Introducción a los sellos mecánicos

Introducción a los sellos mecánicos

Los sellos mecánicos sirven para evitar la fuga de fluidos o gases hacia la atmosfera de diveros equipos rotativos. Éstos equipos rotativos más comunmente conocidos por nosotros, son las bombas centrífugas, bombas de desplazamiento positivo (a engranajes, álaves, lobulares, a tornillo), compresores, etc. Pero hay varios tipos de equipos rotativos que poseen sellos mecánicos.
Generalmente utilizamos un conjunto de sello mecánico, denominado sello mecánico simple. Tiene su limitante: temperatura, presión, proceso. Todo sello está compuesto por tres puntos de sellados: sello primario, aquel formado por la pista rotativa y la pista estacionaria), sello secundario, aquel sello efectuado por los O'rings dinámicos y sellos terciarios, los efectuados por O'rings estáticos o juntas.

Un sello mecánico simple, tiende a tener limitantes para su uso. Algunos de estos factores limitantes son, temperatura, sólidos, presiones, inestabilidad del proceso (posible funcionamiento en seco, posible vaporización, etc), y otros simplementes por cuestiones ambientales.

Cuando algunos de estos factores se presentan, ya sea en forma individual o en forma conjunta, generalmente pensamos en migrar de un sello mecánico simple, a un sello mecánico doble. El sello mecánico doble, nos permite, regulando la presión y temperatura de la barrera (el fluido de barrera) operar en distintas aplicaciones en dónde se presentan los factores anteriormente nombrados, logrando así una solución de sellado.

¿Por qué?
Principio de funcionamiento de un sello mecánico

El sello mecánico está compuesto por diversas partes, a saber: pista rotativa, pista estacionaria, unidad de compresión, elastómeros (O'rings) o cuñas o fuelles, juntas.
La pista rotativa trabaja friccionando contra la pista estacionaria. El formato de un pista consiste en una superficie totalmente plana, a saber, 6 milésimas de rugosidad en su superficie de trabajo (cara lapidada a dos banda luz) que trabaja contra otra superficie, también totalmente plana.
Si no existiera una lubricación entre éstas dos superficies, la cual llamamos ""película interfacial"", las dos superficies (pista rotativa y pista estacionaria) entran en contacto perdiendo así su planitud perfecta. Por lo tanto, consecuentemente, comienza la fuga.

Esa lubricación, generalmente nos la brinda el propio proceso bombeado. Por tal motivo, cuando el propio proceso bombeado es un producto apto para lubricar, a saber, no contiene sólidos, no vaporiza, es constante (no hay riesgo de que se corte), no está en exceso de temperatura (lo que producirá su vaporización), y no es tóxico (éste último por cuestiones de salud y preservar el medio ambiente), podemos utilizar sin problema alguno, un sello mecánico simple.

En el caso que el proceso no nos pueda brindar la lubricación recomendada, o bien represente un riesgo para el medio ambiente o salud, debemos pensar en la selección e instalación de un sello mecánico doble.

¿Qué necesitan los sellos mecánicos para una larga vida útil?

• Necesitan estar lo más refrigerado possible
• Necesitan una Buena lubricación
• Película interfacial limpia entre las caras
• Película interfacial estable

Tan importante como los materiales de las pistas, son los materiales de los elastómeros u O'rings. Cuando evaluamos los materiales a utilizar para el sellado de un proceso, buscamos materiales compatibles y que no sean atacados por el proceso bombeado. Igualmente sucede con los O'rings.

Tipos de pistas

• Pista estacionaria: es la pista o cara de sello, la cual no gira en conjunto con el eje. Generalmente es la pista que se encuentra ""anclada"" en la brida del sello mecánico, housing, o en la placa prensa de una bomba.
• Pista rotativa: es aquella que gira solidariamente con el eje. Generalmente son las pistas ""ancladas"" al eje, ya sea con un O'ring, un perno, tornillos, camisa, impulsor, etc. 
• Pista insertada: son aquellas pistas las cuales tienen un anillo de material, ya sea Carbón, Carburo de Tungsteno, Carburo de Silicio, u otro material, insertado en una pieza de acero inoxidable, o de otra metalurgia. Hay pistas insertadas en ""housing"" de Titanio, Hastelloy C, etc (aleaciones exóticas).
• Pistas monolíticas: son aquellas que son fabricadas en un mismo material. Por ejemplo, una pista monolítica de carburo de silicio, es una pista totalmente fabricada en carburo de silicio, y no, por ejemplo, una pista de acero inoxidable con un anillo de carburo de silicio insertado.

