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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRÍCA

ANALISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE DISPOSITÍVOS DE SELLADO EN EQUIPOS DE BOMBEO, COMPRESIÓN Y VALVULAS

EN PROCÉSOS INDUSTRIALES

MEMORIA DE EXPERIENCIA PROFESIONAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA: JESUS BLANCARTE RÁVIELA

MÉXICO, D.F. 2005

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A MIS PADRES: Maria Luisa y Domingo quienes siempre me alentaron para llegar al termino de esta etapa de mi vida.

A MIS HERMANOS: Guadalupa, Maribel, Zulema y Manuel Salvador quienes siempre me brindaron apoyo durante la carrera.

A MI ESPOSA: Miriam, por estar conmigo en todos los momentos difíciles de la vida.

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A MIS HIJOS: Domingo de Jesús y Guillermo quienes son mis tesoros.

AL I.P.N : Por ser institución que me brindo la oportunidad De realizar mi proyecto de vida.

A LA E.S.I.M.E. : Por se la escuela que me brindo las herramientas para el camino de la vida.

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A MIS PROFESORES: Quienes legaron su conocimiento y su tiempo para mi formación.

Doy gracias a todos aquellos que de alguna manera me apoyaron para lograr esta meta.

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Curriculum Vitae

Formación Académica: Primaria: Escuela Primaria “Antonio García Cubas” de 1970-1976. México D.F. Secundaria: Escuela Secundaria Diurna N°. 186 1976 -1979 México D.F. Bachillerato: Centro de Estudios Científicos y Tecnológicos N°. 1 “Especialidad en Máquinas Herramienta” de 1979- 1982 Licenciatura:

Licenciatura en Ingeniería Mecánica con especialidad en Máquinas Térmicas e Hidráulicas.

“Instituto Politécnico Nacional” Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. (E.S.I.M.E) Unidad Profesional “Adolfo López Mateos” Col. Lindavista México D.F. de septiembre 1982 a septiembre de 1987. Maestría: Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica División Estudios de Postgrado Administración industrial y de Negocios 4° Tetramestre de un total de 8

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Curriculum Vitae Experiencia Laboral: Encargado oficina de ventas:

Burgmann México S.A. de C.V. Ventas zona norte Cadereyta Jimenez, N.L. Función: ** Ingeniero de ventas. ** Realizar estudios para la aplicación de dispositivos de sellado industrial, como sellos mecánicos, empaquetaduras, empaques hidráulicos y juntas de expansión. ** En bombas, compresores, turbinas, agitadores, reactores, reductores de velocidad y válvulas. ** Venta y servicio a clientes como: ** Pemex Refinación ** Hylsa ** Comisión Federal de Electricidad ** Grupo Cydsa ** Cemex ** Grupo Vitro ** Fibras Químicas ** Nylon ** Deming-Worthington ** Maquinaria doga (bombas pacific) ** Sterling Fluid Systems

de abril 1996 a la fecha.

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Curriculum Vitae Experiencia laboral: Ingeniero de ventas: Industrias John Crane de México S.A. de C.V. Sucursal Coatazacoalcos, Ver.

Av. I. Zaragoza # 2100 Col. Palma Sola. Tel 5 24 77 fax 5 24 78 Función: ** Realizar estudios para la aplicación de dispositivos de sellado industrial, como sellos mecánicos, empaquetaduras, empaques hidráulicos y juntas de expansión. ** En bombas, compresores, turbinas, agitadores, reactores, reductores de velocidad y válvulas. ** Venta y servicio a clientes como: ** Pemex Complejo Pajaritos ** Pemex Complejo Morelos ** Pemex Petroquímica Salina Cruz ** Pemex Terminales Marítimas ** Pemex Refinería Salina Cruz ** Celanese Mexicana ** Cloro de Tehuantepec ** Grupo Cydsa

de junio 1995 a marzo 1996.

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Curriculum Vitae Experiencia laboral: Ingeniero de ventas Encargado de oficina de ventas Salina Cruz, Oax. :

Industrias John Crane de México S.A. de C.V. Puerto del aire #3. Col Aviación Salina cruz, Oax. Función: ** Realizar estudios para la aplicación de dispositivos de sellado industrial, como sellos mecánicos, empaquetaduras, empaques hidráulicos y juntas de expansión. ** En bombas, compresores, turbinas, agitadores, reactores, reductores de velocidad y válvulas. ** Venta y servicio a clientes como: ** Pemex Petroquímica salina cruz ** Pemex terminales Marítimas ** Pemex Refinería salina cruz ** Cementos Cruz Azul

de febrero 1992 a junio 1995.

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Curriculum Vitae Asesoria independiente: Metalizaciones Industriales y Marinas S.A. de

C.V. Tampico Tamps. Ingeniero de ventas: Fabricación y recuperación de partes

mecánicas por medio de aplicación de soldadura y recubrimientos.

Función: ** Brindar accesoria técnica a clientes en lo referente a recuperación de partes mecánicas por medio de soldadura, aplicación de recubrimientos e inspección no destructiva por ultrasonido y líquidos penetrantes. ** En bombas, compresores, turbinas, agitadores, reactores, reductores de velocidad y válvulas. ** Venta y servicio a clientes como: ** Pemex Petroquímica salina cruz ** Pemex Terminales Marítimas ** Pemex Refinería Salina Cruz

de febrero 1992 1995 a junio 1995.

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Curriculum Vitae Experiencia laboral: Ingeniero de ventas: Industrias John Crane de México S.A. de C.V. Sucursal Coatazacoalcos, Ver.

Av. Juárez #1015 Col. Centro Tel 5 2477 Función: ** Realizar estudios para la aplicación de dispositivos de sellado industrial, como sellos mecánicos, empaquetaduras, empaques hidráulicos y juntas de expansión. ** En bombas, compresores, turbinas,agitadores, reactores, reductores de velocidad y válvulas. ** Venta y servicio a clientes como: ** Pemex Complejo Pajaritos ** Pemex Petroquímica la venta tabasco ** Pemex Exploración las Choapas, Ver. ** Pemex Exploración Agua Dulce, Ver. ** Grupo Resistol ** Cloro de Tehuantepec

de junio 1990 a febrero 1992.

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Curriculum Vitae Experiencia laboral: Ingeniero de ventas: Industrias John Crane de México S.A. de C.V. Poniente 152 # 679

Col. Industrial Vallejo México D.F.

Tel 5 67 45 11 Función: ** Realizar estudios para la aplicación de dispositivos de sellado industrial, como sellos mecánicos, empaquetaduras, empaques hidráulicos y juntas de expansión. ** En bombas, compresores, turbinas, agitadores, reactores, reductores de velocidad y válvulas. ** Venta asesoria técnica y servicio a clientes como: ** Bombas Worthington ** Bombas Goulds ** Bombas Durco ** Pemex Refinería tula ** Pemex Refinería Salamanca ** entre varios mas.

de mayo 1988 a junio 1990

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Curriculum Vitae Experiencia laboral: Técnico en control de calidad: Control de Calidad S.A. de C.V. Mariano Azuela # 246 Tel - 5 47 49 14 México D.F. (Suc. Lázaro Cárdenas Michoacán) Función: ** Dar asesoría técnica y servicio en inspección no destructiva. ** Supervisión de soldadura con radiografía industrial. ** Venta y servicio a clientes como: ** Siderúrgica Lázaro Cárdenas “Las Truchas” ** Fertilizantes Mexicanos.

de diciembre 1987 a febrero 1988.

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Curriculum Vitae Cursos recibidos: A) “Inspección no destructiva por medio de ultrasonido y radiografía en

soldadura” Lugar: México D.F. Duración: 48 horas B) “Principios de sellado mecánico y nuevas tecnologías” Lugar: México D.F. Duración: 45 horas Impartido por industrias John Crane de México S.A. de C.V. C) “Selección de válvulas” Lugar: México D.F. Duración: 36 horas Impartido por latinoamericana de válvulas. D) “Seminario de ventas” Lugar México D.F. Duración: 36 horas Impartido por centro de capacitación y adiestramiento S.C. E) Selección y operación de bombas centrifugas Lugar : México D.F. Duración: 30 horas Impartido por Asociación Nacional de Industrias del Bombeo e Ingeniería. F) Capacitación en selección de sellos mecánicos, juntas de expansión y

empaquetaduras. Lugar: México D.F. Duración: 40 horas Impartido por Burgmann México S.A. de C.V.

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Curriculum Vitae G) Procesos administrativos aseguramiento de calidad y bombas. Lugar : México D.F. Duración: 40 horas. Impartido por Burgmann México S.A. de C.V. F) Ingles intensivo

Interlingua México D.F. Prolanguaje Cadereyta Jiménez, N.L.

G) Computación

Actualización paquetes p.p.,word, Excel Coatzacoalcos, Ver Actualización paquetes p.p., word, Excel, Cadereyta Jimenez, N.L.

H) Implementación de sistema de calidad ISO 9000 Lugar: México D.F. Duración: 36 horas Impartido por Burgmann México S.A. de C.V.

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INDICE Página INTRODUCCIÓN

1.- GENERALIDADES 1 1.1.- Función de una bomba y clasificación 1 1.1.1.- Definición de máquina 1 1.1.2- Clasificación general de las bombas 2 1.2.- Válvulas 4 1.3.- Compresores centrífugos 4 1.4.- Dispositivos de sellado 4 1.4.1.- Definición de cero fuga 6 1.5.- Conceptos para la selección de los empaques 7 2.- EMPAQUES MECÁNICOS 9 2.1.- ¿Qué es un empaque? 9 2.1.1.- Principio de operación 9 2.1.2.- Diseño de empaques 12 2.1.3.- Propiedades de los empaques 17 2.1.4.- Materiales de los empaques 18 2.1.4.1.- Lubricantes para empaques 19 2.2.- Selección del empaque 20 2.2.1.- Instalación de empaques 21 2.2.1.1.- Corte de empaque para equipo dinámico 22 2.2.1.2.- Corte para equipo semiestático (Válvulas) 22 2.2.1.3.- Procedimiento de colocación de la empaques 22 3.- SELLOS MECÁNICOS 25 3.1.- Definición 25 3.1.1.- Desarrollo del sello mecánico 26 3.1.2.- Sellado primario. Cuña de presión. 30 3.1.2.1.- Presión efectiva en las caras de sellado primario 30 3.2.- Clasificación de los sellos mecánicos 32 3.2.1.- Ventajas de los sellos no- empujadores 32 3.2.1.1.- Limitaciones de los sellos de no-empuje 32 3.2.2.- Clasificación por características de diseño 32 3.2.2.1.- Sellos balanceados y no balanceados hidráulicamente 32 3.2.2.2.- Clasificación por elemento en rotación 33 3.2.2.3.- Clasificación por elemento de sellado secundario 33 3.2.2.3.1.- Ventajas de los sellos de empuje 33 3.2.2.3.2.- Limitaciones de sellos de empuje 33 3.2.2.4.- Clasificación por diseño en resorte único o´ resortes múltiples. 34 3.2.2.5.- Clasificación por arreglo posicional 34 3.2.2.5.1.- Sellos mecánicos arreglo doble 34

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Pagina 3.2.2.5.2.- Sellos mecánicos arreglo en serie (Tandem) 35 3.2.2.5.3.- Sellos mecánicos tipo cartucho 35 3.3.- Transmisión positiva de movimiento 38 3.4.- Materiales de construcción 38 3.4.1.- Propiedades de los materiales en las caras de un sello mecánico. 39 3.5.- Selección de sellos mecánicos 41 3.5.1.- Parámetros de selección 42 3.6.- Ventajas económicas 47 3.7.- Instalación operación y mantenimiento 48 3.7.1.- Instalación 48 3.7.2.- Procedimiento de arranque 48 3.7.2.1.- Condiciones hidráulicas del equipo 49 3.7.2.2.- Operación de la bomba 49 3.8.- Fallas en los sellos mecánicos 51 3.9.- Reparación de averías de sellos mecánicos 52 3.9.1.- Análisis de fallas 53 3.9.1.1.- Falla del sello por acción química 53 3.9.1.2.- Falla del sello por acción mecánica 55 3.9.1.3.- Falla del sello por acumulación de calor 57 4.- PROCESO DE LAPEADO 59 4.1.- Definición 59 4.2.- Razones de lapeado 61 4.3.- Vehículo y polvo lapeador 61 4.4.- Medición de planicidad 62 5.- LUBRICACIÓN DE SELLOS 65 5.1.- Características 65 5.2.- Arreglos de planes de lubricación 65 6.- SELLOS MECÁNICOS PARA COMPRESORES CENTRÍFUGOS 76 6.1.- Características generales 76 6.2.- Funcionamiento 77 6.3.- Ventajas 77 7.- NORMAS DE SELLOS MECÁNICOS 83 7.1.- Antecedentes 83 7.1.1.- Norma A.P.I. 610 83 7.1.1.1.- Espesor de manga 84 7.1.1.2.- Extensión de camisa o manga con respecto a la brida 84 7.1.1.3.- Uso de empaques secundarios 85

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Página 7.1.1.4.- Diseño de camisa o mangas 85 7.1.1.5.- Tolerancias de maquinado de ejes y cajas de alojamiento de sellos. 86 7.1.1.6.- Bujes de restricción 86 7.1.1.7.- Arreglos de sellos mecánicos y conexiones de brida 87 7.1.1.8.- Código de clasificación 89 7.1.2.- Norma A.P.I. 682 91 7.1.2.1.- Materiales de empaques secundarios por A.P.I. 101 7.1.2.1.1.- Identificación 103 7.1.3.- Normas ANSI 103 7.1.4.- Normas DIN 103 CONCLUSIONES 105 BIBLIOGRAFÍA 106 GLOSARIO 107 APÉNDICE A 108 APÉNDICE B 109

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Prólogo En la industria en general se utiliza equipo de eje rotativo, específicamente de bombeo y compresión, así como también válvulas, el cual debe tener el mínimo de fuga de fluído que maneja, para esto es necesario contar con un dispositivo que evite la fuga, debido a su importancia el presente trabajo tiene como objetivo mostrar la gran variedad de aplicaciones y diseños.

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INTRODUCCION

Las primeras aplicaciones de los dispositivos de sellado se llevaron a cabo en sistemas de bombeo por lo que analizaremos ampliamente estos sistemas con la finalidad de tener una visión mas clara y completa de donde, como y porque se utilizan los dispositivos de sellado, derivándose su aplicación para otros equipos como las válvulas y compresores. En la medida que avanza la industria, las bombas con sus variados diseños ocupan un lugar predominante en el desarrollo y progreso de las naciones. La evolución de los sistemas de bombeo permitió a la civilización, alejarse de los ríos y manantiales, además del desarrollo de vastas zonas de terreno que eran inhabitables. Los chinos y los egipcios contribuyeron grandemente al desarrollo de sistemas rústicos, para transportar y elevar considerables cantidades de agua. En 1840 se invento la primera bomba de acción directa movida por vapor, desde entonces el constante progreso ha convertido a las bombas en un equipo de absoluta necesidad para la vida moderna. Un factor importante que ha contribuido al uso creciente de equipos de bombeo, ha sido el desarrollo universal de la fuerza eléctrica. El desarrollo del motor eléctrico permitió el uso de la bomba centrífuga, mas ligera y mas barata acoplada directamente. La bomba centrífuga da un flujo sostenido de presión uniforme, provee flexibilidad máxima de descarga en cualquier condición, con caudal controlado, ya sea por variación de velocidad o de estrangulamiento. Los equipos de bombeo, de compresión y de válvulas son necesarios en todo tipo de plantas y procesos industriales sea cual fuere su capacidad, dentro de muchos procesos existentes podemos mencionar; la química, la petroquímica, alimenticia, azucarera, cervecera, papelera, etc., y es necesario que en cualquier equipo de bombeo no exista fuga alguna por causas de economía y mas que nada de seguridad ya que en algunos casos, los fluídos que se manejan en estos equipos son peligrosos y tienen un costo muy elevado.

