que se
tiene que mantener un sistema de circulación que enfrié el sistema
del fluido barrera, el uso de gas como fluido barrera se vuelve una
elección viable. Un sistema de soporte al sello es usualmente
instalado, incluido un panel de control de gas con filtros
coalescentes que ayudan a minimizar la contaminación del fluido,
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
Alto 2. Filtro coalescente 7. Alarma de Flujo 3. Regulador 8.
Alarma de Presión 4. Manómetro 9. Válvula de no retorno 5.
Indicador de Flujo Normal 10. Conexión al sello
-
46
3.6.2 Separación Entre Caras En Sellos Lubricados Por Gas. Hay
muchas formas de generar una película de gas barrera. El principio
es usar ranuras que cambien de profundidad en la cara y permitan
comprimir el gas y generar cambios de presión. Variaciones de estos
diseños se muestran en la figura 27, incluidas cuñas, ranuras en
espiral, caras onduladas y otras. Todas han demostrado capacidad en
el control del gas y la generación de presión que separe 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 sellos mecánicos lubricados
por gas usan una gran variedad de la combinación de estas presiones
“hidrodinámica e hidrostática”, con el fin de maximizar la
protección de las caras de contacto. La mayoría usa carbón
grafitado de material para el anillo primario, y corre contra un
asiento de carburo de silicio o carburo de tungsteno, lo que ayuda
a la vida de los sellos en tiempos cortos de contacto, y en
condiciones transitorias o de emergencia. Para aplicaciones de alta
presión, el anillo primario es usado en material de carburos, lo
que adhiere ventajas debido al alto modulo de young y de
dureza.
-
47
Figura 28. Separación De Caras.
3.6.3 Promedios De Emisión Y Consumos De Gas Barrera Aceptables.
El promedio de consumo de gas es bajo, este se mide en SCFH (pie
cúbico estándar por hora), predecir un consumo actual versus el
consumo teórico es bastante complicado ya que el consumo es
sensible a las variaciones en la manufactura así como del modelo
teórico, es mucho mejor usar el consumo inicial 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 es necesario
contactar con el fabricante del sello mecánico, en orden de revisar
el mismo. La presión del gas barrera suplido es típicamente 30 PSIG
por arriba de la presión de proceso, como regla solo 1/3 del gas
barrera será consumido por el sello interno y se ira al proceso. La
entrada de gas barrera al proceso no es un problema ya que el
fluido proceso lo lleva a través de los procesos y lo ventea en
algún punto, sin embargo para un sistema cerrado el fabricante y el
usuario deben determinar si el gas se acumulara en algún lugar y
ocasionara problemas operacionales como cavitacion o engasamiento,
lo cual puede dañar los equipos de bombeo.
-
48
3.6.4 Características De Operación. El espesor de la película de
gas barrera puede variar conforme las condiciones de operación, los
usuarios necesitan proveer los detalles de los ciclos de servicio
esperados, no solo las condiciones máximas de presión y velocidad,
de esta forma los fabricantes puedan asegurar la confiabilidad del
sello a través de todas sus fases de operación. Dado que los sellos
mecánicos lubricados por gas no sufren desgaste, no sufren de ciclo
de histéresis, es decir el consumo solo depende de las condiciones
de operación actuales y no del histórico de operaciones. Cuando los
sellos se contactan y operan en seco, generan polvo de carbón, el
cual puede ser visto en el testigo de fuga, o en el alojamiento del
sello en la brida. Alta temperatura en las bridas puede ser
evidencia de operación en seco en el sello externo, si ambas
señales son vistas los equipos deben salir de operación y los
sellos mecánicos deben repararse. Bajo una condición adversa, ya
sea alta presión en el proceso, o pérdida de presión en el gas
barrera, la mayoría de los sellos mecánicos, están diseñados para
operar con reversiones de presión, lo que provocara que las caras
entren en contacto previniendo que el fluido proceso fugué al gas
barrera y a la atmósfera. Tras la operación en condiciones adversas
y dependiendo de las condiciones, el sello mecánico podrá regresar
a operar normalmente, de lo contrario se tendrá que contactar con
el fabricante. La medición de consumo de gas barrera con el equipo
estático será de gran ayuda para diagnosticar la severidad del
daño, si es que existe. 3.6.5 Problemas Potenciales. Un problema
común encontrado en los sellos mecánicos lubricados por gas es la
perdida de presión en el suministro del gas barrera. Esto puede
ocurrir cuando la presión del gas baja más allá del punto
preestablecido o cuando la presión del proceso se incrementa más
allá de lo establecido. Como los sellos tienen muy poca presión de
cierre dada por los resortes, el arrastre provocado por las caras
puede romper los resortes, el empaque dinámico es crítico en cuanto
a la confiabilidad del sello y debe ser el adecuado para garantizar
el buen desempeño del equipo, si este se encuentra en un ambiente o
fluido sucio, puede causar la acumulación de sólidos y por
consiguiente fricción y arrastre y provocar la falla en el sello
mecánico. Dispositivos de exclusión de sólidos deben ser
incorporados para prevenir la acumulación de sólidos en el área de
los empaques.
