Sellos mecanicos seleccion

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

CAMPUS COATZACOALCOS

TEMA:

ESTUDIO TÉCNICO PARA LA SELECCIÓN DE UN SELLO

MECÁNICO PARA UNA BOMBA QUE MANEJA NAFTA EN

UNA REFINERÍA

MODALIDAD:

MONOGRAFÍA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO QUÍMICO

PRESENTA:

JOSÉ ROBERTO SÁNCHEZ VALENCIA

ASESOR:

ING. AGUSTÍN RODRÍGUEZ ALLERDI

COATZACOALCOS, VER. 2009

DEDICATORIA

A Dios.

Por permitirme terminar mis estudios, me ha dado salud, porque siempre me ayuda en

lo bueno y en lo malo, y sobre todo por darme la dicha de ser papa.

A mi Mamá (Josefa).

Con mucho cariño y agradecimiento a mi mama, ya que con su esfuerzo y trabajo ha

logrado sacarme adelante todos estos años sabiendo que jamás existirá una forma de

agradecerle todo lo que has hecho por mí en esta vida de lucha y superación constante,

deseo expresarles que mis ideales, esfuerzos y logros han sido también suyos y

constituyen el legado más grande que pudiera recibir, ya que uno de sus más grandes

anhelos es verme titulado. ¡¡¡Te amo mama!!! ¡¡¡Te amo!!!

A mi hija (Diana Itzel).

Ya que es mi adoración, mi alegría de todos los días, la amo con todo mi corazón y

aunque me adelanté a ser papá, quiero que sepan que jamás me arrepentí, ya que lo

considero una bendición. ¡¡¡Te amo Itzel!!!

AGRADECIMIENTOS

Principalmente a mi familia, no los nombro a todos por que son bastantes, pero ustedes

saben que tienen todo mi respeto y agradecimiento y sobre todo que los quiero mucho.

A mis padres.

Con mucho cariño y agradecimiento a mis padres por todo el apoyo que me han

brindado sabiendo que jamás existirá una forma de agradecer todo lo que han hecho

por mí en esta vida de lucha y superación constante, deseo expresarles que mis

ideales, esfuerzos y logros han sido también suyos y constituyen el legado más grande

que pudiera recibir. Con cariño, amor y respeto.

A mi escuela.

Dedico este agradecimiento al apoyo brindado durante estos años de estudio y como un

reconocimiento de gratitud al haber finalizado esta carrera. Ya que fue esa institución y

el personal que en ella labora un estímulo para lograr concretar mis metas.

A mis maestros.

Mi eterno agradecimiento, respeto y admiración por todas sus enseñanzas, que me

brindaron para el logro y desarrollo de mis objetivos.

A mí asesor (Ing. Agustín Rodríguez Allerdi).

Mi más sincero agradecimiento y admiración por apoyarme y guiarme en el desarrollo

de mi trabajo.

INDICE

i

INDICE

Pagina

INDICE .............................................................................................................................. i

OBJETIVO........................................................................................................................1

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................2

CAPÍTULO I: GENERALIDADES.....................................................................................4

1.1 Principio de funcionamiento y tipos de bombas ......................................................5

1.1.1 ¿Qué es una bomba? .......................................................................................5

1.1.2 Tipos de bombas ..............................................................................................5

1.1.2.1 Bombas centrífugas....................................................................................6

1.1.2.2 Bombas rotativas.......................................................................................7

CAPÍTULO II: SELLOS MECÁNICOS............................................................................10

2.1 Comparación empaquetadura y sello mecánico ...................................................11

2.2 ¿Qué es un sello mecánico?.................................................................................12

2.3 Tipos de sellos mecánicos ....................................................................................15

2.3.1 Rotativo o estacionario ...................................................................................16

2.3.2 Equilibrados o sin equilibrar............................................................................17

2.3.3 Horizontal o verticalmente montado................................................................19

2.3.4 Característica de diseño .................................................................................20

2.3.5 Disposiciones..................................................................................................22

2.4 Equilibrio del Sello.................................................................................................24

2.5 Plenitud de las caras.............................................................................................29

2.6 Desgaste del eje ...................................................................................................31