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El elemento de nuestro equipo de bombeo que desarrolla esta función, es decir evitar la fuga son los elementos de sellado del mismo, los cuales van desde la cuerda engrasada hasta los sistemas mas sofisticados de sellos mecánicos y empaques con destino a bombas y otros equipos como son agitadores, compresores y cualquier otro equipo de eje rotatorio. Estos elementos de sellado deben ser idóneos para el proceso y equipo en cual vayan a ser instalados. Debido al auge que están tomando estos dispositivos en todo proceso industrial, el presente trabajo se enfoca directamente sobre este elemento debido a su importancia en las bombas y otros equipos para su buen funcionamiento. La ingeniería del sellado es una especialidad y en ella convergen conocimientos afines a las distintas ramas de la ingeniería como son: materiales, manejo de sustancias etc. En el presente trabajo se describen algunos de los dispositivos de sellado existentes, sus diferencias y partes de que se componen cada uno, su selección y funcionamiento.

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1.-GENERALIDADES

1.1.FUNCION DE UNA BOMBA Y CLASIFICACION. 1.1.1.- Definición de máquina Máquina es un transformador de energía, es decir, una máquina toma energía de una clase y la transforma en otra clase de energía, por ejemplo un motor eléctrico toma energía eléctrica y la transforma en energía mecánica. Las máquinas se clasifican en grupos: máquinas de fluído, máquinas- herramienta, máquinas eléctricas, etc. Nuestro elemento en estudio se enfoca hacia las máquinas de fluído o máquinas hidráulicas, mismas que se definen como aquellas en las que el fluído proporciona la energía que toma la máquina o que el fluído recibe la energía que la máquina transformo. Las máquinas de fluído se clasifican en máquinas hidráulicas y máquinas térmicas. Las máquinas hidráulicas son aquellas en las que el fluído que intercambia su energía no varia sensiblemente de densidad a través de la máquina, siendo las máquinas térmicas aquellas en que el fluído en su paso a través de la máquina varia sensiblemente de densidad y volúmen específico. Una máquina hidráulica en su ejemplo mas sencillo lo tenemos en una bomba y se define como una máquina que toma energía mecánica y le proporciona al líquido energía hidráulica, es decir toma energía mecánica de un accionador y le incrementa la velocidad del líquido por medio del impulsor y esta última se convierte en energía de carga mediante la voluta o difusor de la bomba.

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La presión de descarga forzara alguna parte del producto hacia abajo por detrás del impulsor hacia el eje motriz, donde el producto trata de escapar a lo largo del eje motriz rotatorio. Los fabricantes de bombas utilizan varias técnicas de diseño para reducir la presión del producto que esta tratando de escapar; estas técnicas son: 1.- Agregar barrenos al impulsor para equilibrar la presión en el mismo y permitir que la presión escape al lado de succión del impulsor. 2.- Agregar pequeñas paletas de bombeo en la parte de atrás del impulsor. Sin embargo como no hay forma de eliminar esta presión completamente los elementos de sellado son necesarios para limitar el escape a la atmósfera. La selección de un método de sellado debe ser estudiada cuidadosamente para cada aplicación en lo relacionado a la instalación, mantenimiento, requerimientos de energía perdida del producto y los costos del tratamiento de los productos contaminantes que escapen. 1.1.2.- Clasificación general de la bombas. Los equipos de bombeo se clasifican comúnmente bajo dos tipos de criterios diferentes: 1.- Aquel que toma en consideración las características del líquido bombeado y las condiciones de operación bajo las cuales trabajara el equipo. 2.- Aquel que considera el tipo específico de aplicación del equipo. Actualmente se encuentran tres clases de bombas que son: -Centrífugas Fig(1) -Rotatorias -Recíprocantes

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Figura 1.- Bomba Centrífuga

Caja de Empaque

Rotor

Boquilla De Succión

Boquilla de Descarga

Fuga (ml/min)

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1.2- Válvulas Las válvulas son una parte básica en una planta industrial, ya que por medio de ellas podemos controlar los fluídos manejados en un proceso. Las válvulas que normalmente están instaladas en la succión y descarga de un equipo de compresión o de bombeo son del tipo compuerta para nuestro caso de aplicación, aunque existen gran variedad de ellas. 1.3.- Compresores Centrífugos El compresor centrífugo produce la presión al aumentar la velocidad del gas que pasa por el impulsor y luego recuperarla en forma controlada para producir el flujo y presión deseados. Para un proceso el compresor centrífugo tiene la ventaja de que envía gas libre de aceite, de lo contrario se crearían problemas considerables en su operación. En estos equipos se utilizaban sistemas de sellado húmedo que traían consigo una infinidad de equipo auxiliar del mismo sistema. Con el avance de la tecnología en el ramo de la ingeniería del sellado de equipo industrial se consiguió eliminar ese equipo reduciendo así el numero de equipos para mantenimiento y por ende la reducción de presupuesto. Cada una de las bombas así como las válvulas y compresores deben tener, un dispositivo de sellado que evite la fuga del líquido que este manejando. 1.4.- Dispositivos de Sellado Los dispositivos de sellado son utilizados para prevenir la fuga de líquidos, sólidos y gases. También son usados para prevenir la penetración de particular extrañas dentro de los recipientes tapados o sistemas de tubería. Existe gran variedad de dispositivos de sellado que varían su forma, diseño y construcción para cada aplicación específica.

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Los aspectos importantes de selección de estos son: a) Solución técnicamente justificable b) Posibilidad de adquirir el dispositivo a un costo adecuado en el

mercado industrial. c) El grado o cantidad de fluído que permitimos que escape o penetre al

recipiente o contenedor del fluído a manejar, esto es el grado de fuga que puede ser tolerado.

Hay dos tipos básicos de sellado que son estático y el dinámico. Los sellos estáticos son empleados donde no hay movimiento en el punto para ser sellado. Los sellos dinámicos son empleados cuando existe un movimiento relativo entre superficies (ejemplo una bomba centrífuga). Los sellos estáticos se dividen en dos grupos: empaques y selladores. Los sellos dinámicos se dividen en dos grupos al igual que los estáticos: sellos para ejes rotativos y sellos para ejes reciprocantes. Los sellos para ejes rotativos se dividen a su vez en interfaciales e intersticiales. Los sellos interfaciales comprenden dos grupos: sellos radiales y sellos axiales, su característica fundamental es que presentan contacto directo entre los componentes de sellado y el eje rotativo. Los sellos intersticiales no tienen contacto entre sus componentes y el eje rotativo, estos elementos permiten una fuga controlada efectuada mediante la regulación de un claro entre sus partes y el eje. La función de estos dispositivos es provocar una caída de presión con el menor flujo posible del fluído a sellar y la atmósfera. Dado que no hay contacto entre sus elementos y el eje, se reduce la fricción por lo tanto no hay desgaste y no hay perdida de potencia del equipo. En este caso en particular analizaremos los sellos para eje rotativo en el grupo de sellos interfaciales dividido en sellos axiales y sellos radiales. Los primeros ensayos de control de escape de producto alrededor de ejes alternantes o rotatorios consistía solamente en restringir la tolerancia entre el eje y la pared del recipiente o la cubierta de la bomba empacando un material suave y elástico alrededor del eje dentro de una extensión de la pared o cabeza detrás de la bomba que se llama caja de empaque. Estos se han desarrollado en modernos empaques de compresión que deben ser instalados cuidadosamente en la caja de empaque del equipo que se trate, son sostenidos por una brida.

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A medida que los tornillos de la brida se ajustan la presión sobre la brida es transmitida al empaque de compresión forzándolo contra el eje o manga formando un sello. El calor de fricción que se desarrolla donde el empaque de compresión hace contacto con el eje o manga rotatoria se reduce dejando que el producto se escape a la atmósfera con un ritmo controlado que es generalmente 60 a 90 gotas por minuto. El empaque de compresión es el método preferido de sellado para muchas aplicaciones por su bajo costo inicial. Posteriormente se desarrollaron los sellos mecánicos con la finalidad de eliminar las desventajas que presentaba el empaque a compresión, esto es la fuga controlada para disipación de calor generado por la fricción, y llegar así a obtener cero fuga de fluído en el equipo que se trate. 1.4.1-Definición de cero fuga En la industria del sellado es común mencionar el termino “cero fuga” sin embargo no existe definición universal de este concepto. En los laboratorios de tecnología avanzada de la General Electric Co. de New Nork definieron cero fuga en un rango menor 10 cm3/seg. de helio a una presión de 1 atm. La fuga puede ser extremadamente cara, toxica, corrosiva, explosiva o flamable, por lo que tiene que ser reducida al mínimo. El tipo de fuga que puede ocurrir depende en gran parte de la técnica utilizada para controlarla o prevenirla, también depende de la construcción del recipiente o contenedor, que puede ser un tanque , una válvula, una bomba, una caldera u otros equipos que deben estar hechos de materiales que no permitan fuga a través de ellos. Este elemento de sellado puede ser empaque o un sello mecánico, el cual es de uso generalizado actualmente debido a que tiene mayor resistencia que los empaques, siendo redituable la inversión de un sello mecánico debido a que tiene una larga vida mas que un empaque.

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En un empaque el área de sellado del material con respecto al eje es paralela, en cambio en los sellos mecánicos es perpendicular a este obteniéndose el sellado primario con dos superficies planas . Los nuevos materiales han hecho posible empaques que sellen mejor y tengan mayor durabilidad reduciendo el desgaste del equipo. La tendencia actual es construir plantas totalmente selladas con sello mecánico dejando a los empaques como opción viable. 1.5.- Conceptos para la selección de los empaques. La principal ventaja de los empaques es la facilidad para seleccionarlos e instalarlos en un prensaestopas. Tanto para las empaques como para los sellos mecánicos se tienen que considerar algunos conceptos como: a) Fluído Un fluído es una sustancia que se deforma continuamente, o sea que fluye continuamente, bajo la acción de un esfuerzo cortante sin importar que tan pequeño sea (un fluído puede ser un gas o un líquido). b) Presión Es la fuerza por unidad de área. c) Presión Atmosférica Es la presión que ejerce la atmósfera dependiendo su valor de la altitud. d) Peso Específico Es el peso que hay en la unidad de volúmen de una sustancia. e) Densidad Es la masa que se encuentra en la unidad de volúmen. f) Viscosidad Es la resistencia que oponen las moléculas de los fluídos a desplazarse unas sobre otras, debido a las fuerzas de rozamiento entre ellas.

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g) Presión de Vapor En la superficie libre de cualquier líquido a cualquier temperatura hay un constante movimiento de moléculas, escapando así un determinado numero de moléculas en forma de vapor. Si cerramos el recipiente quedando un espacio libre sobre el líquido, este espacio se saturara de vapor, obteniéndose una diferente cantidad de vapor para cada temperatura, a la presión que ejerce este vapor se le denomina presión de vapor.

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2.-EMPAQUETADURAS MECÁNICAS

2.1.- ¿Que es una empaquetadura? Si se aplica cera a un cordón de cáñamo torcido se tiene un empaque mecánico primitivo, también conocido como empaquetadura, que servirá para impedir la entrada de agua a una lancha en el lugar en el que el árbol de la hélice sale del casco al agua. La cavidad donde se pone el empaque se llama estopero o prensa-estopas. Los elementos primarios de el empaque son un material fibroso al cual se le agrega un lubricante. Con el tiempo se arrastrara la cera y el cáñamo se puede pudrir por la inmersión. Para que este empaque tenga buenos resultados en la lancha deben de buscarse materiales que no se pudran con facilidad y que el lubricante que no se disuelva con facilidad en el agua dulce o salada y que no se pegue en el árbol cuando no se utilice la lancha. En la industria hay aplicaciones similares al ejemplo pero mucho mas complejas. Las empaques se utilizan en cualquier líquido conocido, con todos los equipos y en diversas condiciones. 2.1.1.- Principio de operación En la figura (2) se muestra una caja de estoperos de una bomba conteniendo anillos de empaque, en este caso es particularmente cierto considerar las altas velocidades periféricas encontradas en las bombas, pues el calor generado entre el área de contacto, la cual es paralela, del eje y la empaque es grande por la fricción que hay entre los dos elementos, que solo una fuga controlada del producto es capaz de disiparlo. Para una mejor comprensión del funcionamiento de la empaque, veamos el diseño común de una caja de estoperos conteniendo anillos de empaque.

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Inicialmente el empaque es comprimido por medio de un prensa-estopas; cuando la bomba entra en operación el fluído bombeado pasara por el pequeño claro entre la empaque y el eje rotativo, actuara como lubricante y le ayudara a disipar el calor por fricción resultante. Este importante punto es con frecuencia ignorado por mecánicos inexpertos, que al observar fuga del producto efectúan ajustes en exceso y al detenerla provocan que el empaque opere en seco, limitando su vida y ocasionando rayados prematuros de la flecha o manga de la bomba.

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Figura 2.- Caja de estoperos

Empa

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2.1.2.- Diseños de empaques Los empaques de tipo compresión son fabricados en gran variedad de diseños y a continuación se muestran los mas comunes. Esos diseños son construidos con ciertas características para aumentar su resilencia y evitar su deformación. En la selección del empaque deben considerarse las condiciones de operación del equipo que se trate. La mayoría de los empaques están destinadas para equipo rotatorio, también se utilizan en válvulas y otras aplicaciones como en juntas de puertas. En el presente trabajo analizaremos solo aplicaciones en bombas, reactores y válvulas. Los cuatro tipos de empaques son; entretejida cuadrada, plegada cuadrada, trenzado sobre trenzado y trenzado sobre un núcleo, todas son de sección cuadrada Fig (3). Los empaques metálicos se hacen con plomo o babbitt, cobre o aluminio y son de envoltura espiral, torcida. Los empaques metálicos se emplean por su resistencia física, no absorbencia, resistencia al calor o cualquier combinación de ellas. En un análisis hecho en laboratorio sobre el trabajo realizado por una empaque se obtuvo lo siguiente: Como se indica en la figura (4) el empaque solo realiza la función de sellado en los tres primeros anillos donde aplica la fuerza con el prensa-estopas y los demás anillos no tienen función alguna. Por este motivo se desarrollo un sistema de empacado para válvulas llamado de carga viva Fig (5). Este sistema es un empacado semiautomático ya que no es necesario estar apretando el prensa-estopas por el desgaste del empaque, la fuerza es proporcionada por un juego de resortes al prense que a su vez comprime el empaque consiguiendo de esta manera el sellado al eje de la válvula.