La ventaja del uso de una pista monolítica, es que eliminamos un posible punto de fuga entre el inserto y la carcasa en dónde es insertada. En otras ocasiones, generalmente en aplicaciones en donde el proceso tiende a solidificarse, o es muy viscoso, en ocasiones es preferible utilizar una pista insertada y no monolítica, con el fin de que el esfuerzo mecánico que se transmite en los puntos de anclaje de las pistas es de un material no frágil, por lo tanto no quiebra la pista (por ejemplo, sí podría suceder en pistas monolíticas de carburo de silicio, material de mayor dureza, pero de gran fragilidad).

Unidad de compresión

La unidad de compresión puede ser multiples resortes (conocido como multiresorte), un sólo resorte (monoresorte), fuelle metálico (fuelle de álaves metálico), arandelas onduladas (wave spring). La unidad de compresión (más la presión del proceso) es la encargada de mantener juntas a la pista rotativa con la pista estacionaria para lograr el sellado del equipo, sobre todo cuando el equipo se encuentra apagado, o bien en aplicaciones en las cuales las presiones son casi nulas. Técnicamente, cuando un equipo está en funcionamiento, la presión ejercida por el propio proceso bombeado tiende a mantener el sello ""cerrado"". Todo sello mecánico tiene un largo de trabajo, el cual debe ser respetado. El largo de trabajo consiste en cuántos mm el sello tiende a comprimirse una vez instalado. Ese largo de trabajo debe ser establecido por el fabricante y debe ser respetado. Si sobre-comprimo un resorte, estaré ayudando a que la película interfacial entre las pistas desaparezca, mientras que si no lo comprimo suficientemente, estaré logrando fugas, sobre todo en su punto de reposo.

Fuerzas de cierre (presión de la unidad de compresión + presión de proceso) mantienen las pistas del sello una contra la otra
Pequeñas fuerzas de apertura permite al fluido bombeado migrar entre las pistas del sello (película interfacial). Éste líquido es crítico para la performance del sello mecánico. Provee la lubricación y refrigeración.

Existen diversos diseños de unidades de compresión, con distintas prestaciones. En lo que hace a fuelles metálicos, generalmente son utilizados en proceso de alta temperatura, con el fin de eliminar el elastómero dinámico (elastómero el cual sellaría contra el eje o la camisa del sello).

Sellos multiresortes

De múltiples resortes. Los hay con resortes en contacto con el proceso (no es el mejor diseño ya que suelen trabarse debido al alojamiento de proceso entre los álaves del resorte), o de diseño de fuera de contacto con el proceso (logrado por un O'ring que no deja ""ingresar"" proceso al área de los resortes).

Multiresorte (resortes en contacto con el proceso):

Multiresorte (resortes fuera de contacto con el proceso)

Sello Monoresorte:

Sello ""Wave Spring"":

Sello mecánico del tipo rotativo / sello mecánico del tipo estacionario

Es muy fácil diferenciar un sello mecánico tipo estacionario de un sello mecánico del tipo rotativo. El sello mecánico rotativo es aquel en la cual, la unidad de compresión gira en conjunto con el eje. Un sello estacionario es aquel en el cual, la unidad de compresión, se encuentra en la parte estática del sello. Generalmente, los sellos estacionarios soportan mayor presión que los sellos rotativos, debido a que los resortes no se encuentran expuestos a las fuerzas centrífugas.

Selección de un sello doble

Tal como mencioné arriba, para un correcto funcionamiento de un sello mecánico, debemos proveer un fluido interfacial que nos permita proveer una correcta lubricación y refrigeración a las pistas del sello. Cuando no podemos lograr este punto con el fluido bombeado, o bien si debemos garantizar 0 fugas a la atmósfera, debemos seleccionar e instalar un sello mecánico doble, con el fin de poder proveer un fluido de barrera que nos proporciona lubricación y refrigeración.

Partimos de la base que todo sello mecánico pierde PPM (partes por millón) hacia la atmósfera, en su proceso de lubricación y refrigeración. La película interfacial, a medida que va atravesando las pistas, proveyéndoles lubricación y refrigeración, llega un punto en que PPM se ""escapan"" hacia la atmósfera. Por tal motivo, en procesos tóxicos, inflamables, en donde estas PPM no pueden ser admitidas, también debemos instalar un sello doble.