2.7 Selección de los materiales adecuados ................................................................33

INDICE

ii

2.8 Hoja de datos requeridos para la selección del sello ............................................38

2.9 Selección del fluido buffer / barrera.......................................................................41

2.10 Norma API 682....................................................................................................43

2.10.1 Objetivos API ................................................................................................43

2.10.2 Categorías, tipos y arreglos de sellos ...........................................................43

2.10.2.1 Generalidades ........................................................................................43

2.10.2.2 Categorías de sello.................................................................................43

2.10.2.3 Tipos de sello .........................................................................................44

2.10.2.4 Arreglos de sello.....................................................................................46

2.10.3 Selección de material adecuados por API ....................................................47

2.10.4 Espacio disponible en la caja del sello mecánico .........................................48

2.11 Planes de ambientación o lubricación API ..........................................................50

2.11.1 Características de los planes API .................................................................50

2.11.2 Planes API para sellos mecanicos................................................................51

CAPÍTULO III: SELECCIÓN DE UN SELLO MECÁNICO PARA LA BOMBA P-2103 QUE MANEJA NAFTA EN UNA REFINERÍA.................................................................60

3.1 Identificación del servicio ......................................................................................61

3.2 Análisis de falla del sello mecánico existente instalado en la bomba P-2103 .......65

3.2.1 Sello mecánico existente en la bomba P-2103 .............................................65

3.2.2 Plan API y fluido barrera existen en la bomba P-2103....................................67

3.3 Mejora de selección de sello mecánico para la bomba P-2103 ............................69

3.3.1 Sello CAPI DUAL A1 como solución de sellado en la bomba P-2103 ............71

3.3.2 Plan API y fluido barrera como solución en la bomba P-2103 ........................73

3.4 Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103 ..............76

INDICE

iii

CONCLUSIÓNES...........................................................................................................77

BIBLIOGRAFÍAS............................................................................................................78

GLOSARIO.....................................................................................................................80

ANEXO A .......................................................................................................................83

ANEXO B .......................................................................................................................87

ANEXO C .......................................................................................................................91

OBEJTIVO

1

OBJETIVO

Realizar un estudio de factibilidad técnica para la selección de un sello mecánico para

una bomba que maneja nafta, con el objeto de remplazar y minimizar las frecuencias de

falla del sello mecánico existente para contribuir con la confiabilidad operacional en los

sellos mecánicos instalados en las refinerías.

INTRODUCCION

2

INTRODUCCIÓN

El movimiento mecánico principal que impulsa a la industria de hoy es un mecanismo

rotativo, la bomba rotativa, en todas sus variaciones de diseño, es la pieza de

maquinaria más comúnmente utilizada en la industria de hoy. Las bombas tienen que

sellarse. Si a esto añadimos otras piezas de maquinaria rotativa que también necesitan

sellarse, como mezcladoras (orificio superior, lateral e inferior), compresores, además

de otros equipos rotativos de uso industrial.

Donde quiera que haya una industria, un proceso o servicio de producción, habrá

maquinaria rotativa. Donde quiera que haya una maquina rotativa habrá necesidad de

instalar cierres mecánicos. De forma que llegamos al cierre mecánico de hoy,

verdaderamente una pieza de maquinaria extremadamente importante y sofisticada,

con una función cada vez más esencial debido a las consideraciones

medioambientales.

El presente trabajo plantea el estudio técnico para la selección de un sello mecánico

para una bomba que maneja nafta en una refinería, para remplazar y minimizar la

frecuencia de falla del sello mecánico instalado en la bomba P-2103.

El Capítulo uno de este trabajo está dedicado a la presentación de una definición

generalizada al principio de funcionamiento y tipos de bombas.

El Capítulo dos describe la comparación empaquetadura y sello mecánico, ¿Qué es un

sellos mecánico?, los tipos de sellos mecánicos, equilibrio del sello, plenitud de las

caras, desgasté del eje, selección de los materiales adecuados, hoja de datos

requeridos para la selección del sello, la selección del fluido barrera, norma API 682 y

planes de ambientación o lubricación API.

INTRODUCCION

3

El capitulo tres se propone la selección de un sello mecánico para la bomba P-2103 que

maneja nafta en una refinería, este explica la identificación del servicio, el análisis de

falla del sello mecánico existente, mejora de selección de sello mecánico para la bomba

P-2103 y la evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103.