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En las válvulas las cajas de empaque son muy largas y por lo anterior se desperdiciaba gran cantidad de empaque para sellar estas. Para reducir el número de anillos de empaque se aplicó un buje y solo los anillos necesarios. En estas se aplicó el sistema de carga viva que consiste en un calculo de acuerdo a las condiciones de operación por medio de un software que nos indica el largo del buje y los anillos de empaque, así como la cantidad de resortes que proporcionan la fuerza al prensa-estopas para mantener el empaque comprimido. Con este sistema se consiguió que el tiempo de vida sea mucho mas largo. Más no así en las bombas ya que la operación es continúa y por consiguiente el desgaste.

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Figura 3.- Trenzado de empaques

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Figura 4.- Función realizada por el empaque

Prensa-estopas

Presión el fluído

Aplicación de la presión

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1 Manga-guia para arandelas 2 Resortes-arandelas . 3 Juego para Sellado ANILLOS DE EMPAQUE 4 Buje espaciador.

Figura 5.-Sistema de Carga viva

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2.1.3.- Propiedades de los empaques Las propiedades deseables de los empaques mecánicos son elasticidad, resistencia a los productos químicos y resistencia física. a) Elasticidad.- la elasticidad permite colocar al empaque en un prensa-estopas y que sufra una ligera deformación para adaptarse al mismo. También permitirá que se deforme cuando haya flexión del eje durante el periodo de funcionamiento. b) Resistencia química.- evitara el ataque por el líquido que se sella con el empaque; esta resistencia debe incluir la del lubricante. Las perdidas por ataque o lavado por los productos químicos a menudo son toleradas por los usuarios. Cuando se pierde el lubricante, el material trenzado ya no sella, se vuelve abrasivo y hay que reemplazar el empaque para evitar daños al eje o camisa. c) Resistencia física.- protege al empaque contra daños mecánicos en particular cuando ciertos desplazamientos del eje o cualquier acción producida por el líquido, por ejemplo cuando el líquido se cristaliza en el empaque y se produce desgaste mecánico entre ella y el eje o camisa, para estos casos se debe utilizar un anillo de cierre hidráulico y lavado. El empaque mecánico deseable debe: Incluir lubricante de sacrificio para el arranque inicial, ya que si se aprieta en exceso se pierde el lubricante. Mantener su volúmen físico y no perderlo con rapidez, para ello se utiliza se utiliza una combinación de lubricantes para que la perdida de volúmen sea lenta y controlable por ejemplo, el empleo de lubricantes que se funden a diferentes temperaturas puede controlar: - La perdida de volúmen. - Minimizar las ralladuras del eje o camisa - Tener máximas aplicaciones dentro de su tipo.

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2.1.4.- Materiales para los empaques Debido a las crecientes exigencias del servicio, los empaques hechos con fibras animales, vegetales o cuero tienen un empleo cada vez mas limitado. Los materiales mas comunes son las fibras minerales como asbesto, vidrio, cerámica, metal y las fibras sintéticas como el teflón y el carbón, todavía se utiliza algodón lino y cuero, el lino es muy común en los empaques marinos por su resistencia a pudrirse, compresibilidad y resistencia a la tracción. Debido a que se sabe que el asbesto (amianto) es cancerígeno se a reglamentado su uso por la OSHA (Occupational Health and Safety Administration Standards). El reglamento dice: Las fibras de asbesto deben ser modificadas con aglutinante, revestimiento u otros materiales de modo que durante cualquier uso previsible, no ocurra el manejo, almacenamiento, eliminación , procesamiento o transporte a una concentración de fibras en el aire mayor a los límites de exposición definidos por la OSHA. No hay empleo previsible de estos productos que produzca una cantidad mensurable de partículas de asbesto en suspensión en el aire. Si es necesario alterar estos materiales en una planta, nunca se deben cortar con sierras o abrasivos en ninguna forma, sino que se deben cortar con cuchillas. El asbesto tiene una resistencia excepcional a los productos químicos y al calor, además de su gran retención de lubricantes. El tipo mas usado es la crocidolita blanca, por la longitud, resistencia y flexibilidad de sus fibras. En algunas plantas se prohibido el uso del asbesto por lo que se sustituye con otros materiales como el teflón, grafito o cerámica. La fibra de vidrio se ha utilizado en algunos empaques mecánicos, resiste los productos químicos y se puede trenzar con facilidad, la desventaja es que desgasta el equipo. También se a utilizado las fibras de cerámica ya que tienen mayor resistencia al calor y son inertes a productos químicos, pulimenta el eje en vez de desgastarlo pero la desventaja es que es muy costosa. La hilaza de grafito ha tenido mucha aceptación en los últimos años, pero la desventaja es que es muy frágil y costosa.

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2.1.4.1.- Lubricantes para empaques La mica es una silice hidratada y es similar al talco como lubricante; ambos se utilizan todavía en algunos empaques de válvula pero rara vez en máquinas rotatorias por la alta fricción que producen. También se utiliza en donde la decoloración del producto es ocasionada por el grafito o el disulfuro de molibdeno. El grafito es el lubricante mas común para empaques y es inerte a la mayor parte de los productos químicos su valor lubricante se atribuye a las obleas muy delgadas que se adhieren al empaque y otras superficies de contacto. Uno de los problemas es que facilita la corrosión electrolítica o galvánica por ejemplo; ocasiona picadura de los vástagos de válvulas en servicio de vapor a alta presión. El disulfuro de molibdeno es un lubricante seco con aspecto, forma y tacto similares al grafito, pero no produce corrosión electrolítica, su utilidad principal es evitar el desgaste de las superficies metálicas porque se adhiere a los ejes, con lo que se mejora la lubricación de las empaques, pero tiene la desventaja que se oxida a 343 °C y pierde sus propiedades lubricantes. Otros lubricantes como la grasa mineral, el sebo y los aceites de petróleo tienen resistencia limitada a la temperatura y a los productos químicos. los aceites de petróleo se pueden carbonizar a altas temperaturas y se reduce o pierde su valor lubricante. El disulfuro de tungsteno es otro lubricante para temperaturas altas y es resistente a la corrosión y se emplea en empaques para válvulas. El teflón ha sido el adelanto mas grande en lubricantes para empaques y se utiliza en muchos tipos, puede contener hasta 35% de tetrafluoroetileno (TFE) según el tipo de construcción y las características de absorbencia de la hilaza base; tiene un limite de temperatura de 260 °C y es casi inerte a todos los productos químicos. Las excepciones son los metales alcalinos fundidos y algunos compuestos halogenados raros.

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Se utilizan algunos aceites de siliconas como lubricantes para altas temperaturas, estos aceites tienen mayor resistencia a la corrosión y pueden funcionar a temperaturas mas altas. El lubricante ideal para empaques debe: 1.- Lubricar entre el empaque y el eje para evitar desgaste, ralladuras o pegaduras. Es esencial un bajo coeficiente de fricción. 2.- Actuar como bloqueador entre las fibras para evitar el escape de un exceso de líquido por las costuras del empaque. 3.- Ser insoluble en el líquido a sellar. 4.- Trabajar a la temperatura recomendada para el empaque básico, excepto cuando se trata de un lubricante de sacrificio que ayuda en el asentamiento inicial. 5.- Tener larga duración en el almacén sin endurecerse ni perder sus características básicas. 6.- Ser compatible con el líquido a sellar y no contaminarlo. 7.- Impedir la corrosión galvánica o electrolítica. Adición de lubricante al empaque El anillo de cierre hidráulico, llamado a veces linterna, se hace con material rígido como bronce , acero inoxidable, nylon o TFE es poroso para permitir el libre paso de lubricante. El lubricante penetra por el exterior del anillo y fluye al eje o camisa. 2.2.- Selección del empaque Cada fabricante emite sus propias tablas de selección de acuerdo a los materiales que producen; esta es mas un arte que una ciencia. Los factores a considerar en la selección incluyen todas las condiciones del liquido como son: - Tipo de fluído (tipo, viscosidad, densidad, peso especifico, presión de vapor) - Temperatura - Velocidad del equipo

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- Presión del equipo - Material del eje o camisa - Dimensiones del espacio a empacar Los dos factores comunes son la pv y ph. El factor pv es la presión en el prensa-estopas multiplicada por la velocidad en la superficie del eje. Entre mas alto resulte el numero mas complicada es la aplicación. El ph es una medición de acidez o alcalinidad de un líquido. La escala de 0 a 14 en donde 0 representa un ácido fuerte, 7 es neutro, 14 un álcali o cáustico fuerte. También se deben de tener en cuenta el sistema auxiliar para lubricación; se puede requerir lavado de un anillo hidráulico o agregar un sistema de enfriamiento y drenaje del empaque o calentar o enfriar el eje respectivo. Anillos de extremo Estos se colocan en la parte inferior o superior del prensa-estopas, su finalidad es evitar la extrusión de los anillos contiguos hacia un espacio libre excesivo, estos suelen ser de un material mas denso y además tiene la función de evitar que penetren sólidos a la caja de empaques y se destruya. Los materiales a usar pueden ser babbit , aluminio o bronce. Anillos alternados Al utilizar anillos de diferentes materiales en posiciones alternadas con el prensa-estopas se logran características que no se obtienen con ningún empaque por ejemplo resistencia a la deformación bajo presión o bien si se alterna un anillo de grafito con uno de teflón ayudara a controlar la dilatación por el calor generado por la fricción entre el eje y el mismo empaque. 2.2.1.- Instalación de empaques. Para instalar los anillos en la caja de estoperos de cualquier equipo el procedimiento es similar la diferencia estriba en el corte para cada uno.

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2.2.1.1.- Corte de empaque para equipo dinámico (bombas). El corte debe ser tal manera que al momento de formar el anillo sobre el eje o camisa la unión del empaque debe quedar en forma radial o perpendicular el eje o camisa. Este corte es debido a que en el equipo dinámico buscamos sellar el diámetro interior de la caja dejando un pequeño claro entre el eje y el empaque para su lubricación y poder así disipar el calor generado por la fricción entre ambos materiales mediante la fuga controlada. 2.2.1.2.- Corte para equipo semiestático (válvulas) El corte debe ser de tal manera que se forme con la unión del empaque un ángulo de 45° sobre el vástago de la válvula esto es debido a que en este equipo buscamos sellar tanto en el diámetro interior de la caja como el vástago. Al momento de girar el vástago el empaque se desliza sobre los cortes y se adhiere al vástago así como a la caja de estopas. 2.2.1.3.- Procedimiento de colocación de empaques. En la figura (6) siguiente se ilustran los pasos a seguir para obtener un buen empacado tanto en bombas como en válvulas.

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Tabla 1.- Limites de servicio de empaques mecánicos

Empaque Fugas del asentamiento

Gotas por

min.

Fugas en funcionamien

to. Gotas por

min.

Temperatura

°C

Presión a temp. máx. bar

Presión máxima

bar

Temperatura a presión

máx. °C

Asbesto y Teflón

120 60 260 3.5 14 38

Teflón, lubricado

120 60 260 3.5 14 38

Asbesto y Grafito

120 60 204 3.5 17.6 38

Grafito y Fibra

120 60 537 3.5 25 148

Cinta de grafito

120 60 537 3.5 25 148

Plomo 120 60 176 3.5 28.2 148 Aluminio 120 60 426 3.5 28.2 93 Lino 120 60 93 3.5 14 93 Plástico 120 60 176 3.5 14 93

Por el mismo principio de operación del empaque, esto es por la fuga controlada que presenta, tuvo que desarrollarse un elemento que cuya función de sellado fuera casi perfecta y este elemento es el sello mecánico, el cual tiene diferentes formas y aplicaciones que dependiendo al igual que el empaque de las condiciones de operación del equipo, siendo este de gran importancia dentro de la gran variedad de dispositivos de sellado.

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Figura 6.- Colocación del empaque

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3.- SELLOS MECÁNICOS

3.1.- Definición La definición de dispositivo de sellado es aplicable a este elemento. Todos los sellos mecánicos son de construcción similar, constan de dos elementos básicos; el elemento rotatorio y el elemento estacionario. El sellado ocurre entre las dos caras de estos elementos, los cuales deben de tener superficies de contacto perfectamente lisas, de lo contrario el sello no trabajaría. El elemento rotativo, el cual llamaremos cabeza de sello, consta de varias partes; carbón, el elemento secundario, disco, resortes y retenedor. Añadimos el elemento estacionario el cual se compone de asiento y brida. Siempre tendremos estos básicos componentes en todo tipo de sello mecánico, aunque en diversas formas y tamaños. El elemento de sellado secundario es aquel que cierra cualquier escape posible entre la cabeza rotativa y la camisa del eje de la bomba. En todos los problemas de sellado son considerados los mismos principios y en todos los casos hay ciertos factores importantes que considerar los cuales son: 1.- La geometría del posible sendero de fuga. 2.- La diferencia de presión a través del sendero. 3.- La viscosidad del fluído. 4.- La tensión superficial del fluído. 5.- La permeabilidad al material de sellado. Todo lo anterior es valido para sellos mecánicos que es dispositivo de sellado.

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3.1.1.- Desarrollo del sello mecánico El sello mecánico puede comprenderse mejor en su forma primitiva, una flecha con un hombro grande contra la pared estática del recipiente, el sellado se logra donde las caras establecen contacto . En la figura (7) se representa el concepto mencionado teniendo este las siguientes desventajas practicas: 1.- El sellado es demasiado rígido, no tiene flexibilidad para compensar los movimientos axiales y excentricidad de la flecha, no permite amortiguar vibraciones. 2.- No hay posibilidad de intercambio de materiales para cubrir diferentes condiciones de operación. 3.- No existe ajuste automático que mantengan la unión constante de las caras en contacto a medida que estas se desgastan. 4.- El lapeado de las caras en contacto es antieconómico. Las desventajas mencionadas anteriormente se superan en la versión practica de un sello mecánico que usa componentes por separado. En forma esquemática el sello mecánico se desarrollo de la siguiente forma: 1.- Una flecha con un elemento de sellado. 2.- La necesidad de alojar el anillo o en una caja para proporcionar una interferencia hacia el eje o flecha. 3.- Agregamos un resorte para energizarlo axialmente, de esta manera garantizamos un sellado entre las caras de contacto y mantenerlas juntas en los periodos de paros o cuando no exista presión hidráulica en el equipo. 4.- Agregamos un soporte o collarín, el cual nos ayuda a dar la carga o fuerza apropiada al resorte, este elemento se sujeta firmemente al eje mediante tornillos prisioneros Con todo anterior se forma la cabeza del sello.