-
49
Los empaques elastomericos, tienen generalmente bajos limites de
temperaturas, mas allá de estos limites, otros materiales y diseños
deben ser considerados como los de los sellos con fuelle metálico.
En algunas ocasiones los sellos de fuelle metálico son usados para
evitar el arrastre que provoca que los 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 lo
diseñado, esto provocara un gran consumo o fuga del gas barrera,
pero no dañara las caras del sello mecánico. Ya que el liquido haya
pasado por las caras del sello mecánico, el sello regresara a
operar normalmente, siempre y cuando 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 para
generar fuerzas hidrodinámicas las cuales separen las caras, cuando
el equipo se encuentre en rotación. Estas fuerzas son
proporcionales a la velocidad rotativa del eje. Los patrones
topográficos de las caras están diseñados para ofrecer un desempeño
óptimo entre las velocidades de eje especificadas. La película de
gas entre las caras puede ser significantemente reducida si el
sello mecánico es operado a velocidades por debajo de los limites
de diseño y especificados. Las velocidades de operación normal se
encontraran entre las del rango de diseño, sin embargo condiciones
de velocidades bajas transitorias pueden ocurrir en los paros y
arranques de los equipos, especialmente en equipos con conductores
de frecuencia variable. Las aplicaciones de alta temperatura
también aplican paradas paulatinas en el equipo, con el fin de
evitar daños en el mismo. Los equipos con turbinas de vapor como
conductor, son corridos a bajas velocidades durante tiempos
prolongados con el fin de evitar daños en las mismas. Los sellos
mecánicos lubricados por gas pueden operar exitosamente inclusive
en dichas condiciones de servicio. El patrón topográfico puede ser
modificado para operar mayoritariamente con fuerzas hidrostáticas y
minoritariamente con fuerzas hidrodinámicas, esto puede ser
efectivo en aplicaciones de corridas lentas, pero el consumo de gas
barrera se vera incrementado. Otra solución es el uso de caras
duras (carburo de silicio o carburo de tungsteno), el cual minimiza
el desgaste cuando ocurran corridas lentas, actualmente esta
incursionando en la industria el uso de recubrimientos de diamante
artificial en las caras de los sellos mecánicos.
-
50
3.6.7 Sentido De Rotación. La mayoría de los patrones usados en
las caras son diseñados para crear fuerzas hidrodinámicas, las
cuales separen las caras y esto es regularmente solo 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 problema alguno ya que los equipos de bombeo solo giran en
un sentido. Sin embargo hay algunos equipos los cuales cuentan con
arreglos en la descarga los cuales permiten el regreso de alguna
cantidad de producto en las paradas, esto puede causar que el
impulsor gire en sentido contrario, y por lo tanto el sello también
y cause que las caras se contacten. La mayoría de los sellos
mecánicos lubricados por gas permiten el trabajo en seco provocado
por reversiones de presión, sin embargo si las condiciones serán
persistentes el diseño de un sello especial se tiene que tomar en
consideración. La topografía de un sello unidireccional se puede
cambiar para confiar más en las fuerzas hidrostáticas que en las
hidrodinámicas, esto con el fin de generar una separación adecuada
de caras y mejorar el desempeño, esto incrementara el consumo del
gas barrera. Topografía bidireccional puede ser usada para separar
las caras, sin embargo esta generara una separación menor, lo que
permitirá un potencial contacto de las 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 sellos mecánicos, estos pueden ser problemáticos en
las aplicaciones de sellos lubricados por gas. Los sólidos pueden
estar presentes en el proceso o ser disueltos o cristalizados entre
el sello interno y el externo, lo que puede causar problemas en el
desempeño 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 el patrón topográfico,
aumenta el efecto como se muestra en la figura 29. En las
configuraciones donde el proceso fluido se encuentre en diámetro
interior del sello interno, las fuerzas centrifugas ayudaran a la
migración de los sólidos hacia la separación de caras.