CAPITULO I

4

CAPITULO I

GENERALIDADES

CAPITULO I

5

1.1 Principio de funcionamiento y tipos de bombas

1.1.1 ¿Qué es una bomba?

Una bomba es una máquina que toma la energía de un motor móvil primario (motor

eléctrico, motor de combustión, etc.) y la convierte en energía contenida dentro del

medio que se está bombeando. Esta energía puede ser: [1]

a) Una energía de velocidad

b) Una energía de presión

c) Una combinación de (a) y (b)

1.1.2 Tipos de bombas

Las definiciones más aceptadas sobre el tipo de bomba a tratar, es por su movimiento y

básicamente son: [1]

1. Alternativo

2. Rotativo

3. Centrífugo

Si extendemos estos tipos de movimiento a sus tipos individuales por diseño,

encontraremos la siguiente clasificación: [1]

Alternativo - Pistón No adecuado

- Pistón buzo para cierre

- Diafragma mecánico

CAPITULO I

6

Rotativo - Engranajes

- Tornillo

- Aletas

- Lóbulo

- Cavidad progresiva

Centrífuga - Flujo radial Adecuados

- Flujo mezclado Para cierre

- Flujo axial mecánico

Todos estos diseños de bombas y variaciones de ellos tienen un dispositivo de sellado

de eje, los más comunes son: [1]

1. Un sello mecánico

2. Una empaquetadura de compresión

En la actualidad, la utilización de bombas alternativas es poco común, si se compara

con las otras dos. No obstante, para ciertas tareas específicas este tipo es todavía el

diseño más eficaz. El sellado del eje normalmente se efectúa por empaquetaduras de

compresión o un diseño sofisticado de éste, como anillos de Chevron y por estas

razones sólo consideraremos las bombas centrífugas y rotativas, las centrífugas son por

mucho las más versátiles y por lo tanto las más comunes. [1]

1.1.2.1 Bombas centrífugas

Una bomba centrífuga horizontal sencilla, está formada por un elemento rotativo,

llamado impulsor (1) contenido en una envoltura (2). El impulsor está montado sobre el

extremo de un eje de rotación llamado flecha (3). El líquido entra en el centro u ‘ojo’ (4)

del impulsor y es rotado por medio de las aletas del impulsor (5). Entonces, la fuerza

centrífuga arroja el líquido desde el centro del impulsor a su periferia con una

CAPITULO I

7

considerable velocidad y presión. Dentro de la envoltura hay un pasillo helicoidal (6) de

cada vez más áreas transversales, éstas recogen el líquido y convierten parte de su

velocidad en más energía de presión. [1]

El pasillo helicoidal termina en la brida del lado de evacuación (7). El siguiente diagrama

ayudará a la hora de entender esta explicación (ver figura 1.1). [1]

Figura 1.1 Bomba Centrifuga [1]

1.1.2.2 Bombas rotativas

Si se compara con la bomba centrífuga, el principio de la bomba rotativa es simple. [1]

Una bomba rotativa está compuesta de engranajes, lóbulos, aletas, tornillos sencillos,

dobles, triples, etc. Funcionando en una envoltura muy ajustada, es una máquina de

desplazamiento positivo. [1]

El líquido, en vez de girar según entra en la envoltura, es atrapado por rotación en su

elemento de rotación, como en el caso de la bomba centrífuga, lo fuerza alrededor del

interior de la envoltura y lo expulsa a través de la evacuación. [1]

CAPITULO I

8

A continuación se dan tres diagramas que ilustran el principio de funcionamiento de una

bomba rotativa de lóbulo y de una bomba rotativa de aleta. Estas son las bombas de

diseño más común que se utilizan en la actualidad. [1]

Los diagramas y breves notas adjuntos servirán para indicar claramente cómo

funcionan estas bombas, tan simples en su funcionamiento. [1]

Bomba rotativa de lóbulo

Según los rotores comienzan a girar (ver figura 1.2) se forma una cavidad expandida

que crea un vacío parcial en el puerto de entrada que atrae al producto a la cámara de

bombeo. Cada pozo del rotor es consecuentemente llenado (ver figura 1.3) y

positivamente desplazado, por lo tanto sellándose a si mismo contra las caras internas

de la envoltura. Finalmente, el producto se expulsa por el puerto de evacuación (ver

figura 1.4). [1]