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5.- Finalmente incorporamos el elemento estacionario para formar el sello mecánico Fig 8. El hombro se reemplazo por una cara de sellado rotativo y se inserta un asiento en la pared de la caja. Estas dos piezas son el corazón del sello mecánico y al efectuar el sello dinámico entre el plano de sus caras reciben el nombre de elementos sellantes primarios. El hombro de la flecha esta reemplazado por una cara de sellado rotativa (1); y se inserta un asiento en la pared de la caja (3). Estas dos piezas son el corazón del sello mecánico, y al efectuar el hombre de elementos sellantes primarios. Dado que las piezas del sello que se obtuvo están separadas cada una ha creado un posible sendero de fuga que debe ser sellado. Para esto, se utilizan elementos sellantes secundarios; el sello secundario entre el asiento y la pared rotativa es en cierto modo dinámico, puesto que es requerido a desplazarse en cuanto aparece desgaste en las caras. La cabeza posee dientes de arrastre que se engranan en las correspondientes ranuras de la cara rotativa para proporcionar el arrastre positivo del conjunto rotativo. Este sello mecánico presenta las siguientes ventajas 1.- Reduce la fricción y perdida de potencia. 2.- Eliminar el desgaste prematuro de la flecha o su manga. 3.- Mínima o invisible fuga del fluído bombeado. 4.- Capacidad para absorber el juego y deflexión normales del eje rotativo. 5.- Reduce tiempos de mantenimientos y su frecuencia. 6.- Permite operar con seguridad fluídos tóxicos, corrosivos o inflamables. Con todo lo anterior podemos dar una definición de sellos mecánicos.

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El sello mecánico puede definirse técnicamente como un dispositivo que previene el escape del fluído de un recipiente, el cual atraviesa una flecha rotativa realizándose el sellado por el contacto axial de sus caras que se encuentran perpendiculares a la flecha y en movimiento relativo una de otra.

Figura 7.- Sello mecánico en forma primitiva

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Asiento (3) Elementos de Sellado Secundario (2+4) Elemento de Compresión (5) Elemento de Transmisión de Arrastre (6) Cara rotativa (1)

Figura 8.- Sello mecánico actual

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3.1.2.- Sellado primario. Cuña de presión Como las caras se mueven una en relación a la otra, una película de fluído se establece entre ellas ejerciendo una presión entre las mismas. Funcionando apropiadamente, el sello primario debe cubrir dos aspectos: la retención del fluído a sellar y la preservación de las caras de contacto a través del mantenimiento de una adecuada película interfacial de lubricación. Esta película interfacial la constituye la cuña de presión. 3.1.2.1.- Presión efectiva en las caras de sellado primario Las caras de sellado son empujadas por fuerzas axiales, esto da una presión entre ellas. La magnitud de la presión efectiva es muy importante, porque si esta es muy alta, la película de la cuña será expulsada y al correr el sello en seco acelerara la destrucción de las caras. La acción de las fuerzas axiales se muestran en la figura (9). El fluído en el recipiente tiene una presión p1 actuando sobre el diámetro exterior del sello. Esta presión deberá ser sellada. En la región del diámetro interior existe la presión p2 por lo tanto existe una presión diferencial p= p1-p2 . En la mayoría de las aplicaciones p2 será la presión atmosférica y para efectos prácticos podemos considerarla igual a cero. La presión efectiva en las caras pf es la resultante de la fuerza de cierre menos la fuerza de apertura entre el área de las caras a . La interpretación geométrica del vector de presión muestra que la presión efectiva en las caras pf es la suma de la presión ph mas la presión del resorte psp. pf= ph-psp En la figura (10) la cuña se muestra de manera lineal geométricamente es un triangulo, para representar la cuña de presión de una manera exacta, es necesario introducir un factor de gradiente “k”. Para una distribución lineal es de 0.5, para una distribución cóncava es menor de .5 y para una convexa mayor de .5.

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Figura 9.- Presión efectiva en caras del sello mecánico

Figura 10.- Cuña de presión

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3.2.- Clasificación de los sellos mecánicos La mayoría de los sellos mecánicos pueden ser clasificados en dos diseños básicos: sellos empujadores y sellos no empujadores. Ninguno de los diseños es inherentemente mejor que el otro solo depende de la aplicación . Los sellos mecánicos empujadores incorporan sellos secundarios que se mueven a lo largo del eje o manga para mantener contacto en las caras del sello para compensar el desgaste en las caras y el cabeceo en el sello debido a un mal alineamiento. 3.2.1.- Ventajas de los sellos no-empujadores Estos sellos utilizan el elemento de sellado secundario en forma de fuelle, uno de sus extremos se sujeta firmemente al eje formando el sellado estático y creando un punto de arrastre positivo y de igual manera el fuelle compensan el desgaste de las caras y proporciona excelente flexibilidad. 3.2.1.1.- Limitaciones de sellos de no-empuje Este tipo de sellos depende del material de los sellos secundarios o fuelle que normalmente son elastoméricos o de teflón. 3.2.2.- Clasificación por características de diseño 3.2.2.1.- Sellos balanceados y no balanceados hidráulicamente El primer grupo incluye los sellos mecánicos balanceados y no balanceados Figura 11. Un sello mecánico se denomina balanceado cuando los diámetros de las caras de contacto han sido reducidos en relación al diámetro del eje de modo que la carga en la cara sea menor que la ejercida por la presión del fluído bombeado. Esto es necesario para asegurar la presencia de una película de fluído entre las caras dado que la presión que trata de penetrar entre la superficies lapeadas debe ser mayor que la carga que por empuje axial están soportando y particularmente indispensable cuando se opere a altas presiones o se manejen fluídos de baja gravedad específica.

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3.2.2.2.- Clasificación por elemento en rotación Dependiendo de cual de los elementos de sellado primario este en rotación, los sellos mecánicos se agrupan en cabeza en giro o asiento en rotación. La selección depende del tipo de equipo en que se aplique. En muy altas revoluciones el diseño simple del asiento permite un balance dinámico fácil, la mayoría de las aplicaciones incluyen cabeza en rotación. 3.2.2.3.- Clasificación por elementos de sellado secundario El tipo de sellado secundario agrupa a los sellos mecánicos dentro de las categorías de sellos de empuje y sellos de no empuje. Los sellos mecánicos empujadores incorporan sellos secundarios que se mueven a lo largo del eje o manga para mantener contacto en las caras del sello para compensar el desgaste en las caras y el cabeceo en el sello debido a un mal alineamiento. 3.2.2.3.1- Ventajas de los sellos empujadores Estos sellos son relativamente de bajo costo y existe una variedad muy amplia para equipos mas comunes. 3.2.2.3.2- Limitaciones de sellos de empuje Este tipo de sellos depende del material de los sellos secundarios que normalmente son elastoméricos o de tfe. Estos materiales pueden utilizarse en un rango de temperatura muy limitado. Con el sello de empuje que utiliza anillos “o”, cuñas u otros empaque, el sello secundario debe desplazarse por empuje a lo largo del diámetro del eje para compensar el desgaste de las caras en contacto. Los anillos “o” son simples y de fácil habilitación, sus limitaciones son la compatibilidad del fluído operando con el elastómero seleccionado y la temperatura que este puede soportar. Las cuñas fabricadas de teflón son compatibles con una gran variedad de productos químicos y su resistencia a los limites de temperatura cubre desde aplicaciones criogénicas a –215°C hasta un máximo de 260°C, fabricadas de asbestos especiales, este limite puede incrementarse hasta 345°C., y en filamento de grafito puro hasta 800°C.

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En muy altas presiones se usan anillos en “v” o arreglos especiales de empaque. 3.2.2.4.- Clasificación por diseño en resorte único o resortes múltiples. Los sellos de resorte único en espiral sencillo tienen un amplio rango de aplicaciones, su limitación es la deformación a altas velocidades superficiales, el gran espacio axial y radial que requieren. Los sellos de resortes múltiples son aptos para trabajo en altas velocidades ya que no sufren deformación alguna por lo que ejercen una presión de cierre uniforme en las caras de contacto del sello mecánico. 3.2.2.5.- Clasificación por arreglo posicional El mayor número de aplicaciones de los sellos se cubren satisfactoriamente con el uso de un sello sencillo. La unidad rotatoria del sello puede instalarse en el interior del equipo cubierta totalmente por el fluído en operación o bien exteriormente reduciendo la porción del sello que esta en contacto con el fluído Fig (12). Normalmente se instalan en interior de la caja de empaques del equipo debido a que la presión hidráulica del fluído actúa positivamente para mantener las caras en contacto además de que la fuerza centrífuga actúa a favor del sello alejando las partículas abrasivas del área de sellado. 3.2.2.5.1.- Sellos mecánicos arreglos doble Los sellos dobles consisten en dos sellos sencillos montados en sentido opuesto en la misma caja de sellado. El objeto de un sello doble es proporcionar una zona neutral en la que circula un líquido secundario, limpio y con un poder lubricante y a mayor presión que la que presenta el fluído en operación. Este sistema es particularmente útil en el manejo de fluído gaseoso, pues las caras en contacto no trabajan en seco y la operación de líquidos abrasivos no se desgasten prematuramente las caras de contacto.

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3.2.2.5.2.- Sellos mecánicos en arreglo en serie (Tandem) Los sellos en tandem son un arreglo de dos sellos montados en la misma dirección, el líquido secundario crea una zona de amortiguamiento (buffer) entre el fluído en operación y el medio exterior. Este arreglo es usado cuando el fluído en operación se convierte en abrasivo al cristalizar en contacto con la atmósfera en el sellado de fluídos tóxicos o flamables. También es una forma de escalonar diferenciales de presión. 3.2.2.5.3.- Sellos mecánicos tipo cartucho Casi todos los sellos pueden hacerse en esta presentación; esto es que incluyen la manga, collar para transmisión del movimiento y brida. Esta presentación tiene la ventaja de que se lleva poco tiempo en su instalación y reduciendo los errores en la misma.

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Figura 11.- Sellos mecánicos por características de diseño

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Figura 12.- Sellos mecánicos por arreglo posicional.

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3.3 -Transmisión positiva de movimiento. En un sello mecánico existen diversas medios de comunicar el movimiento del elemento motriz de la bomba o compresor al elemento rotativo del sello como son: tornillos, cuñas etc. 3.4.- Materiales de construcción La cara rotativa y su asiento son realmente el corazón del sello, en donde se han encontrado los esfuerzos de trabajo dinámico y donde tiene lugar el desgaste. Por esto la selección de lo materiales adecuados de estas partes es definitivamente la mas difícil. Al arranque del equipo, existe una operación en seco inicial seguida de una lubricación limitada y si se logra el objetivo una completa lubricación hidrodinámica. El lubricante para los sellos incluye agua, aceites, gasolinas, cáusticos y ácidos. Para aplicaciones en alta presión y temperatura como es el servicio de alimentación a calderas o el de muchos hidrocarburos, la combinación ideal es carbón contra carburo de silicio o tungsteno. Es obvio que de acuerdo a la combinación de caras de sellado primario es el costo del sello mecánico. Los materiales de construcción varían desde aleaciones sofisticadas con propiedades anticorrosivas como son los hastelloy, moneles, bronces e inoxidables de las series 300 y 400. Como se menciono anteriormente para la selección de los materiales hay que tener presente también la temperatura. Los materiales de los sellos secundarios se seleccionan en base a la compatibilidad química y a su resistencia a la temperatura de operación. No siempre es la misma clase de carbón para lograr la mayor duración y compatibilidad contra otros materiales en diversos medios, si no que se fabrican en diferentes grados, algunos son de una composición de grafito puro, otros con impregnación de aceite, resinas sintéticas y muchos metalizados con cobre plomo y antimonio.

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3.4.1.- Propiedades de los materiales en las caras de un sello mecánico. Químicas: inertes y resistentes a la corrosión Térmicas: bajo coeficiente de expansión alta conductividad térmica resistencia al choque térmico no afectarse mayormente en sus propiedades entre extremos de temperatura. Mecánicas: dureza y excelente resistencia al desgaste. características lubricantes propias en operación en seco. bajo coeficiente de fricción. - Alta fuerza tensil - Alto modulo de elasticidad - Adicionales: estabilidad dimensional - Fácil manufactura y maquinado - Precio razonable - Habilitación rápida Las composiciones del carbón grafito cumple una mayor parte resaltando su inercia química, lubricidad, disipación de calor y resistencia térmica. En la practica en general es usar diferentes materiales en cada una de las caras de contacto del sello mecánico, basado esto en que materiales iguales composiciones tienden a unirse creando mayor fricción. Desde el punto de vista de similitud dinámica no hay diferencia en cual material gira y cual permanece estacionario aunque generalmente es preferible usar el material mas ligero en la cara rotativa para aliviar efectos inerciales de torque al conjunto. En el trabajo dinámico de dos caras en contacto, generalmente se asume que el materia de menor dureza se desgaste mas rápido, esto no siempre es cierto, la experiencia demuestra que bajo ciertas condiciones abrasivas la pieza mas blanda se desgasta menos por lo tanto la dureza del material no es directamente proporcional a su resistencia al desgaste Fig (13,14).

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Figura 14.- Caras de contacto en fluído con sólidos en suspensión

Figura 13.- Caras de contacto en fluído limpio

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3.5.- Selección de sellos mecánicos La mayor parte de las fallas en la operación de sellos mecánicos se determina en la etapa de selección de los mismos por lo que es muy conveniente dedicar la mayor atención a una correcta selección del sello mecánico tan pronto se establezcan las condiciones de operación de nuestro equipo . El tamaño del eje, la velocidad del equipo, la presión y la temperatura en la cámara del sello y las características físicas y químicas del producto, todos deben considerarse en la selección del sello. Es imperativo establecer una correcta lubricación entre las caras del sello y esta se logra por una delgada película hidrodinámica normalmente del mismo fluído bombeado, o de algún fluído que se tenga disponible en el lugar de trabajo y que sea compatible con el proceso que se trate. Una característica importante del dispositivo consiste en que además darnos un sello positivo no produzca desgaste en la flecha. Todo el desgaste por fricción se concentra en las caras de contacto, mismas que se auto compensan mediante presión del resorte. La acción continua de fricción mantiene un acabado superficial de lapeado, así como un ajuste cercano entre las piezas, siempre que no existan abrasivos en el líquido a sellar. El sello mecánico se diseña para aceptar cierto grado de desalineamiento residual tanto axial como radial. Aun cuando el principio básico de operación es el mismo, el diseño y construcción varían de acuerdo con el fabricante. El acabado de las caras de contacto tendrá importante influencia en la cantidad de fuga entre ellas. Como norma, las caras se lapearan hasta obtener un reflejo bajo fuente de luz monocromática dependiendo del diámetro de sello.

