EMPAQUETADURAS y SELLOS

Los sellos mecánicos

Se utilizan en las bombas centrífugas cuando no es práctico emplear empaquetadura convencional con superficies radiales de sellamiento. Las superficies de un sello mecánico se colocan en un plano perpendicular al árbol de la bomba, y consisten en dos superficies muy pulimentadas, extendidas contiguas, una conectada al árbol y, la otra, a la parte estacionaria de la bomba. Estas superficies se mantienen en contacto con un resorte y la holgura axial entre ellas la proporciona una película fina de liquido. El flujo del líquido sólo puede ser una gota cada cierto número de minutos o incluso una niebla del vapor que escape.

Hay dos disposiciones básicas de sellos: 1) montaje interno y 2) externo. Se pueden montar dos sellos mecánicos en un estopero para formar un montaje de doble sello. Esta disposición se emplea en bombas que manejan líquidos tóxicos o muy inflamables. Se suele inyectar entre los dos sellos un líquido de sellado, incoloro, filtrado, inerte a una presión un poco mayor que la presión que hay en parte de la bomba que está más adelante del sello.

Para servicio de algunas plantas de energía, el sellamIento por Inyección de condensado es superior que los sellos de empaquetadura convencionales o mecánicos. La empaquetadura convencional se sustituye por un buje reductor de laberinto y el manguito del árbol funciona dentro de este buje, con una pequeña holgura radial. Se introduce condensado frío en el centro del buje de laberinto para agotamiento a una presión mayor que la presión interna de la bomba. Una pequeña parte del agua de inyección fluye hacia adentro en la bomba; el resto sale hacia una cámara recolectora que tiene respiración a la atmósfera y regresa por un tubo al condensador.

Las empaquetaduras (o empaques)

Son medios para evitar o reducir al mínimo el escape de un fluido a través de los claros mecánicos, ya sea en el estado estático o el dinámico.

Las juntas se instalan en los claros estáticos que existen normalmente entre bridas paralelas o cilindros concéntricos. La acción de sello de las juntas de bridas planas se efectúa por la carga de compresión lograda por tornillos u otros medios mecanicos. La junta de cara completa no es recomendable, a causa de que el material exterior a los agujeros de los tornillos no es eficaz. La junta de anillo simple es más eficiente y económica. Con las bridas de contorno irregular. los agujeros de los tornillos pueden servir para ubicar la Junta, en cuyo caso se deben colocar en lóbulos con el ancho de brida de sellado completo, mantenido entre el borde interior de los agujeros y el interior de la junta. Los ajustes de metal con metal requieren un rebajo cuyo volumen sea mayor que el de la junta que se va a utilizar. La junta, como un anillo O, de sección transversal rectangular o circular, se extiende en forma suficiente sobre una ranura para proveer una mínima compresión de la sección transversal de 15070 para el asentamiento inicial. Durante el servicio, la carga del fluido provee automáticamente la fuerza sellante. Las bridas ala beadas u ondeadas, que muchas veces resultan por la soldadura o segun se encuentran en el equipo con forro de vidrio, requieren juntas más suaves o más gruesas que lo normal, para ajustarse a las zonas altas y bajas. El espesor excesivo, aun cuando la instalación sea dentro de una ranura, debe evitarse para que no haya “aplanamiento” ni carga inadecuada. Las juntas de lengüeta y ranura confinan

al empaque y, así, se adaptan bien para que tenga espacio ese espesor extra.

Además de los tipos que se ilustran, según lo definido en la tabla, existen la junta de perfil metálico maquinado y los diseños metálicos macizos en juntas planas, redondas, y de anillos API octogonales u ovales, para presiones y temperaturas extremas contra vapor, aceite y gases. Las compresibilidades son muy bajas y dependen de la sección transversal. Las juntas con forro, por lo común de politetrafluoretileno con diversos núcleos, es útil sobre todo para el servicio extremadamente corrosivo o no contaminante, en condiciones promedio de presión.

Las juntas cilíndricas o concéntricas

Comprenden el uso de un casquillo para proveer retención y carga mecánica, como en la junta mecánica estándar para el tubo de hierro fundido o el casquillo de la placa de tubos de un condensador (Fig. 8.6.11). También hay juntas en forma de copas e ideados para hacerse herméticos bajo presión .El anillo O localizado en una ranura anular y precomprimido como en la brida ranurada, es una junta autoenergizada. Un anillo cilíndrico con labios internos, sencillos o dobles, también de acción automática, es muy común en las juntas de tubos.