Figura 1.2 [1] Figura 1.3 [1] Figura 1.4 [1]

Bomba de aleta

El eje gira y las aletas se propulsan contra la superficie interior de la envoltura (a). Esto

crea un vacío parcial en la entrada de la bomba, que atrae el líquido a la cámara de

bombeo y llena los huecos entre las aletas individuales. Según el líquido se transporta

alrededor de las venas, se comprime y presuriza y se expulsa a través del orificio de

salida de la bomba (ver figura 1.5). [1]

CAPITULO I

9

Figura 1.5 Bomba de aleta [1]

Cavidad progresiva

Un rotor metálico helicoidal gira dentro de un estator de goma que también tiene una

forma helicoidal en su interior. El rotor es una interface fijada dentro del estator y según

rota forma una cavidad en movimiento continuo que empuja al líquido hacia la

evacuación (ver figura 1.6). [1]

Figura 1.6 Cavidad progresiva [1]

CAPITULO II

10

CAPITULO II

SELLOS MECÁNICOS

CAPITULO II

11

2.1 Comparación empaquetadura y sello mecánico

Empaquetadura: [13]

-No es un sello, sino un dispositivo de restricción que requiere de gotear o de lo

contrario se quema. [13]

-Ranuras y desgaste a las flechas y mangas. [13]

-Alto consumo de potencia (H.P.) por elevarse la fricción. [13]

-Pérdidas de producto. [13]

-Requiere grandes cantidades de agua (más de 3000 lts / año). [13]

-Requiere de tiempo de mantenimiento y tiempos perdidos por instalación. [13]

-Equipo dañado y destruido por goteo. [13]

Sello mecánico: [13]

-Es un dispositivo de sellado, el cual sella con goteo invisible. [13]

-En aplicaciones difíciles el rango de goteo entre sello y empaquetadura es de 1:1000, o

mejor (menos de 30 lts. al año). [13]

-Los sellos tienen larga vida de operación. De 1 a 2 años sin fallas. [13]

-Ahorros monetarios por poca pérdida o nula de producto. [13]

-Ahorro de agua y energía. [13]

-Poco mantenimiento requerido después de instalación inicial. [13]

-Los sellos ofrecen mejor seguridad cuando los materiales a sellar son potencialmente

peligrosos. [13]

Un sello mecánico ideal deberá ofrecer larga vida, fácil mantenimiento y bajo

costo.[13]

CAPITULO II

12

2.2 ¿Qué es un sello mecánico?

Es un dispositivo de sellado que previene el escape de fluido de un recipiente, al cual

atraviesa un eje rotativo, realizando el sellado por contacto axial de sus caras que se

encuentran perpendiculares al eje y en movimiento relativo una respecto a la otra. [1]

Las bases

Un sello mecánico consiste de dos componentes, uno estacionario y otro que gira

contra él, para lograr un sellado con un mínimo de fugas (véase figura 2.1). [1]

Figura 2.1 Sello mecánico axial [1]

Diseño

El diseño del sello mecánico más sencillo y práctico consta de seis componentes (ver

figura 2.2): [1]

1. Componente estacionario, comúnmente llamado el asiento.

2. Elemento de sellado del componente estacionario.

3. Componente rotativo.

4. Elemento de sellado del componente rotativo.

5. Resortes.

6. Brida prensaestopas.

CAPITULO II

13

Figura 2.2 Diseño de Sello mecánico sencillo [1]

Un Sello mecánico tiene cuatro puntos principales de sellado: [1]

1. El sello entre las caras rotativas (3) y las caras estacionarias (1). Este se conoce

como sello primario. [1]

2. El sello entre el elemento estacionario (1) y la cara de la caja de estopas, es decir, la

junta (2). [1]

3. El sello entre el elemento rotativo y el eje (4). Este se conoce como sello secundario

y podría ser una O-ring, o cualquier tipo similar de O-ring. [1]

4. El sello entre el plato del prensaestopas y la caja de estopas, éste es normalmente

una junta o un O-ring. [1]