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3.5.1.- Parámetros de selección a) Productos sellados Los sellos mecánicos se utilizan para sellar cualquier fluído de proceso. Para seleccionar un sello mecánico adecuado al servicio debemos considerar las propiedades fundamentales del fluído además de cualquier factor adicional que nos afecte el comportamiento y vida útil del sello mecánico. Las propiedades mas importantes son; - Comportamiento químico - Temperatura - Viscosidad - Presión de vapor Las propiedades químicas determinaran las opciones a contemplar en lo referente a la construcción del sello además determinaran el tipo de sello en función de la peligrosidad de los productos. La viscosidad del fluído afecta el coeficiente de fricción en las caras del sello y por lo tanto su desgaste y la generación de calor que deberá ser disipado. En los líquidos de baja viscosidad evítese el funcionamiento en seco, en los fluídos de muy alta viscosidad pueden provocar arrastre entre las caras y muy altos torques de arranque. Se requiere de un margen operativo entre el punto de ebullición del líquido a su presión de sellado y a la temperatura de sellado evitando vaporización intermitente en las caras debido al calor generado por la fricción. Algunos líquidos se manejan a temperaturas muy cercanas a su punto de ebullición y requieren ciertas consideraciones para el sellado. Entre las condiciones se encuentran por ejemplo enfriar la circulación por medio de intercambiadores de calor, utilizar arreglo de inyección multipuntos seleccionar un sello doble con una fuente externa de lubricación.

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Otras características de los fluídos que deben ser considerados incluye la presencia de sólidos en suspensión abrasivos, en cuyo caso podremos utilizar además de un sello doble un separador ciclónico en la línea de circulación. b) Productos con sólidos en suspensión Cuando se encuentran sólidos en el líquido bombeado, estos crean problemas que pueden ocasionar fallas en el equipo. Se hace necesario inyectar un líquido frió y limpio para mantener el sello y el área que lo rodea en buenas condiciones. Cuando se usan sellos dobles, el asiento mas cercano a el impulsor de la bomba se tiende a acumular sólidos y ocasionar escapes, por esto cuando el flujo neutral no es posible, es necesario hacer uso de separadores ciclónicos los cuales gracias a la fuerza centrífuga el líquido y los sólidos son separados, el líquido limpio emerge por la parte superior y el líquido contaminado con sólidos sale por la parte inferior. El líquido limpio es dirigido a la caja del equipo donde se encuentra el sello proveyéndolo de lubricación y enfriamiento necesarios. c) Temperatura La temperatura del producto afecta la temperatura de operación del sello mecánico y afecta también la corrosividad y la viscosidad del producto. Para proporcionar una mayor eficiencia al sello mecánico se desarrollaron sistemas para controlar la temperatura en la cámara del mismo que también se conocen como planes de lubricación. Una vez determinado el sello idóneo con respecto a las condiciones de presión y velocidad del equipo seguimos con los empaques secundarios adecuados. Los sellos o empaques secundarios tienden a presentar los problemas mas graves en extremos de temperatura, los elastómeros pierden su flexibilidad a bajas temperaturas y se degradan en altas temperaturas, la degradación de los elastómeros usados es sin embargo gradual y en algunos casos medible. Existen diseños específicos para aplicaciones de alta temperatura utilizando además de empaques especiales, y otros medios para disipar el calor como los recomendados por el código A.P.I. para enfriamiento.

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d) Gravedad específica La gravedad especifica es la proporción del peso de una sustancia al peso de un volúmen igual de agua a 3.8 °C. e) Presión de vapor y punto de ebullición La presión de vapor de un líquido es la presión a la cual un líquido empieza a hervir a una temperatura dada. Si un producto debe manejarse a su punto de ebullición o cerca de el, su punto de presión de vapor debe considerarse en relación a la presión y a la temperatura de la cámara del sello, si el calor generado por el sello causa que el líquido sellante hierva a la presión de la cámara de sello, la película de lubricación se evaporara. Una proporción apropiada de presión y temperatura en la cámara del sello pueden obtenerse aumentando la presión o bajando la temperatura . Una línea de derivación para recirculación y un aditamento de restricción para la garganta de la bomba pueden utilizarse para mantener la presión requerida en la cámara. f) Viscosidad La viscosidad puede usarse como otra indicación de las cualidades lubricantes del producto. Generalmente cuando la viscosidad es alta las características de lubricación son mejores; esto es no se evapora entre las caras del sello mecánico. g) Abrasividad Los productos que contienen sólidos abrasivos y los que tienden a solidificarse o precipitarse se encuentran en todas las principales industrias de proceso. La aplicación con éxito de un sello mecánico requiere de una comprensión clara de las características físicas y químicas del producto y su efecto en el sello. En estos fluídos como en otros aplicamos los planes de lubricación o de disipación de calor para los diferentes arreglos de sellos mecánicos.

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h) Presión en la caja de empaque En el estudio de la hidráulica la presión se define como la fuerza ejercida en la unidad de área. Si la presión se aplica a la superficie de un líquido es transmitida sin disminución en todas las direcciones. La hidráulica es el estudio de fluídos, líquidos y gases en descanso o en movimiento. La presión atmosférica es la fuerza ejercida en una cantidad de área por el peso de la atmósfera. La presión absoluta es la presión total que incluye la presión atmosférica, la presión absoluta a nivel del mar es de 1 bar. La presión manométrica es la diferencia entre la presión dada y la atmosférica. La presión atmosférica a nivel del mar es 0 bar. La presión en la caja de empaque, es la presión que debe soportar dentro de la caja el sello mecánico y varia ampliamente con el diseño del equipo. La caja de empaque en la mayoría de las bombas centrífugas de succión en el extremo esta sometida a la succión de la bomba mas un pequeño porcentaje de la presión diferencial entre la succión y la descarga. El empaque en un bomba vertical esta a menudo sometida a la presión de descarga total de la bomba. Muchas bombas de etapas múltiples tienen una caja de empaque sometida a la presión de succión de la bomba y otra a la presión de una etapa intermedia o de la presión de descarga. Entonces puede ser necesario saber mas acerca de las presiones a que se someterá el equipo para determinar la presión total que afecta al sello mecánico. La mejor fuente de información sobre esta presión en la caja de estopas es el fabricante del equipo ya que lo han probado para determinar las presiones en la caja de empaque. Para equipos instalados en el área de trabajo la forma mas fácil para determinarla es mediante un manómetro colocado en la caja de empaque. i) Limites presión-velocidad Las dimensiones del eje y el sello, la velocidad periférica, los materiales de las caras de contacto y las características del producto son todos factores

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muy importantes en la determinación de las limitantes de presión de un sello mecánico para una aplicación específica. Cada diseño tiene su limitación de presión y hay que considerar así mismo los materiales empleados en las caras de contacto con respecto a la velocidad. Esta es tan importante como la presión en la determinación del desempeño del sello mecánico. Los sellos no balanceados pueden usarse a relativamente altas presiones si las velocidades son bajas, pero si estas son altas se requieren a veces sellos balanceados aun si las presiones son bajas. La velocidad periférica se expresa en m/s. j) Diseño de equipo El diseño del equipo así como las condiciones de operación deben considerarse en la selección del sello mecánico adecuado. El diseño de la manga o del eje, el método de instalación y otros factores son los que intervienen en la buena selección del sistema de sellado mecánico. k) Diseño de la manga o del eje En bombas pequeñas el sello se monta sobre un eje sólido pero por conservación del equipo se recomienda montarlos sobre casquillos o mangas las cuales se tienen los diseños de la figuras.. Para cumplir con los requisitos de seguridad y protección ecológica, la selección de sellos dobles se hace popular en el medio industrial, por ejemplo en los casos de aplicaciones de alta temperatura donde existe el riesgo potencial de incendio o una explosión. l) Velocidad de rotación El desarrollo de las bombas centrífugas de altas velocidades, llegando hasta 3800 rpm en algunos casos nos lleva a la generación de gran cantidad de calor en las caras de contacto del sello mecánico. En el caso de altas velocidades deberá diseñarse el sello para evitar efectos centrífugos que afecten la formación de una buena película de lubricación entre las caras.

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Generalmente se recomienda utilizar sellos de resortes múltiples estacionarios a velocidades mayores de 4500 rpm. En el otro extremo, en equipos de muy baja velocidad debemos diseñar un sello que evite la posibilidad de trabajo en seco. 3.6.- Ventajas técnicas económicas Como mencionamos al principio, el sello mecánico tiene grandes ventajas sobre el empaque tales como: 1.- Reducción fricción y perdida de potencia. 2.- Elimina desgaste prematuro de la flecha o manga. 3.- Mínima o invisible fuga del fluído bombeado 4.- Capacidad para absorber el juego y deflexión normales del eje rotativo. 5.- Reduce tiempos de mantenimiento y su frecuencia 6.- Permite operar con seguridad fluídos tóxicos, corrosivos o flamables. Por todas las ventaja mencionadas el uso del sello mecánico en todo equipo de eje rotativo ha proliferado en la industria. Otro punto de importancia son los ahorros que se tienen con el uso de este dispositivo en todos los aspectos. Esto nos lleva a la consecución de objetivos primordiales como la seguridad, el control de emisiones y la reducción de costos. El uso del sello mecánico no solo reduce los costos en el sistema de sellado que emplea en un determinado equipo si no también nos produce ahorros con respecto a otros elementos como son: - Chumaceras - Cimentaciones - Flechas - Equipos completos

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3.7.- Instalación operación y mantenimiento Un sello mecánico es un dispositivo de ingeniería de precisión y debe ser instalado cuidadosamente en el ambiente apropiado para el diseño determinado. Los diseños de sellos y los materiales de los cuales se componen están disponibles para cumplir varias condiciones operativas de los procesos industriales. Básicamente todos los sellos mecánicos consisten de 3 elementos fundamentales como: 1.- Un juego de caras de sello ( una rotatoria y otra estacionaria) 2.- Un juego de sellos secundarios 3.- Componentes (resortes, bridas collares de arrastre ). 3.7.1.- Instalación El funcionamiento del sello dependerá en gran parte de la buena selección para las condiciones de operación en donde trabajara este. Una buena inspección del equipo antes de instalarlo hará tener menos fallas y gastos de mantenimiento por la inversión de horas hombre en el armado y desarmado del equipo que se trate. 3.7.2.- Procedimientos de arranque Los sellos mecánicos están diseñados para operar con líquido y las caras de este, deben estar sumergidas en el líquido desde el comienzo de la operación Fig (15). La operación en seco rayara las caras de contacto. El equipo no se debe hacer funcionar en seco mientras se verifica la rotación del motor. La suciedad y el material extraño deben sacarse del sistema antes del arranque. Esto es común en obras en construcción por lo que al iniciar la operación de la planta se arrastran por la tubería todos los desechos de soldaduras y rebabas que finalmente van a dar las cajas de empaques de las bombas y por consiguiente a los sellos mecánicos.

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Para evitar esto se usan normalmente coladores en la succión de los equipos. Ventilar la caracaza de la bomba para eliminar el aire atrapado en la parte superior de la misma. Abrir las líneas de enfriamiento, calentamiento y descarga y dejarlas así. Un ruido en el inicio de la operación del sello indica que las caras están funcionado en seco. Una línea de derivación de la descarga a la caja de empaque elimina esta condición. Al iniciar la operación es normal que se escape un poco de producto en forma de gota mientras se asientan las caras. Después de que el sello haya operado no hay que abrir las caras ya que se estableció un patrón de contacto y se perdería este teniendo que lapear nuevamente las superficies. 3.7.2.1.- Condiciones hidráulicas del equipo La cavitación de la bomba se nota usualmente por el ruido excesivo en la carcaza debido a que el producto excede su presión de vapor en el ojo de la entrada de impulsor. En realidad el producto hierve debido a las condiciones de vació que existen en el ojo del impulsor, para corregir esto las líneas de succión de la bomba debe agrandarse para conseguir un aumento en la cabeza de succión. La cavitación puede causar daño tanto a la bomba como al sello mecánico ya que causa vibración y la deflexión del eje misma que repercute en los rodamientos. También puede causar acumulación de calor en la caja de empaque provocando perdida de la película de lubricación y finalmente falla del sello. 3.7.2.2.- Operación de la bomba Al cerrar la válvula de descarga de la bomba se causa mayor deflexión y como resultado de esta hay sobrecalentamiento y a su vez la falla del sello. El tamaño de la bomba, el producto y la presión contribuyen a este problema. Algunos líquidos pueden hervir o convertirse en vapor instantáneamente en la cámara del sello por el calor de fricción de las caras de contacto, esto lo resolvemos con las líneas de lubricación del mismos fluído de la descarga de la bomba hacia la cámara provocando la disipación del calor por la recirculación la zona de mayor presión a una de menor presión.

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Figura 15.- Bomba con sello mecánico.

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3.8.- Fallas en los sellos mecánicos Un sello mecánico ha fallado cuando el escape es excesivo y las causas mas comunes son: a) Mal manejo de los componentes. Esto es permitir que los sellos se ensucien, se despostillen, sufran ralladuras o en general que se dañen antes de instalarse. b) Ensamble incorrecto del sello Incluye la colocación incorrecta de los componentes en la caja de empaque. c) Selección incorrecta del sello d) Selección errónea de los materiales para la aplicación dada, así como el tipo para presión, temperatura, velocidad y las propiedades del fluído. e) Arranque inapropiado Incluye olvidar la presurización del sello antes de arrancar la bomba o por descuido operar el sello en seco. f) Lubricación inadecuada Ausencia de la derivación de la descarga de la bomba hacia la cavidad del sello mecánico, controles de temperatura incorrectos. g) Contaminación del fluído Presencia de partículas sólidas en la cavidad del sello las cuales reducen la vida de las caras de contacto. h) Equipo en condiciones inadecuadas Equipo con problemas de deflexión y vibración excesiva en el eje. i) Sello desgastado El sello cumplió su ciclo de vida para el cual fue diseñado.

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3.9.- Reparación de averías de sellos mecánicos En esta parte enumeramos algunos problemas de mantenimiento, así como sus posibles soluciones. La mejor manera de determinar el porque existe la falla de un sello en un equipo es cuando este se encuentre en operación porque tenemos la oportunidad de analizar los sistemas de lubricación, temperaturas y vibración existente en el equipo. a) Problema: el sello lanza pequeñas cantidades de producto a la atmósfera. Causa: el producto se vaporiza y escapa a través de las caras del sello. Solución Mantener el fluído en condición líquida en la cámara del sello, verificar las condiciones de operación. Verificar sistema de lubricación que sea el adecuado. b) Problema: el sello fuga Causa: Los tornillos de sujeción de la bomba no están bien apretados. El empaque de la brida puede ser defectuoso. Las caras del sello pueden estar no planas. El empaque del eje puede estar dañado Las caras pueden estar dañadas Excesiva vibración en el equipo Solución: apretar correctamente la brida de sello. Lapear correctamente las caras de contacto. Revisar los sistemas de lubricación. c) Problema: el sello rechina durante la operación. Causas: cantidad insuficiente de líquido en las caras sellantes.