-
51
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 son normalmente 50 % menos en
los resortes de sellos lubricados por gas. Esta baja fuerza es
usada para prevenir el contacto de las caras, debido a este factor
los sellos lubricados por gas son susceptibles al atascamiento de
los empaques secundarios, esto ocurre cuando los empaques no pueden
moverse axialmente restando flexibilidad al conjunto. El
atascamiento se puede dar cuando el sello se desplaza axialmente
hacia fuera con respecto del asiento, lo que resulta en un consumo
excesivo del gas barrera, o cuando el sello se desplaza axialmente
hacia a dentro con respecto al asiento provocando un contacto.
Figura 30.
-
52
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 para un equipo de bombeo
rotativo, cuando se conoce que existen sólidos en el proceso, un
logro es prevenir que los sólidos entren a la cavidad de sellado.
Esto puede ser alcanzado usando dispositivos de exclusión de
sólidos instalados al interior de la cavidad de sellado. Estos
dispositivos incluyen los parecidos a volutas los cuales convierten
el movimiento rotacional del equipo en movimiento axial del fluido,
sacando el producto proceso y sus sólidos afuera de la cavidad de
sellado. Las configuraciones con el producto proceso en el diámetro
exterior de los sellos mecánicos ayudan a reducir la migración de
los sólidos a la película de sellado. Otros diseños usan
dispositivos de restricción en la cámara de sellado, tales como los
sellos laberinto. El plan API 32, también puede ser usado con el
fin de prevenir la entrada de sólidos al sello mecánico, esto con
la ayuda de un buje de restricción en la cavidad de sellado y la
inyección de un fluido limpio y compatible con el proceso.
Dispositivos de sellado secundario son diseñados con el fin de
evitar atascamiento de los empaques, estos diseños minimizan el
arrastre de los empaques cuando se mueven axialmente, estos también
minimizan la acumulación de sólidos del lado proceso, estos diseños
controlan el apriete de los empaques de forma radial usando
resortes en voladizo o resortes de onda, para cargar las
superficies del empaque contra las superficies del sello.
-
53
Los sellos mecánicos lubricados por gas incluyen sellos de
fuelle metálico, el uso de sellos de fuelle metálico elimina el uso
de empaques tipo o-ring, y por lo tanto su atascamiento. 3.7
Selección De Sellos Mecánicos. La selección de un sello mecánicos
apropiado para cada aplicación engloba, las diferentes
características del producto a bombear y las condiciones de
operación requeridas por el cliente. En general los pasos a seguir
para la selección adecuada de un sello mecánico son:
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 de
tipo 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 operacionales proporcionados, 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 Flamable45 Tipo o Nombre
: Conc'n : % Fluido Sólido @ Ambiente46 Contaminante Disuelto H2S
Húmedo Solidif ica @ : °C Punto de Flujo Mínimo : °C47 Cl2 Otro
Producto Solidif ica por Esfuerzos Cortantes48 Contaminante Sólido
Producto con Agentes que Polimerizan49 Concentración (% peso o PPM)
: Especif icar Agentes : @ Temp : °C50 Temperatura de Bombeo
Producto puede Descomponerse51 Min : °C Normal : °C Max : °C
Especif icar Condiciones :52 Gravedad Específica a la Temperatura
Indicada Producto Regulado para Minimizar Emisiones Fugitivas u
Otro Tipo53 @ Temp. Normal : @ Temp Max : Nivel de Regulación :
ppmv54 Presión de Vapor a la Temperatura Indicada Procedimientos
Especiales de Limpieza55 @ T. Normal: kPaa (kg/cm2 a) @ T. Max :