Además de estos tipos hay muchas juntas especiales diseñadas para algún uso específico o patentado, por ejemplo, un sello para una cabeza de tambor removible.

La compresibilidad de varios materiales para juntas se da en la figura y su uso común se lista en la tabla. Después del hule están muchos materiales elastómeros, por lo general similares en el comportamiento mecánico, pero que varían en los límites de temperatura y compatibilidad con los fluidos.

El diseño apropiado de una junta requiere la rigidez de la brida para evitar su alabeo, el acabado de la superficie compatible con el tipo de junta y la presión del fluido, y la carga adecuada de los tornillos. La carga debe hacer que la junta se asiente, o sea, haga que el material fluya hacia dentro y llene las irregularidades de la brida. También debe soportar la carga del fluido con exceso suficiente, de manera que la presión residual sobre la junta sea mayor que la presión del fluido. Estos valores, conocidos respectivamente como carga de asentamiento y, en lb/pulg, y factor de empaque m, varían con el material y el espesor de la junta. En la sección VIII del ASME Code for Unfired Pressure Vessels (Código ASME para recipientes a presión sin calentamiento), se dan suficientes detalles para el diseño de juntas típicas, así como valores tabulados de y y m para diversos materiales para juntas.

Aun cuando la alta carga de los tornillos es deseable para las juntas herméticas y duraderas, no debe aplastar el material de la junta. Los valores de la resistencia al aplastamiento, que variará con el espesor y la temperatura, pueden obtenerse de los fabricantes de empaques. De acuerdo con las condiciones de las bridas, tanto más delgada sea la junta, más eficiente será.Los datos acerca del diseño de las juntas con’ anillos O son aportados por los fabricantes. El límite de la presión nominal de los anillos O, basado en los claros mecánicos típicos, es de 1500 Ib/puli (10 MN/m2), sin anillos de retención, y de 3000 lb pulg2 (20 MN/rrr), con anillos de retención. Si pueden eliminarse los claros, como en una junta con bridas en las que se tiene contacto estrecho metal con metal, no puede fijarse límite. Otras juntas autoenergizantes, como

las placas de registro de calderas, sólo necesitan suficiente carga para efectuar un sello inicial.

Los discos de válvula

Son empaques especializados para uniones que con frecuencia se deshacen y se restauran. Los discos para válvulas de globo se embuten comúnmente en un soporte de disco con un montaje giratorio, de manera que no puedan dar vueltas al cerrar. Se fabrican de hule firme para roldanas de grifos pequeños hasta de ebonita y de fenólicos para servicio más severo. También se usan los plásticos como el nylon y el politetrafluoretileno. Las válvulas de bombas se describen en la sección 14. Los asientos para válvula hechos de hule se usan con discos metálicos en algunas bombas, por ejemplo,la bomba rotatoria para perforación. Los plásticos también se utilizan para asientos, sobre todo en las válvulas de bola.

Los empaques dinámicos

abarcan todos los empaques que operan sobre superficies en movimiento. Al funcionar, para retener el fluido bajo presión, soportan la carga hidráulica. Cuando no existe presión, como en muchas aplicaciones de sellos de aceite, el empaque se carga mecánicamente por medio de un resorte o mediante su propia resiliencia. Los empaques dinámicos, por tanto, trabajan como cojinetes, que de ese modo indican la necesidad de lubricación que sirva de película de separación así como de refrigerante. La presencia de una película es vital para la duración satisfactoria en servicio, pero también significa que se tendrán fugas. Los fluidos de baja viscosidad y las altas presiones se suman a.los problemas de fugas, ya que ambos requieren películas delgadas para minimizar las fugas. Esto causa fricción más alta y, con ello, se produce calor, que es uno de los factores que más disminuyen la vida del empaque. Los empaques profundos reducen las fugas, pero aumentan seriamente el calor por fricción, sobre todo a velocidades altas. Por lo general, el fluido que se sella sirve como lubricante. Por tanto, en donde intervienen aceites, se obtiene eficiencia máxima. En orden creciente están el agua limpia, los solventes y los fluidos que contienen sólidos, los cuales progresivamente dan resultados no satisfactorios, a menos que se provea una lubricación suplementaria. Puede suministrarse la lubricación si se utiliza un anillo de sello hidráulico en el centro del conjunto, a través del cual se alimenta el lubricante más satisfactorio a los empaques. El método preferido para introducir el medio es suministrarlo a una presión ligeramente más alta, 5 a 10 lb/pulg2. (3.5 a 7 kN/m2), que la del materia! que se está sellando. La selección del fluido queda determinada por los medios que intervienen, puesto que los dos deben ser compatibles. En casos de contaminación extrema, el anillo de sello hidráulico se cambia para el fondo de la caja y se usa como un medio para introducir un fluido de lavado. El sello hidráulico también es eficaz en la exclusión de aire de un dispositivo que trabaja con cargas negativas. En las bombas centrífugas equipadas de esta manera se le llama sello de agua.