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Solución: Conectar una línea de mayor diámetro en la derivación de la línea de lubricación al sello. Instalar un buje de garganta en el fondo de la caja de empaques para aumentar la presión de la cavidad. Ventilar la caja de sello. Verificar la succión de la bomba. d) Problema: el polvo del carbón grafito de la cara se acumula en la parte de afuera de la brida. Causas: cantidad no suficiente de líquido entre las caras. La presión puede ser alta para el tipo de sello instalado. Solución: Verificar las condiciones de operación, sistema de lubricación y el tipo de sello recomendado. 3.9.1.- Análisis de fallas El análisis de las fallas repetitivas en un equipo es un arma muy poderosa para eliminar por completo estas. La diferencia entre la reparación de averías y análisis de fallas es que en la primera la atención es inmediata para la solución del problema, en el análisis la atención se concentra en los síntomas de la falla. Para el análisis de las fallas debemos hacernos los siguientes cuestionamientos: Que se ve en el daño encontrado? Como afecta el daño al funcionamiento del sello? Que indica el daño en relación al historial del equipo? Que medidas correctivas pueden adoptarse para eliminar la falla repetitiva? 3.9.1.1.-Falla del sello por acción química Las clases de acción química mas comunes son:

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a) Ataque químico general Síntomas: el ataque químico deja las partes con apariencia opaca de panal de abeja escamosa. El peso de las partes afectadas será mas bajo que las originales. Causas: El ataque químico es corrosión causada por el uso de materiales de construcción no adecuados para las condiciones de operación dadas. Acción: Obtener un análisis químico del producto y mejorar los materiales del sello. neutralizar el ambiente corrosivo mediante el uso de un plan de lubricación o arreglo de sello adecuado. b) Corrosión por desgaste Síntomas: es la mas común encontrada en los sellos mecánicos, esta daña el área de sello secundario y el área de la manga, esta aparecerá picada y brillante. Causas: Esto es por el movimiento del empaque secundario a lo largo del eje o una vibración constante . Acción Eliminar las causas de vibración por medio de la revisión de la excentricidad, movimiento axial y deflexión estén dentro de los rangos permitidos. c) Ataque químico en anillos “o” Síntomas: los anillos hinchados o los anillos que impiden el movimiento axial de la cara deslizante del sello se han dañado quedando endurecidos, quebrados, ampollados o carcomidos. Acción: Hacer un análisis químico del producto y evaluar los materiales recomendados como sello secundario. d) Lixiviación: Esto provoca un escape del sello menor pero continuo y un desgaste prematuro de las caras de contacto.

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Causas Ocurre por el ataque químico al aglutinante que sostiene el material básico en carbón, metal y cerámicos. El hidróxido de sodio y las soluciones de ácido flúorico atacan por lixiviación los aglutinantes de sílice libre en los anillos de cerámica y ocasionara el desgaste del carbón. Acción Mejorar el material de sello base cerámico pureza 99.5% para la aplicación de sosa. Para carburos de tungsteno aglomerados con cobalto presentan este síntoma por la acción de agua y químicos suaves recomendando utilizar carburo con aleación de níquel. El carburo de silicio sinterizado no es recomendable si no el alfa sinterizado. 3.9.1.2.- Fallas por acción mecánica Hay seis tipos de fallas de esta naturaleza. 1) Distorsión de la cara

Síntomas La fuga excesiva del sello indica distorsión en la cara y presentaran un desgaste no uniforma. Causas Ensamble inadecuado de las partes del sello mecánico pueden causar cargas no uniformes. Enfriamiento incorrecto. Acabado en el lapeado de las caras es incorrecto. Base de apoyo de la brida de sello no es plana. Acción Lapear nuevamente las caras. Rectificar el área donde apoyara la brida. Verificar dimensiones del alojamiento del equipo. 2) Deflexión de la cara de sello. Síntoma: desgaste irregular en la cara de sello en su periferia puede ser cóncavo o Convexo. Causas Apoyo inapropiado de la cara de sello. Hinchazón de los sellos secundarios

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Operación que sobrepasa los límites del diseño Equilibrio hidráulico inadecuado Acción Verificar los limites de operación del diseño y determinar si es el correcto o no. Montaje flexible para el sello estacionario. Reemplazo de caras por otros materiales de un modulo de elasticidad mas alto con lo cual se tendrá mayor resistencia a mayores cargas mecánicas. 3) Alineamiento Síntomas El desgaste de la superficie de la cara del sello es mas ancho que la nariz. Causas Esta condición puede ser por desalineamiento de las caras por equipo en malas condiciones o presión excesiva en los componentes del equipo. Acción Verificar el ajuste y centrado del sello y las condiciones de operación del mismo. 4) Extrusión Síntomas Los anillos “o” y otros sellos secundarios presentan deformación al ser forzados por la presión a través de las holguras de los alojamientos de los mismos. Causas Excesiva temperatura, presión o ataque químico. Acción Verificar que la holgura de alojamiento este dentro de las tolerancias de diseño. Verificar la compatibilidad química y los límites de temperaturas de los sellos secundarios. Instalar antiextrusión. 5) Erosión Síntoma: la cara del sello puede ser carcomida en un área específica. normalmente son las caras de carbón grafito. Causas: ritmos de descarga excesiva o el fluído de descarga contiene partículas sólidas.

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Acción Reducir el ritmo de la descarga Eliminar los abrasivos Colocar el área de descarga en otra área de la caja de empaque. 6) Desgaste en el área de arrastre del sello Síntoma: cara del sello en área de ensamble floja Causas: alto grado de movimiento entre el mecanismo de tracción y la superficie de desgaste. Acción Verificar las condiciones del equipo y el limite de juego del eje. Verificar las presiones de diseño del sello. 3.9.1.3.- Falla de sello por acumulación de calor a) Fractura por calentamiento Síntomas: se nota por la presencia de rajaduras finas y largas que parecen radiar del centro del anillo de sello, estas aristas raspan el carbón grafito y otros materiales. Causas: alto calor por la fricción en las caras de sello causado por: Falta de lubricación Vaporización en las caras Falta de enfriamiento adecuado Presiones o velocidades excesivas Acción Verificar las condiciones de operación Confirmar la disponibilidad del enfriamiento y el flujo adecuado Asegurarse de que el sello no este demasiado sobrecargado mecánicamente. b) Vaporización Síntomas La presencia de vapores, estallidos y ráfagas es evidencia de vaporización lo que provoca una vida mas corta del sello. En la inspección ocular se presentan despostilladuras en el diámetro interior y exterior. Causas: Esta ocurre cuando el calor generado no se elimina por la lubricación y el líquido entre las caras de contacto hierve.

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La vaporización puede ocurrir por estar el líquido muy cerca de su presión de vapor en la cavidad del sello. Acción Mejorar la lubricación Asegurarse que la presión en la cavidad del sello es superior a la presión de vapor del producto. c) Generación de ampollas Síntomas: Se caracteriza por la aparición de secciones circulares en el área del sello de carbón. Estas ampollas separan a las caras durante la operación provocando así la falla. Causas La falta de permeabilidad de la cara de carbón por lo que el producto normalmente penetra en este al estar sin operar el equipo y cuando opera y hay generación de calor el aceite trata de salir generando estas ampollas. Esta falla ocurre normalmente en equipos que manejan aceites derivados del petróleo. Acción Reducir la viscosidad del fluído aumentando la temperatura. Eliminar los materiales porosos. d) Oxidación y coque facción Dejan un barniz o un lodo en el lado atmosférico provocando un atascamiento en el sello. Causas Es el resultado de la descomposición del producto para formar residuos. Acción Aplicar una purga de vapor hacia el lado atmosférico. Inyectar un fluído limpio de una fuente externa. Reemplazo de caras de carbono por caras duras. Aplicar un sistema de enfriamiento apropiado. Normalmente los hidrocarburos deben enfriarse a 121°C en la cavidad del sello para evitar este descomposición. En resumen podemos decir lo siguiente con respecto al análisis de fallas: Observar cuidadosamente las características del problema y de ahí partir analizando las posibles soluciones aplicando un acción correctiva apropiada no olvidando cuidar la relación de costo beneficio y la disponibilidad de las soluciones en el mercado.

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4.- PROCESO DE LAPEADO 4.1.- Definición Sin el proceso de lapeado, la manufactura de sellos mecánicos seria impráctica. El lapeado se define como un proceso de remoción efectuado por medio de un abrasivo libre, aplicado entre la superficie de trabajo y la máquina. El proceso de lapeado, en si mismo, es un poco mas complicado que el simple rozamiento entre dos piezas con un abrasivo entre ellas. La base de la lapeadora es un soporte donde se montan varios componentes. El principal es un motor y su reductor de velocidad. La razón de la reducción de la velocidad de giro del plato lapeador contempla dos aspectos: si la velocidad de rotación del plato es muy alta el abrasivo, algunas veces llamado compuesto, tendera a ser expulsado del plato debido a la fuerza centrífuga. Si el abrasivo es expulsado del plato no habrá tiempo suficiente para que los granos abrasivos penetren dentro de la pieza a lapear, provocando una remoción de material nula o deficiente. Sobre el plato lapeador se utiliza también, un aceite llamado vehículo o pasta lapeadora. El aceite o vehículo cumple varias funciones, entre ellas se encuentra la de ser un lubricante que reduce el calor generado debido a la fricción, pero lo mas importante es la de servir de transporte de grano abrasivo. Además retarda la velocidad que el abrasivo necesita para ser expulsado por el plato igualando la fuerza centrífuga. Alrededor del plato se montan una serie de anillos contenedores llamados anillos acondicionadores. Los anillos están soportados por unos brazos que impiden su expulsión por la fuerza centrífuga originada por el movimiento del plato lapeador, estos anillos giran debido a la transmisión del movimiento generada a partir del plato. El objetivo del lapeado es producir una planicidad en la pieza trabajada y para ello necesitamos mantener la planicidad del plato al tiempo de efectuar la remoción de material. Los anillos acondicionadores, normalmente 3 ó 4, cumplen estas funciones de dos maneras asegurando el lapeado de las piezas Fig (16).

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Figura 16.- Anillos de una máquina lapeadora.

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Una manteniendo las piezas en movimiento provocando la remoción. La otra es que los anillos provocan un movimiento de las piezas del interior al exterior del plato, evitando que sufra ondulamiento ayudando a mantener la planicidad del mismo. Sin embargo, esto ocasiona otro problema la velocidad tangencial del diámetro interior es menor a la velocidad tangencial del exterior. El efecto de esto es que presenta menor cantidad de compuesto abrasivo cerca del centro que en la periferia. Si el diámetro exterior del plato recorre una distancia mayor que el diámetro interior tendera a causar un ondulamiento o condición convexa en el plato, esto se soluciona colocando en distintas posiciones los brazos de soporte de los anillos de tal manera que corrijan el desgaste no uniforme. 4.2.- Razones de lapeado La justificación para el lapeado reside en cubrir los siguientes aspectos: a.- Exactitud o precisión de planicidad b.- Exactitud o precisión dimensional c.- Satisface los requerimientos o necesidades del acabado fino. d.- Satisface las necesidades del producto (tolerancias cerradas). La planicidad o acabados obtenidos por este proceso pueden extender considerablemente la vida de un producto, eliminando problemas subsecuentes. e.- Reduce el costo de fabricación de mandriles o elementos de sujeción. la generalidad de las piezas se pueden sujetar sin aditamentos especiales. 4.3.- Vehículo y polvo lapeador Los vehículos a base de aceite vienen en tres grados #3, #4, #6. El numero 3 y el 6 son muy similares y en ocasiones se pueden sustituir sin mayores complicaciones. Tabla 2.- Vehículos con base de aceite #3 #4 #6 Viscosidad 34°C 34 42 35

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Para elaborar compuestos con polvo de 30 micras o mayores se utiliza #3 ó # 6. Cuando el diámetro de la partícula sea menor a las 30 micras se deberá utilizar el vehículo # 4 por su mayor viscosidad. Una micra es una milésima de mm (0.001mm), en el sistema ingles una milésima de milímetro es igual a 0.00003937 ” pulgadas para efectos prácticos. Para los materiales suaves (debajo de 50 Rc) se utilizan polvos de óxido de aluminio, para durezas mayores o cuando se requiere aumentar la velocidad de remoción se utilizan polvos abrasivos de carburo de silicio. Una cuestión a considerar en el uso de ambos polvos es el costo, los polvos de carburo de silicio son substancialmente mas altos que los óxidos de aluminio. Acabado en micro pulgadas

Oxido de aluminio Carburo de silicio

2-5 1950 2950 5-10 1700 2800 10-15 1500 2600 15-20 1400 2500 20-25 1300 2400 25 ó mayor 1220 2220 Tabla 3.- Grados de acabado de polvos para lapear. Después pulir con papel 4/0 La ventaja de trabajar con carburo de silicio es que se aumenta la remoción entre un 30 y 40% en relación al óxido de aluminio. La proporción de mezclado para un compuesto es de 8 a 10 onzas por cada galón de vehículo. 4.4.- Medición de planicidad Hay muchos caminos para medir la planicidad. Existiendo innumerables instrumentos que la indican con la exactitud o precisión de millonésimas de pulgada, sin embargo estos instrumentos son excesivamente caros y su aplicación en los procesos productivos no es factible.. El plano óptico es la solución ideal siendo único requisito el que la pieza a medir sea reflectiva, es decir este pulida.

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La unidad de medida es la banda de luz que equivale a 11.6 millonésimas de pulgada. esta dimensión esta dada por la fuente de luz utilizada. Todas las luces, como la proveniente de un foco ordinario, tienen diferentes longitudes de onda. Si tomamos una lámpara ordinaria no apreciamos las bandas de interferencia al utilizarse el plano óptico. El plano óptico funciona con una fuente luminosa que emita ondas de una sola longitud, esta luz es conocida como monocromática. Esta fuente luminosa la obtenemos a partir del gas helio. Cuando es excitado eléctricamente ondas luminosas de una sola longitud de onda. Esta longitud de onda es igual a 23.13 millonésimas de pulgada, la mitad es de 11.6 que es la unidad de banda luz. Según el principio básico de la óptica nos indica que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión Fig (17). Cuando usamos un plano óptico para medir la planicidad estamos midiendo la diferencia en distancia de la longitud de onda que atraviesa el plano y es reflejada. Refiriéndose al esquema siguiente veremos que en el punto a el plano óptico y la pieza a medir se tocan. La luz reflejada esta a 180 fuera de foco y la onda entrante y la reflejada se interfieren. En el punto b la luz viaja mas (1/2 longitud de onda) y la luz reflejada refuerza la entrada de luz. En el punto c la onda viaja una onda completa o múltiplos de la longitud de onda completa que atraviesa el plano óptico, provocando una interferencia (bandas negras). Cuando la distancia reflejada es la mitad de la longitud de onda o un múltiplo de la mitad, la luz es reforzada provocando las bandas brillantes.