Puntos de sellado

3 de los 4 puntos principales de sellado de un sello mecánico no requieren explicación,

pero el número uno entre los elementos rotativos y estacionarios necesita un poco más

de consideración. Este sello “primario” es la base del diseño de todos los sellos

mecánicos y es el que lo hace funcionar. [1]

Las superficies de los componentes rotativos y estacionarios que “friccionan” entre sí

son extremadamente planas, de hecho, normalmente están solapadas dentro de dos

bandas ligeras (un método óptico de medir la uniformidad). Esta uniformidad minimiza

CAPITULO II

14

las fugas hasta el punto que para todos los propósitos e intenciones son casi

inexistentes. [1]

De hecho, existen fugas entre estas dos caras pero éstas son insignificantes y (para

consideración inmediata) aparecen en forma de vapor. [1]

Película líquida y vaporización

Si los componentes rotativos de un sello mecánico girasen entre sí sin forma alguna de

lubricación, se desgastarían muy pronto debido a la fricción de las caras y al calor que

esto genera. [1]

De forma que se requiere lubricación y en esta etapa de nuestra consideración esta

lubricación se proporciona mediante el líquido objeto del sellado. Esta se conoce como

película de fluido y mantener su estabilidad es de primordial importancia, si el sello ha

de funcionar de forma satisfactoria. La película de fluido ha sido y sigue siendo objeto

de debate e investigación y se vuelve más interesante según se progresa en materia de

sellos mecánicos pero por ahora asumamos que existe una situación como la que se

presenta en la figura 2.3. El producto que se está bombeando forma una película de

fluido estable a través de las dos caras que se casan. El calor friccional puede aumentar

dando como resultado una vaporización del líquido entre las caras. Si se produjese esta

vaporización y no hubiera una película de fluido estable entre las caras, se produciría un

rápido desgaste y el sello fallaría. [1]

Volviendo al diseño

El componente rotativo gira con el eje y normalmente está accionado por un resorte. La

compresión del resorte, normalmente 1 ó 2 bars, proporciona el contacto inicial de la

cara y también lo mantiene cuando el sello está inactivo, evitando de esta forma

cualquier fuga entre las caras casadas. [1]

CAPITULO II

15

El componente estacionario se mantiene firmemente en la brida del prensaestopas y

normalmente está ranurado o taladrado para acomodar un perno antirotativo en la placa

del prensaestopas - un importante requerimiento en tamaños de sello más grandes. [1]

Entre el eje y el resorte y el elemento rotativo y el resorte, existen varias disposiciones

de resortes de transmisión. [1]

Figura 2.3 Diseño de sello mecánico sencillo

2.3 Tipos de sellos mecánicos

Inicialmente, definir los sellos mecánicos por tipo podría parecer algo complicado pero

en realidad es bastante sencillo y en seguida se hace más sencillo con un poco de

experiencia. Por supuesto que puede hacerse complicado pero es totalmente

innecesario. [1]

Definiremos los sellos mecánicos, cinco formas básicas, pero una definición podría

comprender dos, tres, cuatro o incluso cinco combinaciones diferentes de sellos. [1]

• Rotativo o estacionario

• Equilibrado o sin equilibrar

• Horizontal o verticalmente montado

• Característica de diseño

• Disposición

CAPITULO II

16

2.3.1 Rotativo o estacionario

Como ya sabemos, un sello mecánico consta de dos componentes básicos, la unidad o

sello y el asiento, como se muestra a continuación: [1]

Figura 2.4 Sello rotativo [1]

En la disposición ilustrada (ver figura 2.4), la unidad o sello está situada sobre el eje,

por lo tanto gira con el eje y se llama un sello rotativo (el elemento rotativo contiene los

resortes). Esta es la disposición más común de las dos disposiciones. [1]

Similarmente si las posiciones de los dos componentes se invierten y la unidad o sello

(que contiene los resortes) se mantiene estacionaria sobre el plato del prensaestopas,

se denomina sello estacionario (ver figura 2.5). [1]

Figura 2.5 Cierre estacionario [1]

CAPITULO II

17

¿Cuándo pasamos de una situación de unidad rotativa a otra de unidad estacionaria?