Los empaques dinámicos se clasifican en tres formas:

1. Con base en la forma de las superficies:

Cilíndricos, cónicos, esféricos o planos. Los empaques cilíndricos se clasifican, a su vez, según que empaquen sobre el perímetro exterior, como en los empaques para pistón o sobre el perímetro interior, como en los vástagos o

árboles. Otros ejemplos son: cónicos, el forro de la llave de macho; esféricos, la junta de bola; Y planos, los sellos mecánicos.

2. Con base en el tipo de movimiento:

Rotatorios, oscilantes, reciprocantes o helicoidales (como en el empaque de la válvula de vástago saliente).

3. Con base en lo no automático:

Empaques suaves o de jamba (apretados por medios externos, en general un casquillo); o automáticas preformadas, formas moldeadas (que se hacen herméticos bajo presión).

La selección de un empaque depende de consideraciones económicas. En la mayor parte de los casos existen varios tipos, algunos de los cuales, aunque en principio costosos, rinden servicio excepcional. Un tipo menos costoso podría rendir servicio degradado.

Para los elementos reciprocantes, el anillo O es extremadamente simple; sin embargo, los datos de los fabricantes revelan que es una pieza de precisión que requiere tolerancias cerradas. Siendo un material elastomérico expuesto por completo a! fluido de trabajo, está sujeto al ataque. Es necesaria la selección cuidadosa del elastómero para asegurar su compatibilidad, o puede ocurrir contracción o esponjamiento, que causan falla prematura. Es lo más adecuado para servicio a presión mediana de 1500 a 3000 lb/pulg2 (lO a 20 MN/m2) con anillos de retención y movimiento intermitente, como en el servicio de cilindro hidráulico o de vástago de válvula. No es útil para servicio en bombas. Los anillos de retención son preferibles de sección transversal gruesa como de bloque, de cuero o de tetrafluoretileno, evitando el tipo delgado en espiral. El anillo partido para pistón , en general de hierro fundido, se usa mucho en los motores de gas o de petróleo, o en las máquinas de vapor. Los pistones grandes con frecuencia emplean anillos segmentados semejantes a los empaques metálicos flotantes para vástagos, pero con la cara hacia afuera. Los anillos metálicos flotantes están hechos de muchos segmentos radiales o tangenciales, que les permiten contraerse sobre el árbol; se arman, por lo genera!, en juegos de dos para deshacer las juntas y se sostienen unidos con resortes de jarretera. Se usan para vapor, gas o aire, en motores o compresoras bajo las más severas condiciones de trabajo y presiones hasta de 35 000 Ib/pul2. Normalmente se provee lubricación de aceite; sin embargo, para servicio menos severo, los anillos de politetrafluoretileno rellenados funcionan muy bien en gases secos, sin lubricación auxiliar. Los anillos escalonados, biselados o de corte a tope, de tela de algodón laminada, ligada con un elastómero o resi na fenólica, se emplean en las bombas para agua, bombas para gasolina, etc. Pueden flotar como los anillos de hierro fundido de los pistones o quedar fijos por un casquillo como en la figura. Las copas o su forma invertida con el labio sobre el diámetro interior, conocidas como empaques de brida, son por completo automáticos y muy herméticos. Se usan sobre todo para aplicaciones de baja velocidad, como los polipastos neumáticos. Los anilllos en V y cónicos anidados son automáticos, aunque a menudo vienen con un casquillo para efectuar el ajuste inicial. Están hechos. de una amplia variedad de materiales, desde elastómeros homogéneos hasta con refuerzo de tela de algodón o de asbesto, para servicio pesado. Varían en dureza desde suaves y flexibles hasta semirrígidos. El uso de anillos múltiples permite cortarlos para abrirlos y facilitar su instalación y reemplazo. Los empaques