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Figura 17.- Medición de la planicidad

___ Luz ----- Luz reflejada

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5.- LUBRICACIÓN DE SELLOS

5.1.- Características Como se menciono el principio de operación de un empaque al igual que en un sello es una película de lubricación del fluído que se trate entre las caras de contacto. En el empaque la superficie de contacto esta entre el eje y la misma en forma axial. En los sellos esta entre ambas caras de contacto en forma radial. Las caras de contacto deben estar planas y pulidas, dicha planicidad de las caras de contacto la obtenemos con el proceso de lapeado. Para mantener esa película de lubricación se desarrollaron arreglos o planes ya que estos nos ayudan a mantener el fluído en condición líquido y evita que se vaporice entre las caras, arrastrando el calor generado por la fricción entre las caras del sello mecánico, al momento de operar el equipo y cause que el sello opere en seco ocasionando con esto fallas prematuras. El desarrollo de estos planes de lubricación los llevo a cabo el Instituto Americano del Petróleo (A.P.I). 5.2.- Arreglos de planes de lubricación Los planes de lubricación son varios pero los mas comúnmente usados son los siguientes. Plan 11 Este es obligatorio para todos los sellos en arreglo sencillo. El producto bombeado es retornado de la descarga de la bomba hacia la cavidad del sello o caja de estoperos proporcionando enfriamiento a las caras de contacto y evitando la formación de vapores en la cavidad Fig (18).

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Plan 13 Este plan es un común para bombas verticales. Estas bombas están diseñadas de tal manera que el sello recibe totalmente la presión de descarga de la misma cosa que no sucede en bombas horizontales. En este caso la recirculación o lubricación se lleva a cabo retornando el fluído de la brida de sello a la succión de la bomba. Plan 31 Es especificado cuando el fluído de proceso no puede ser pasado a través de un separador ciclónico por lo que se aplica la inyección de un fluído externo al equipo a mayor presión que la existente en la caja del sello de la bomba Fig (20). El líquido aplicado debe ser compatible con el de proceso y limpio. Plan 32 Es especificado solamente para servicios donde se encuentran sólidos en suspensión. El líquido es tomado de la descarga de la bomba centrifugándolo en un separador ciclónico separando así los sólidos y enviándolos a la succión de la bomba, el líquido limpio es enviado al sello mecánico Fig (19). Plan 23 Este plan es aplicable para servicios calientes, como inyección a calderas y muchos hidrocarburos. Se utiliza un cambiador de calor por el cual se hace pasar el fluído de proceso bajando su temperatura y retornándolo al sello mecánico Fig (21). Para sellos en arreglo doble o en serie (tandem) el plan de lubricación puede ser abierto o cerrado dependiendo del proceso donde se aplique el sello mecánico Fig (22). Plan 52 Este plan es aplicable a sellos en arreglo en serie (tandem) y donde no se permiten fugas a la atmósfera. El fluído con el que se lubrican los sellos es contenido en un recipiente a presión atmosférica el cual a su vez es un cambiador de calor con el que se retira el calor generado por los sellos mecánicos.

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El fluído de lubricación debe ser compatible con el fluído de proceso Fig (23). Plan 53 Este plan es aplicable a sellos en arreglo doble y donde no se permiten fugas a la atmósfera, en productos con sólidos, cancerigenos o inflamables. El fluído con el que se lubrican los sellos es contenido en un recipiente a presión arriba de la de proceso el cual a su vez es un cambiador de calor con el que se retira el calor generado por los sellos mecánicos. El fluído de lubricación debe ser compatible con el fluído de proceso Fig (24). Plan 62 Se utiliza como limpieza en el lado atmosférico en las caras del sello mecánico. El fluído a utilizar es de una fuente externa y puede ser agua, vapor o nitrógeno.

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Empleado con fluído de proceso limpio Plan 11 Circulación desde la descarga de la bomba a través de un orificio

Figura 18.- Plan de lubricación 11

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Empleado con fluído de proceso sucio o especial Inyección de un fluído externo limpio compatible con el proceso y no peligroso para el ambiente

Figura 19.- Plan de lubricación 32

P

T

T

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Empleado con fluído de proceso sucio o especial Circulación desde la carcasa de la bomba a través de un separador ciclónico

Figura 20.- Plan de lubricación 31

Reducción de lacantidad de sólidos

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Empleado con fluídos de proceso limpios Circulación del fluído buffer mediante un anillo de bombeo a través de un intercambiador de calor

Figura 21.- Plan de lubricación 23

T

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Figura 22.- Tipos de sistemas de lubricación

Circuito abierto

Circuito cerrado

Sello

Venteado

Tanque

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Figura 23.- Plan de lubricación 52

Indicador de nivel Cambiador de calor

Instrumentación

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Figura 24.- Plan de lubricación 53

Plan 53

Instrumentación

Indicador de nivel Cambiador de calor

Fuente de presión externa

Instrumentación

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Figura 25.- Plan de lubricación 62

Indicadorde nivel

T

PI

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6.- SELLOS MECÁNICOS PARA COMPRESORES CENTRÍGUFOS

6.1.- Características generales Los sellos mecánicos para los compresores centrífugos son similares a los diseños aplicables en bombas Fig (26). Constan de los mismos elementos, se diseñan en los mismos arreglos y se utilizan los mismos materiales de construcción para el caso de sellos mecánicos llamados húmedos; esto es que el fluído a sellar en el equipo que se trate proporciona la lubricación para disipar el calor generado por la fricción entre las caras de contacto. Con el avance de la tecnología se resolvieron los problemas presentados por estas máquinas en su operación en diferentes procesos. El problema mas grave era la contaminación del gas comprimido por el compresor con el aceite de lubricación utilizado para el sello mecánico húmedo. Para los compresores se aplicaron los mismos conceptos que para las bombas solo con la diferencia del estado físico del fluído manejado. En las bombas es líquido y en el compresor es gas. De acuerdo a esto se determino que la única variación en el diseño o los diseños seria la forma de lubricar el sello para disipar el calor. La variante en el fluído llevo a la conclusión de que solo la conformación de una de las caras del sello resolvería el problema. Una de las caras de contacto se le conformaron una serie de ranuras. En estas ranuras el gas es atrapado incrementándose al final de esta su presión provocando con esto que la estacionaria y la rotatoria se separen 0.0001” a 0.0002”, la separación se obtiene cuando la fuerza de cierre y la de apertura son iguales formándose la película de fluído necesaria para la separación, estas ranuras pueden ser tipo “V” unidireccional o tipo U” bidireccional Fig (27,28). Con este diseño se sello se eliminaron los sistemas de lubricación o de aceite para los sellos mecánicos húmedos Fig (29).

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Aplicando el concepto de la lubricación al sello seco se obtuvo un panel de control con unidades de filtrado de gas. 6.1.- Funcionamiento El funcionamiento es como sigue: El gas buffer inyectado al sello debe ser del mismo compresor o de una fuente externa, mismo que es pasado por las unidades de filtrado. Esta unidad de filtrado consta de un filtro de partículas y uno coalescente los cuales son monitoreados por un par de manómetros que registran la presión diferencial y nos indican el momento en que se debe sustituir el elemento filtrante. Después de los filtros el gas llega al panel de control y se registra la presión a la cual se inyectara el gas a los sellos mecánicos. Estos sellos al igual que los húmedos permiten una pequeña fuga la cual se conduce a un venteo, cuando existe alguna falla la fuga se incrementa esta es contenida por válvulas haciendo que se incremente la presión en la segunda cámara logrando con esto que el sello de seguridad entre en operación conteniendo la fuga del gas. Este sello de seguridad también tiene una pequeña fuga que es registrada por un rota metro y conducida al venteo. 6.2- Ventajas Las ventajas de este sistema de sellado son: Solución a problemas con equipos adicionales para manejo de aceite del sistema de lubricación de sellos mecánicos húmedos. Operación prolongada por el no desgaste de caras de contacto Fácil operación

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Figura 26.- Compresor centrifugo

Sellos Mecánicos

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Figura 27.- Cara de sello ranurada en “V”

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Figura 28 .- Asiento ranura tipo “u”

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Figura 29.- Sello mecánico para compresor centrífugo

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1 Indicador de presión

2 Válvula de bola

3 Filtro de partículas

4 Válvula de bloqueo

5 Filtro coalescente

6 Indicador de presión diferencial

7 Interruptor de presión diferencial

8 Válvula de drenado

9 Indicador de presión diferencial

10 Interruptor de presión diferencial

11 Indicador de presión

12 Válvula reguladora

13 Interruptor de presión

14 Indicador de presión diferencial

15 Orificio

16 Indicador de presión

17 Válvula de bloqueo

18 Válvula check

19 Indicador de flujo

Figura 30.- Diagrama de instalación de sellos y unidades de filtrado.

A.- Conexión para suministro de gas barrera.B.- Conexión de fuga de sello primario. C.- Conexión de fuga de sello secundario.

DPSL.-Interruptor de presión diferencial PSH.- Interruptor de alta presión PSHH.- Interruptor de alta alta presión DPSH.- Interruptor de alta presión de diferencial

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7.- NORMAS DE SELLOS MECÁNICOS

7.1.- Antecedentes Con la finalidad de que se tuviera un estandard en la fabricación de bombas centrífugas, compresores centrífugos y sellos mecánicos para las mismos equipos tanto en el continente americano como europeo y asiático se generaron las normas que rigen la fabricación y aplicación. Para la industria petrolera se emitió el código A.P.I. 610 , DIN y ANSI para la industria en general, en los cuales se indica tolerancias arreglos y dimensiones de los sellos mecánicos que deben asumir los fabricantes de los equipos. En la actualidad se emitió una normatividad exclusiva para sellos mecánicos en la industria petrolera como es el código API 682 el cual contempla solo tres tipos de arreglos de sellos y los materiales de sus componentes. Con respecto a la norma DIN y ANSI no se han modificado, ya que los equipos y procesos no son tan severos como en la industria del petróleo. Las modificaciones se hicieron con la finalidad de reducir inventarios en los almacenes de las industrias y tratar de homogeneizar las aplicaciones. 7.1.1.- Norma A.P.I 610 Esta es una norma emitida por el American Petroleum Institute la cual esta dirigida a la aplicación de bombas y sellos mecánicos en la industria petrolera, considera en sus secciones lo relacionado a la bomba y solo una parte al sello mecánico. No cubre ningún criterio específico de diseño solo establece los parámetros de selección y aplicación. En parte correspondiente al sello mecánico se sugirieron los siguientes puntos: a.- Espesor de camisa o manga b.- Extensión de camisa o manga con respecto a la brida c.- Uso de empaques secundarios y opresores. d.- Diseño de camisas o mangas. e.- Tolerancias de maquinado de ejes y cajas de alojamiento de sello. f.- Bujes de restricción h.- Arreglos de sellos mecánicos, conexiones de brida y simbología. i.- Código de clasificación

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7.1.1.1.- Espesor de camisa o manga La camisa o manga del sello mecánico debe estar fabricada con material resistente al desgaste, corrosión y erosión con la finalidad de proteger el eje del equipo. El espesor mínimo debe ser de 0.100” Fig (30).

Figura 30.- Espesor de camisa o manga 7.1.1.2.- Extensión de camisa o manga con respecto a la brida. La camisa debe se extendida mas allá de la cara de la brida del sello mecánico. Esto se hace con la finalidad de poder identificar por que parte del sello se presenta la fuga cuando ocurre una falla Fig (31).

Figura 31.- Extensión de camisa o manga

camisa

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7.1.1.3.- Uso de empaques secundarios. Un empaque secundario debe ser utilizado en algún extremo de la camisa así como opresores en un collar de arrastre Fig (32).

7.1.1.4.- Diseño de camisas o mangas. La camisa es normalmente asegurada con el impulsor de la bomba dando el arrastre por medio de una cuña y sellando por con un empaque Fig (33).

Figura 32.- Empaques secundarios

Figura 33.- Diseño de camisas o mangas

Opresores

CamisaEmpaque

Arrastre

Anillo

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7.1.1.5.- Tolerancias de maquinado de ejes y cajas de alojamiento de sello. La tolerancia a de maquinado del eje con respecto a la caja de la bomba se sugiere no debe exceder de .002” y una rugosidad de 50 y de la caja con respecto al eje de 0.001 Fig (34).

7.1.1.6.- Bujes de restricción Se recomendaron para tener una tolerancia cerrada entre el eje y el sello mecánico Fig (34).

Figura 35.- Bujes de restricción

Figura 34.- Tolerancias de maquinado de alojamiento de sellos

Buje cuadrado Buje tipo “L”

Buje tipo balance Buje tipo de labio

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7.1.1.7.- Arreglos de sellos mecánicos y conexiones de brida Los estándares de arreglos de sellos que marca este código son sencillo, dobles y en serie (tandem) de igual manera sugiere la nomenclatura de las conexiones de brida para enfriamiento del sello así como la simbología de los mismos Fig (35),Tabla 4.

Sello Sencillo

Sello arreglo doble

Sello arreglo en serie (tandem)

Figura 35.- Arreglos de sellos mecánicos

SalidaEntrada

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Tabla 4.- Simbología de conexiones de brida

Simbología Conexión B Fluído Barrera (Barrier Fluid) C Enfriamiento (Cooling) D Drenado (Drain) F Enjuague (Flush) H Calentamiento (Heating) Q Sofoque (Quench) V Venteo (Vent) Las siguientes letras deben ser usadas en combinación con las de arriba.

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7.1.1.8.- Código de clasificación En este apartado el A.P.I. clasifica los sellos mecánicos de acuerdo a su arreglo así mismo sugiere los materiales de los empaques secundarios Fig 36,37,38). Tabla 5.- Codificación de sellos mecánicos

Este código consiste en 5 letras.. La primer letra designa el balance hidráulico B = Balanceado (Balanced) U = Sin Balancea (Unbalanced) La segunda letra designa la configuración S = Sello sencillo (Single Seal) D = Sello doble (Double Seal) T = Sello tandem (Tandem Seal) La tercer letra designa la brida y auxiliares) P = Plana sin buje de restricción (Plain, no Throttle Bushing) T = Con buje, dren y venteo (Throttle Bushing with vent and drain) A = Dispositivo auxiliar de sellado (Auxiliary Sealing Device ) La cuarta letra designa los materiales de los empaques secundarios. E, F, G, H, I, R, X o Z. (Ver Tabla 6) La quinta letra designa los materiales de las caras de contacto. L, M, N o X. (Ver Tabla 7)

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Tabl

a 6

Tabl

a7

91

7.1.2.- Norma A.P.I. 682 La Norma API 682, 1a Edición de Octubre 1994, sugiere características de sistemas de sellado para bombas rotatorias en la industria del petróleo. Esta norma esta basada en las características de la norma A.P.I. 610 en sellos mecánicos y esta enfocada solamente a estos y no a las características de las bombas donde se instalen los sellos mecánicos. Esta norma clasifica los sellos en 4 tipos que son: Tipo A sello rotatorio de empuje (Fig 36,37) ( Resortes múltiples) Tipo B sello rotatorio de fuelle metálico (Fig 38) (no empuje) Tipo C sello estacionario de fuelle metálico (Fig 39) Tipo ES Diseños especiales (Fig 40,41) De igual manera clasifica los arreglos en 3 que son: Arreglo 1 Sello Sencillo Arreglo 2 Sello Dual (arreglo tandem) con el sello externo NO presurizado Arreglo 3 Sello Dual (arreglo tandem) con el sello externo presurizado Asi mismo hace recomendaciones sobre los materiales tanto en caras de contacto, metalurgia y empaques secundarios para las diferentes aplicaciones en los procesos industriales (Tabla 8). De igual manera establece sugerencias sobre dimensionamiento en equipo de bombeo en aplicaciones de la industria del petróleo en relación a las cajas donde serán alojados los sellos mecánicos (Tabla 9). También indica las posiciones de las conexiones para lubricación del sello mecánico, y las dimensiones necesarias de los sistemas de lubricación para sellos en arreglo doble o en serie (tandem) Fig 42.