Principalmente cuando las velocidades de rotación se aproximan o están por encima de

los 25 m/s. (5000 r.p.m.). A estas velocidades, las fuerzas dinámicas superan las

limitaciones de la unidad de rotación. Un sello estacionario evita el movimiento excesivo

del sello secundario, mantiene de forma satisfactoria el recorrido del componente

primario de sellado y maneja los altos pares torsores implicados. A estas velocidades, si

la unidad estuviera girando, su peso, mayor que el del asiento acentuaría cualquier

movimiento del eje o distorsión. [1]

2.3.2 Equilibrados o sin equilibrar

Los sellos mecánicos se refieren bien como equilibrados o sin equilibrar. Más

correctamente, deberían ser hidráulicamente equilibrados o sin equilibrar

hidráulicamente. [1]

Consideremos el siguiente diagrama (ver figura 2.6) que representa la forma más

sencilla de una unidad de sello mecánico rotativo con asiento estacionario. [1]

Figura 2.6 sello estacionario [1]

La presión de la caja de estopas (más la presión del resorte) tiende a empujar a las

caras y al asiento de la unidad hacia sí. Sin embargo, hay una película de fluido entre

las caras, sujeta a un gradiente de presión hidráulica entre la presión de la caja de

CAPITULO II

18

estopas y la presión atmosférica. Se supone que el gradiente de presión es lineal. Esto,

de hecho, origina una fuerza en forma de cuña que intenta separar las caras, como se

muestra en el siguiente diagrama (ver figura 2.7). [1]

Figura 2.7 Sello mecánico sin equilibrar [1]

Según la presión de la caja de estopas aumenta, la presión que actúa sobre el área de

sellado de las caras aumenta, la cuña se hace menos eficaz hasta que finalmente la

película de fluido de la cuña se rompe y no hay lubricación. Las caras se destruyen

entre sí y se dice que el sello primario ha fallado. [1]

La presión máxima que un sello sin equilibrar puede soportar depende del diámetro del

eje, la velocidad, los materiales de las caras y la naturaleza del fluido que se está

sellando, pero siempre es inferior a la presión de un sello equilibrado. [1]

Habiendo considerado el sello sin equilibrar, a continuación consideraremos el mismo

sello en una configuración equilibrada (ver figura 2.8). La presión de la caja de estopas

permanece igual y la utilizaremos para reducir la presión de la cara. [1]

CAPITULO II

19

Figura 2.8 Sello mecánico equilibrado [1]

En el diagrama anterior hemos proporcionado un eje con un escalón de reducción del

diámetro. Las condiciones hidráulicas permanecen iguales que para la consideración

del sello sin equilibrar. [1]

La diferencia es que la unidad rotativa está sujeta a una presión igual más allá del

diámetro ‘D’ y hay un equilibrio hidráulico de esta área. La presión de la caja de estopas

ahora actúa sobre el área ‘A’ del sello entre el eje y el diámetro ‘D’. Puesto que el área

de la cara permanece igual, la carga de la cara se reduce. [1]

2.3.3 Horizontal o verticalmente montado

Sencillamente esto se relaciona con la posición de funcionamiento del sello mecánico

del que la pieza de equipo rotativo forma parte, es decir, si la bomba es horizontal tiene

un eje horizontal y por lo tanto el sello se describe como horizontalmente montado. De

forma similar, si la bomba es vertical, el sello se describe verticalmente montado. [1]

En maquinaria de mezclado o agitación, las disposiciones más comunes son las

verticales (eje entrada superior), horizontal (eje entrada lateral). El tercer montaje en

este tipo de maquinaria es otro vertical (eje entrada inferior). [1]

CAPITULO II

20

2.3.4 Característica de diseño

Esto normalmente se relaciona con: [1]

• Si la fuerza estacionaria del sello primario es por resorte sencillo, multiresorte o fuelle.

• Si el sello secundario es O-ring o una junta.

• Separación de la sección metálica del sello del producto.

• Una combinación de las tres primeras.

Resortes sencillos

Normalmente de bajo precio, especialmente en tamaños de sello más pequeños y (no

siempre es el caso) relativamente fáciles de colocar. Sólo pueden utilizarse con

presiones de bombeo bajas hasta un máximo de 80 p.s.i. y velocidades bajas de

superficie de eje cuando se trata de un diseño normal sin equilibrar. El resorte sencillo

tiene un área de baja presión de apoyo en la cara, que da como resultado un desgaste

desigual de la cara. Dependiendo de su diseño, a veces sólo puede girar en una

dirección (ver figura 2.9). [1]

Figura 2.9 Sello mecánico con resorte sencillo [1]

CAPITULO II

21

Resortes múltiples

Puede tolerar velocidades de eje y presiones mayores que la versión de resorte

sencillo. Proporciona carga uniforme de la cara. Puede girar en ambas direcciones.