Por lo tanto, un sello mecánico doble está compuesto por dos sellos. Un sello (lado interno) que estará en contacto con el proceso bombeado, y un segundo sello (lado externo) el cual funcionará sólo con el fluido de barrera.

Supongamos que el proceso es agua, a temperatura ambiente, pero debido a que contiene mucho sólidos en suspensión (lo cual lo convierte en un fluido abrasivo y no es apto para lubricar), debemos utilizar un sello doble. Instalamos el sello doble. El fluido de barrera obligatoriamente debe estar operativo, caso contrario, el sello mecánico externo, quedaría sin lubricación y refrigeración, logrando la falla prematura del sello. El sello mecánico interno, podría ""subsistir"" con el fluido bombeado, pero también fallaría prematuramente debido a los sólidos en suspensión.
En este caso puntual, en donde instalamos un sello doble debido a que el fluido bombeado contiene sólidos en suspensión, debemos considerar presurizar el fluido de barrera, a 1 bar por encima de la presión que tenemos en la caja prensa de la bomba, para que sea éste el que nos provea la lubricación (película interfacial) en el sello mecánico interno. Al estar a mayor presión que la del proceso, el fluido de barrera vencerá al proceso e ingresará entre las caras del sello interno, proveyendo una película interfacial estable (en este caso limpia).
En el caso, por ejemplo, que instalemos un sello mecánico doble por cuestiones de temperatura, podríamos presurizar o no la barrera. Si no la presurizamos, tengamos en cuenta que producto bombeado será quien nos lubrique el sello interno, y el fluido de barrera, en este caso, nos proveerá refrigeración.
En el caso que instalemos un sello mecánico doble por cuestiones ambientales, tengamos en cuenta, que si no presurizamos el fluido de barrera, PPM del proceso se mezclarán en la barrera, y habrán PPM de mezcla de fluido de barrera + proceso, que, al atravesar las pistas externas proveyendo lubricación y refrigeración, se liberarán hacia la atmósfera.

Importante:
El fluido de barrera debe:
1) ser compatible con el proceso.
2) estar a temperatura adecuada, ya sea para refrigerar o calentar -en algunos de los casos-, el proceso.
3) ser limpio (evitar fluidos que generen cristales, como el agua dura).

Por ejemplo, en bombas de aceite vegetal caliente, utilizamos un sello doble, con fluido de barrera para lubricar y refrigerar. Éste fluido de barrera, generalmente es glicerina, compatible con el aceite.

Otros motivos importantes, para el uso de sellos dobles, son en aquellos fluidos que pudieran cristalizar o carbonizar. Por ejemplo, la soda cáustica es un fluido que cristaliza en contacto con la atmósfera. Si utilizamos un sello mecánico simple, las PPM que serán emanadas hacia la atmosfera, comenzarán a cristalizar alrededor del sello, y éstos cristales también comenzarán a producirse entre las pistas del sello, provocando la fuga del proceso y repitiéndose este fenómeno como una reacción en cadena (cada vez fugará más, cada vez se formarán más cristales los cuales provocarán mayor fuga, mayor formación de cristales, etc, etc). En este caso, lo resolvemos, instalando un sello mecánico doble con una barrera presurizada.

Empaquetadura vs. Sellos mecánicos

La empaquetadura

• Daña el eje o camisa de la bomba (se la debe comprimir para sellar).
• Genera un 50 % más de consumo energético debido a la fricción que se produce contra el eje (frena el eje)
• Se degasta rápidamente
• Siempre debe fugar, para lubricarse y refrigerarse
• En buenas condiciones (recién instalada) fuga 25 gotas por minuto, lo cual genera 36.000 gotas días
• Se requiere constante Mano de Obra, para reajuste y recambio de los anillos.
• Produce daño de rodamientos debido a que pierde constantemente hacia la caja de rodamientos
• Produce áreas sucias, corrosión de las bases de las bombas, etc

El sello mecánico

• No produce fricción contra el eje. Gira en conjunto con el eje
• Genera un 50 % de ahorro energético
• No daña el eje/camisa de la bomba
• No pierde (salvo las PPM)
• No se requiere ajuste consecutivo, por lo tanto, una vez instalado, no se requiere mano de obra
• Nos permite, por medio de diversos sistemas y sensores, un monitoreo preciso del sistema de sellado