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Tabla 8.- Materiales especificados por el código A.P.I. 682

Tipo A B C Caras Carburo de Silicio vs Carbón A X X X Carburo de Silicio vs Carb. Tungs. X X X Elementos de Sellado Secundario FKM, por ejemplo Viton X X --- Perfluoroelastómero, FFKM X X --- Grafíto Puro Moldeado --- --- X Resortes / Fuelle Metálico Acero inoxidable (X) --- --- Hastelloy X X --- Inconel

--- --- X

Carcasas, Camisa, Bridas, Collar Acero inoxidable X X X Duplex X X X

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�Arreglo 1,Tipo A �Sencillo �Balanceado �Independiente del sentido de rotación �Múltiples resortes �Anillo multipuerto (distribución de la inyección de fluído) �Buje flotante (sellado auxiliar) Aplicaciones en productos limpios

Figura 36.- Sello rotatorio de empuje (Resortes Múltiples)

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�Arreglo 2 o 3, Tipo A Sello interno: Para presión inversa. �Resortes múltiples �Asiento interno para presión inversa Sello interno con anillo de bombeo

Figura 37.- Sellos rotatorios de empuje

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Arreglo 1,Tipo B �Sencillo �Balanceado �Independiente del sentido de rotación �Fuelle metálico

Figura 38.- Sello rotatorio de fuelle metálico de no empuje

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Figura 39.- Sello estacionario de fuelle metálico de no empuje

Arreglo 1, Tipo C

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Arreglo 1, Tipo ES Figura 40.- Sello estacionario de resortes múltiples de no empuje especial

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Figura 41.- Sellos de fuelle metálico no empuje

Arreglo 2 o 3, Tipo ES

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Tabla 9.- Dimensiones de caja y posición de conexiones de lubricación

Sello sencillo

Próxima obstrucción Barrenos de brida

Sello dual

Próxima obstrucción

Ceja exterior de brida

Tamaño de caja

Diámetro max. d1

Diámetro de caja

d2

Circulo de Barrenos

d3

Ceja exterior de

brida d4

Longitud total

minima (C)

Próxima obstrcción

(E)

Tamaño de

barrenos (SI.)

Tamaño e

barrenos (US)

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Figura 42.- Sistema de lubricación para sellos dobles

FO- Placa de orificio LI- Indicador de nivel LSH-Switch de alto nivel PI- Indicador de presión Lsl-Switch de bajo nivel psh- Indicador de alta presión

Saliente de montaje

Tubing de salida líquido enfriamiento

Tubing de entrada líquido enfriamiento

Venteo

Entrada

Salida

Dren

Llenado

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7.1.2.1.- Materiales de empaques secundarios por A.P.I. La mayor parte de los sellos mecánicos utilizan sellos secundarios elastoméricos tanto el estático como el dinámico. Un elastómero es un material natural o sintético. Esencialmente los requerimientos para un elastómero son: 1.- No debe romperse cuando sea estirado al 100%. 2.- Después de haberse estirado al 100% por 5 minutos este debe recuperar su dimensión original en el mismo periodo. Los componentes son mezclas a base de polímeros y otros químicos para formar un material elastomérico. Hay gran cantidad de variaciones de un material básico. Un material básico puede ser mezclado con varios porcentajes de refuerzo y agentes vulcanizantes y otros materiales para formar un componente con distintas propiedades. A continuación se indican los componentes elastoméricos mas utilizados como sellos secundarios. Butyl (Polyisobutileno,IIr) Tiene excelente resistencia al fuego, esteres y fluídos hidráulicos. Resistencia de temperatura de –53 a 108°C. Es deficiente en productos derivados del petróleo. gr. .92 Cloropreno (Neopreno,cr) Rangos de temperatura de –40 a 100°C. Este material es muy flexible, se usa para refrigerantes, aceites con punto de anilina alto, ácidos suaves y agua. No se recomienda para fosfatos o acetonas. gr. 1.23 Etileno propileno (nordel, cranelast, epdm, ept) Rangos de temperatura de –45 a 150°C. es un material usado para la fabricación de anillos “o” y ampliamente usado para el manejo de agua caliente, fosfatos, vapor y alcoholes. No se debe usar en productos derivados del petróleo. gr. .86

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Fluorocarbon (vitón, fluorel,fkm) Rango de temperatura de –23 a 204°C. tiene resistencia a alta temperatura, usado para aceite derivados del petróleo, ácidos, esteres. No se debe usar en aminas o clorados. Este se endurece con el amoniaco.gr 1.85. Fluorosilicón (fsi, fvmq) Rango de temperatura de -73 a 176°C. Tiene resistencia para aplicaciones en hidrocarburos en altas y bajas temperaturas .gr 1.40. Polyisopreno natural (nr) Rango de temperatura de –53 a 100°C. Se utiliza exitosamente en aplicaciones para vapor. Este material es un elastómero sintético y tiene composición química como el hule natural. gr 0.93. Nitrilo (buna-n, nbr) Rango de temperatura de –40 a 108°C. es usado para toda clase de empaques de sellado. Tiene gran resistencia a la compresión y la abrasión. Se usa con éxito en agua, hidrocarburos pero su debilidad esta en la aplicación en acetonas y fosfatos.gr 1.20. Perfluoroelastómero (kalrez) Rango de temperatura de –40 a 287°C. Este material es uno de los mas nuevos con excelente resistencia química semejante a la del teflón. No debe aplicarse en servicio de freones. gr 2.01. Polyacrilato (hycar) Rango de temperatura de –53 a 135°C. Este material posee una excelente resistencia a los ambientes oxidantes pero es un poco difícil de moldear. gr 1.14 Silicón (si) Fue el primer material resistente a la temperatura alta, su rango va desde -67 a 232 °C es muy pobre en ciertas propiedades como la resistencia

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tensil, la abrasión no se recomienda para acetonas ni fluídos derivados del petróleo. gr 1.00 Estireno butadieno (buna s, sbr) Rango de temperatura de –53 a 94°C, tiene propiedades semejantes al hule natural. Tetrafluoroetileno perfluoroelastómero Rango de temperatura de –45 a 260°C .usado para álcalis, acetonas, esteres, alcoholes y aceites. No tiene resistencia en agua caliente o vapor. gr. 2. Tetrafluoretileno propileno Rango arriba de 260°C en periodos cortos. Usado en ácidos bases, vapor aminas, solventes. gr.1.55. Politetrafluoroetileno Rango de temperatura de –267 a 260°C. Posee bajo coeficiente de fricción es moldeable y es comúnmente usado en aplicaciones de ácidos bases acetonas, esteres, alcoholes e hidrocarburos. gr. 2.1 7.1.2.1.1.- Identificación Los materiales se pueden identificar en campo con una simple prueba de flotación. La gravedad específica del componente elastomérico es comparada con la de un líquido conocido como se ejemplifica en Fig 43. 7.1.3.- Norma ANSI Este normas establecen las dimensiones para fabricación de equipo no aplicable a la industria distinta a la petrolera. 7.1.4.- Norma DIN Esta normas establecen las dimensiones de fabricación de equipo no aplicable a la industria petrolera pero de origen europeo.

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Figura 43.- Identificación de materiales elastoméricos.

Agua

Etileno Propileno 0.86

Neopreno 1.23 Vitón

1.85

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CONCLUSIONES

En el desarrollo del presente trabajo se trataron varios aspectos como: Clasificación de las bombas, esto es para dar una noción del equipo rotatorio que puede existir en un determinado momento en una planta y el cual hay que evitar fugas a través del estopero. Después se trato del inicio del sellado con empaque que como se puede observar en determinados casos es muy costoso este tipo de sellado. En seguida, se analizo el desarrollo que ha tenido el sello mecánico desde sus inicios hasta la actualidad. Después se trataron las diferentes instalaciones de sello mecánicos según normas A.P.I. las cuales rigen el sistema de sellado de cualquier equipo de bombeo en la industria petrolera, que también es aplicable a la no petrolera. Lo anterior con el fin de dar a conocer lo que muchas veces en cursos escolares no se menciona en el rendimiento de un equipo de bombeo y a su vez en una planta industrial. Además de que se esta tomando mucho auge la regularización de emisiones a la atmósfera así como el ahorro de energía. Con este análisis de materiales, tipos, arreglos y normas de los dispositivos de sellado industrial se determina que dependiendo del proceso existe la recomendación adecuada para el equipo ya sea válvula, bomba o compresor. El campo de control de emisiones es bastante amplio en cualquier parte donde se manejen fluídos, peligrosos y costosos. Asimismo tomando en cuenta lo mas importante, la calidad de las instalaciones y seguridad de la gente que labora en dicho lugar. La ingeniería en sistemas de sellado tiene como objetivo cooperar un poco en la preservación de nuestro ya tan contaminado planeta para las generaciones futuras.

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GLOSARIO DE TÉRMINOS

Brida.- Plato que aloja la cara estacionaria del sello y conexiones de enfriamiento. Collar de arrastre.- Parte del sello cartucho que transmite el movimiento del eje de la bomba a la camisa del sello mecánico. Estopero.- Alojamiento de empaque o sello mecánico en una bomba, compresor o válvula. Fluído barrera.- Es un fluído introducido en un sello mecánico doble independiente del fluído de proceso de la bomba. La presión es siempre mas alta que la presión de proceso. Fluído buffer.- Es un fluído usado como lubricante en un sello doble y su presión es siempre menor a la de proceso. Flush.- Es una cantidad pequeña de fluído que se introduce en la caja de alojamiento del sello mecánico en el lado proceso próximo a las caras de contacto con la finalidad de lubricar y disipar el calor. Quench.- Fluído neutral del lado atmosférico del sello mecánico para evitar la formación de sólidos. Sello Balanceado.- En este arreglo el efecto hidráulico de la presión en la caja de alojamiento del sello y las fuerzas de cierre han sido modificadas en el diseño del sello. Sello cartucho.- Es un sello totalmente ensamblado que incluye sello, brida, camisa y collar de arrastre.

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BIBLIOGRAFÍA 1.- American Institute Petroleum 610, Guía de Selección de Sellos Mecánicos 7th Edición, Ed. A.P.I., 1988. 2.- American Institute Petroleum 682, Guía de Selección de Sellos Mecánicos 1th Edición, Ed. A.P.I., 1994. 3.- Asociación Nacional de Industrias del Bombeo e Ingeniería, Selección y Operación de Bombas Centrífugas Curso Básico, México, 1988. 4.- Claudio Mataix, Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas, Segunda Edición, México, Ed. Harla 1982. 5.- Fabricante Marca John Crane, Seal Selection Manual, 1996. 6.- Kenneth Mcnaughton, Bombas Selección Uso y Mantenimiento, México, Ed. McGraw Hill, 1992. 7.- Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Guidelines for Meeting Emission Regulations for Rotating Machinary with Mechanicals Seals, USA, 1994. 8.- Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Guidelines for Meeting Emission Regulations for Compressors with Advanced Sealing Systems, USA, 1992. 9.- Theodore Baumeister, Manual del Ingeniero Mecánico Vol II, México, Ed. McGraw Hill, 1984.

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APÉNDICE A

Verificación de medidas en una bomba para instalación de un sello mecánico.

Juego axial de eje

Concentricidad de caja

Juego radial

Concentricidad de registro de brida

Excentricidad de eje

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos

Plan 01 Caja de sello para plan 01 Recirculación interna de la descaraga de la bomba al sello mecánico

V= Venteo I= Entrada Q/D= Sofoque/Drenado

Plan 02 Caja de sello para plan 02 Enfriamiento en cavidad del cuerpo de la bomba

Taponado

CI= Entrada de enfriamiento Co= Salida de enfriamiento

Plan 11 Caja de sello para plan 11 Recirculación de la descarga de la bomba por medio de orificio a sello mecánico

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos

Plan 12 Caja de sello para plan 12 Recirculación de la descarga de la bomba a través de un colador y orificio a sello mecánico. F= Enjuague

A succión de la bomba

Plan 13 Caja de sello para plan 13 Recirculación de brida de sello a través de orifico a succión de bomba F= Enjuague

Plan21 Caja de sello para plan 21 Recirculación de descarga de bomba a través de orificio y cambiador de calor a sello mecánico. F= Enjuague

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos

Plan 22 Caja de sello para plan 22 Recirculación de la descarga de la bomba a través de un colador, placa de orificio y cambiador de calor a sello mecánico.

Plan 23 Caja de sello para plan 23 Recirculación de la caja de sello mecánico a través de un cambiador de calor a sello mecánico. FO= Salida de enjuague FI= Entrada de enjuague

De la descarga de la bomba A la succión dela bomba

Plan 31 Caja de sello para plan 31 Recirculación de la descarga de la bomba a través de un separador ciclón, enviando el líquido limpio al sello mecánico y los sólidos a la succión de la bomba

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos.

Plan 32 Caja de sello para plan 32 Suministro de un fluído limpio de una fuente externa a sello mecánico PI= Indicador de presión T= Indicador de temperatura

Por vendedor Por comprador

Plan 41 Caja de sello para plan 41 Recirculación de la descarga de la bomba a través de un separador ciclón, un cambiador de calor y finalmente a sello mecánico y los sólidos a la succión de la bomba.

De la descarga de la bombaA la succión dela bomba

Plan 51 Caja de sello para plan Depósito de fluído externo para la conexión de sofoque en la brida de sello. Q1= Entrada de sofoque QO= Salida de sofoque

Venteo

Venteo

Depósito

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos.

Plan 52 Caja de sello para plan 52 Depósito con fluído para lubricar sello externo en arreglo dual sin presión BI = Entrada de fluido barrera BO= Salida de fluido barrera PS = Interruptor de presión PI = Indicador de presión FI = Indicador de flujo

Plan 53 Caja de sello para plan 52 Depósito con fluído para lubricar sello externo en arreglo dual presionado con un gas que puede ser aire o´ nitrógeno

Fuente de externa de presión

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos.

Fuente externa

Plan 54 Caja de sello para plan 54 Suministro de un fluído limpio de una fuente externa general para varios sellos mecánicos.

Plan 61 Caja de sello para plan 61 Conexiones taponadas para uso posterior en suministro de vapor o agua para limpieza exterior de sello mecánico.

Tapones

Plan 62 Caja de sello para plan 62 Conexión para suministro de vapor o agua para limpieza exterior de sello mecánico.

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APÉNDICE B Planes A.P.I. de lubricación a sellos mecánicos.

Simbología A.P.I

Cambiador de calor Indicador de presión

Indicador de temperatura

Switch de presión Separador ciclónico Indicador de flujo

Colador Válvula reguladora Válvula de bloqueo Válvula check Placa de orificio

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