suaves o de jamba son los mejor adaptados para el servicio en vástagos o émbolos buzos, ya que se requiere un casquillo ajustable. Están normalmente formados en sección rectangular, con una junta a tope en zig-zag de anillo a anillo en la instalación. Se emplean muchos materiales, como el lino trenzado saturado con cera o lubricantes viscosos, para agua y soluciones acuosas; el asbesto trenzado tratado en forma similar o muchas veces impregnado con politetrafluoretileno suspensoide para un mejor servicio así como más pesado; la tela de algodón ahulada y laminada para agua caliente, vapor de agua y amoniaco a baja presión; la tela de asbesto ahulada y rolada para vapor de agua, y la hoja de metal trenzada o rolada para condiciones de alta temperatura y alta presión. Los empaques que contienen fibras de asbesto tejido o trenzado también están hechas de tramas de alambre insertadas para lograr mayor resistencia. Para las juntas de expansión en tuberías.

Los árboles rotatorios

se sellan, en general, con empaques ajustables suaves, con la notable excepción de los sellos mecánicos, y en donde las presiones son bajas, pueden utilizarse los tipos de empaques en V o cónicos anidados. A presiones cero o despreciables, se usa mucho el sello de aceite, que es un empaque con ceja y carga de resorte (Fig. 8.6.28). En donde se puede tolerar cierta fuga, se emplean los sellos de laberinto y de claro controlado, en particular en equipo de alta velocidad, como las turbinas de vapor y de gas. Los empaques suaves son del mismo tipo general que los que se usan para el servicio reciprocante, con el trenzado de asbesto lubricado con grasa y grafito o con politetrafluoretileno suspensoide. Este último es el más popular para las aplicaciones típicas en bombas centrífugas y vástagos de válvulas. Los empaques de plásticos constan de mezclas de fibras no orientadas de asbesto, grafito, partículas metálicas suaves y un aglomerante suministrado a granel o en anillos formados. Para evitar la pérdida de plástico por la estopera, en general se usan anillos de extremo de hoja metálica, tela laminada o trenzada y hule. Para servicio rotatorio continuo, se prefieren los empaques automáticos para presión baja, ya que su hermeticidad bajo alta presión tiende a causar sobrecalentamiento. Sin embargo, son excelentes para servicio intermitente, como en vástagos de válvulas.

Los sellos de aceite

son los únicos empaques de ceja que tienen un labio de elastómero, generalmente ligado a una taza metálica que está ajustada a presión dentro de un agujero cilíndrico liso. En forma básica, un sello de aceite es un empaque con ceja, con un labio flexible y un área de contacto reducida de aproximadamente 1/ 16 pulg (1.6 mm) de ancho que, bajo presión, causa calentamiento y desgaste local excesivos. Por esta razón, sólo pueden recomendarse para aplicaciones sin presión y son lo mejor en medios con buena lubricación. Para adaptarse a una desviación del árbol hasta de 0.020 pulg (0.5 mm), lo cual depende de las r/min, el labio recibe carga de resorte. Ya que el labio está por completo expuesto a los medios, se debe tener particular cuidado para asegurar la compatibilidad entre el elastómero y el fluido. La temperatura es otro elemento importante en estas consideraciones.

Los sellos mecánicos,

Rotatorios o de caras rozantes constan de superficies radiales planas, normales al eje del árbol, que funcionan como un cojinete de empuje axial. Una de las

caras, el asiento, en general se inserta como junta resiliente al alojamiento. La cara correlativa es impulsada por el árbol y sellada sobre él por un sello secundario, como lo es un fuelle (Fig. 8.6.31) o un empaque del tipo automático que permite el movimiento axial para compensar el juego y desgaste del extremo. El contacto inicial de apoyo se da por la carga de un resorte aumentada en servicio por la presión del fluido. Para velocidades extremas, muchas veces el asiento se monta sobre el árbol, yel sello dentro del alojamiento estacionario elimina el balanceo dinámico critico del conjunto del sello, transfiriéndolo al asiento simple. Es necesario el centrado exacto del sello, pero es más económico y positivo que el balanceo dinámico del sello. Los materiales abrasivos, como la lama, deben eliminarse de las caras de sello; una manera de lograrlo es con un buje de estrangulación instalado en el fondo de la cavidad del sello. Se dirige un fluido limpio a las caras, a una presión ligeramente superior que la de bombeo, lo que crea un contraflujo a través del buje , lo cual también provee enfriamiento. La retención de fluidos o gases dañosos se efectúa por el montaje de dos sellos instalados con las caras opuestas y llenando el espacio intermedio con una barrera lubricante del liquido, compatible con el sistema, a una presión ligeramente arriba de la del fluido que se sella. La circulación continua realiza una limpieza y enfriamiento adecuados para un rendimiento óptimo. Se tiene, en esencia, control sobre el medio ambiente.