kPaa (kg/cm2 a56 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 f luido de lavado es el producto, no
se requiere ésta información]59 Tipo o Nombre : Conc'n : % Presión
de vapor a la Temperatura Indicada 60 Se Requiere Revision del
Sello por Fabricante @ Temp. Normal : @ Temp Max :61 Temperatura
del Fluido Punto de Burbuja Atmosférico62 Min : °C Normal : °C Max
: °C Viscosidad @ Temp Normal de Bombeo :63 Gravedad específica a
la Temperatura Indicada Rango de Flujo Req'd Max / Min /64 @ Temp
Normal : °C @ Temp Max : °C Presión Req'd Max / Min /
Datos del Fluido (Para Datos de Fluido de Enfriamiento,
Amortiguador y Barrera, Ver Página 3)
ppm
ppm @ ppm
°C
Pas (cP)
°C
°C
kPam (kg/cm2 m)
Pas (cP)
m3 / s (m3 / h)
°C
-
54
4
5 Medio de Enfriamiento Temperatura de Suministro Max / Min : /
°C6 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) : °C12 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 del Fluido (Datos del Fluido de Enfriamiento, Buffer y
Barrera, 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, de
acuerdo 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
gravedad especifica, temperatura, presión de vapor, conforme a la
figura 31 “preselección del tipo de sello”. Figura 31. Preselección
Del Tipo De Sello.
Caso Estudio
-
55
ANEXO A, API 682 3ª EDICION. HOJA 2 DE 10. PROCEDIMIENTO
RECOMENDADO PARA SELECCIÓN DE SELLOS RESUMEN 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.
-
56
HOJA 2 DE 10 (CONTINUACIÓN) DEL ANEXO A DE API 682 3ª EDICION.
Los tipos de sello pueden ser Tipos A, B o C como se especifica.
Las principales características de cada Tipo de sello 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 Tipo.
-
57
HOJA 2 DE 10 (CONTINUACIÓN) DEL ANEXO A DE API 682 3ª EDICION.
Los Arreglo de sello pueden ser Arreglo 1, 2 o 3 como se
especifica. Las principales características de cada Arreglo 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 Arreglo.
-
58
HOJA 3 DE 10 Selección Del Tipo De Sello, Basado En El Servicio.
NO-HIDROACRBUROS. Están divididos en subgrupos:
• Agua. • Aguas amargas. • Cáusticos. • Aminas. • Fluidos que
cristalizan. • Ácidos (Acido sulfúrico, Acido hidrocloridrico y
Acido fosforito).
Acido hidrofluoridrico y gases de acido nítrico son excluidos de
estos procedimientos de selección. Aguas amargas El agua contiene
sulfuros de hidrogeno (H2S) y puede contener sustancias toxicas
peligrosas al medio ambiente. Esta agua puede contener amonia. El
uso de sellos secundarios debe ser considerado. A altas
concentraciones estas aguas pueden vaporizar. Aminas (Etanolaminas)
Estas se encuentran generalmente en concentraciones de alrededor de
20 al 50% en agua, y son usualmente para remover o separar sulfuro
de hidrogeno y/o dióxido de carbono de los hidrocarburos. Las
aminas comúnmente usadas son:
• MEA (Monoetanolamina) • DEA (Dietanolamina) • TEA
(Trietanolamina) • MDEA (Metil Dietanlamina) • DGA (Diglicolamina)
• DIPA o ADIP (Diisopropanolamina)
Las aminas pueden cristalizar y las aminas ricas pueden tener
una alta cantidad de ags disuelto. En el caso del H2S, puede
contener sustancias toxicas, entonces un sello de respaldo debe ser
considerado en estas aplicaciones. Las aminas pobres tienen una
significante cantidad de gas. Las aminas ricas pueden ser
consideradas como hidrocarburos que vaporizan.
-
59
Cáusticos Las cantidades de cáusticos en refinería son alrededor
del 20-50% en soluciones acuosas, aunque existe en el 50% de las
soluciones. Los materiales para su construcción deben ser
cuidadosamente considerados. Ácidos (Sulfúrico, Hidrocloridrico y
Fosforito) La corrosión de los ácidos esta en función de la
temperatura y concentración. Los materiale