Hay otras posibilidades que dependen de la aplicación

. Las caras correlativas cojinete-sello pueden requerir resistencia quimica. La amplia elección de materiales para caras, uno de los cuales por lo común es carbono, ofrece amplios limites de presiones, servicio y de condiciones quimicas con muy alta eficiencia. Las caras correlativas típicas son de hierro fundido y bronce para condiciones moderadas, con cerámica, cermets, carburos, aceros inoxidables y aleaciones relacionadas, para aplicaciones severas. Quizás uno de los diseños más sencillos sea la roldana de algodón-fenólico, soportada con fuelle, que se apoya contra una cara maquinada del cuerpo de hierro fundido de la bomba de una bomba automotriz para agua (Fig. 8.6.31). Un diseño más refinado y flexible se muestra en la figura 8.6.32, y se detalla en parte en la figura 8.6.40, en la que se ilustran construcciones no balanceada y balanceada, y de qué manera resultan apropiadas, respectivamente, para presiones hasta de 250 y 3000 Ib/pul2 (1.7 y 20 MN/m2). El propósito del balanceo es reducir la carga unitaria sobre las caras hasta, aproximadamente, 60 a 70070 de la carga unitaria del fluido. No es práctico un balanceo total.

Para velocidades muy altas, en donde es deseable eliminar todo tipo de contacto con fricción, se elige el sello de laberinto. Este sello no es hermético para fluidos, pero restringe un flujo fuerte por medio de una trayectoria tortuosa y turbulencia inducida. Se usa mucho en las turbinas de vapor (Sec. 9). En donde no son permisibles las fugas, puede utilizarse un sello liquido basado en el principio del tubo en U. El peso natural del liquido se amplifica por una fuerza centrífuga, de manera que con altas r/min puede sellarse una presión diferencial regular. Otro sello que no es de contacto es el sello de claro controlado, que se está usando en las turbinas de gas, en donde no son excesivas las diferenciales de presión y pueden tolerarse pequeñas fugas. El sello consta de un anillo con un claro sobre el eje de 0.0005 a 0.0015 pulg (0.013 a 0.038 mm) y se fabrica de materiales que permiten mantener ese claro en todas las temperaturas de trabajo. Por lo común, uno de los extremos del anillo se refrenta para formar un sello axial contra el interior de su alojamiento.Los diafragmas son una forma de empaque dinámico, pero tienen las características de una junta en cuanto a que se sujetan o sostienen en su

posición con mordazas. En servicio no tienen fugas, aunque su recorrido está, en general, limitado. Al hacer rodar literalmente un cilindro dentro de otro, es posible lograr un considerable aumento en el recorrido. A este tipo se le llama muchas veces fuelle, y una aplicación simple es la suspensión de sello mecánico que se muestra en la figura. En la válvula de diafragma, el diafragma reemplaza tanto el empaque normal del vástago como el disco de la válvula. Los diafragmas de tela, como de algodón o nylon (excepto los materiales friables, como el vidrio) cubiertos con un elastómero conveniente para los medios y temperaturas que se tenga, se usan en bombas (bomba para combustible, y en motores para operar válvulas, interruptores y otros controles. Los diafragmas diseñados correctamente están hechos con holgura para permitir una acción natural de rodadura. El material de lámina plana se debe usar sólo cuando se desea un recorrido limitado. Una aplicación especial se encuentra en la bomba de alimentación pulsatoria (Pulsa-feeder) en la que el diafragma está bajo presión equilibrada del fluido por ambos lados y, por tanto, sin esfuerzos. Se emplea lámina de metal delgada, comúnmente con corrugados concéntricos, en aquellos casos en los que el movimiento está limitado y se desea una larga duración. Sin embargo, en donde se tiene un movimiento considerable, se debe prever la posibilidad de fatiga.