Normalmente más fácil de equilibrar hidráulicamente. Limitaciones - límites de

temperatura del elastómero. Puede resultar más caro (ver figura 2.10). [1]

Figura 2.10 Sello mecánico con múltiple resortes [1]

Sello no metálico

Diseñado para remover cualquier componente metálico del líquido y evitar el ataque

químico. Normalmente la cara es de carbono o teflón, también es conocido como sello

químico o externo (ver figura 2.11). [1]

Figura 2.11 Sello mecánico no metálico [1]

CAPITULO II

22

Sello completamente metálico

Normalmente de diseño de fuelle metálico. Desarrollado para la industria del aceite e

industrias asociadas. Si se utiliza con temperaturas muy elevadas puede ser “como

indicado” todo de metal puesto que el elastómero puede sustituirse con una abrazadera

mecánica al eje. Normalmente se encuentra con sellos de O-ring y por lo tanto puede

sustituirse con sellos del tipo de O-ring de empuje. [1]

Puede obstruirse con facilidad y si el fuelle se raja, puede dar como resultado una gran

pérdida del producto (ver figura 2.12). [1]

Figura 2.12 Sello completamente metálico [1]

2.3.5 Disposiciones

Hasta ahora, sólo hemos considerado sellos sencillos pero la seguridad, la salud y las

consideraciones medioambientales requieren cada vez más que se tomen medidas

para asegurar que no se produzcan fugas, el medio no se filtre a la atmósfera o se

contenga o diluya de forma adecuada. [1]

Para lograr esto, existen varias adiciones a una disposición de sello sencillo que son

adecuadas, de las cuales trataremos más adelante. Por ahora, consideremos las

disposiciones que están formadas por más de un sello. [1]

CAPITULO II

23

Básicamente existen tres disposiciones de sellos formadas por sellos dobles: [1]

• Doble espalda con espalda

• Doble cara con cara

• Sellos en Tándem.

Doble de espalda con espalda

A continuación se ofrece un boceto típico de esta disposición (ver figura 2.13). [1]

Figura 2.13 Sello doble de espalda con espalda [1]

Como su nombre indica, en esta disposición se montan dos sellos en la caja de estopas

espalda con espalda. [1]

Doble de cara con cara (unidades de cierre separadas)

Esta disposición es típica como se muestra en el siguiente boceto (ver figura 2.14). [1]

Figura 2.14 Sello doble de cara con cara [1]

CAPITULO II

24

La disposición del sello doble, cara con cara, no es una disposición muy común y

principalmente es una alternativa a la disposición espalda con espalda cuando la caja

de estopas es muy poco profunda para acomodarla. [1]

Tándem

La disposición es como se indica en el siguiente boceto (ver figura 2.15). [1]

Figura 2.15 Sello doble “tándem” [1]

En esta disposición, el sello interno actúa exactamente como un sello sencillo, de forma

que el trabajo debe ser adecuado para un sello sencillo. La presión del fluido de barrera

es menor que la presión de sellado y una vez más, el sello exterior actúa como un sello

sencillo para sellar la presión del fluido de barrera. [1]

2.4 Equilibrio del Sello

Es importante ajustar sellos mecánicos equilibrados a las bombas. El equilibrio sirve

para reducir el efecto de la presión existente en la caja de estopas, reduciéndose así el

área de sellado sobre el que actúa. [1]

Observemos las principales fuerzas que actúan sobre un sello mecánico (ver figura

2.16). [1]

CAPITULO II

25

Figura 2.16 Fuerzas que actúan sobre un sello mecánico

En la figura 2.17, WF está representando una película de fluido. Se sabe que en el lado

de la caja de estopas de las caras del cierre, se ve el 100% de la presión, y en el lado

atmosférico de las caras del cierre, se ve el 0% de la presión. No se sabe, sin embargo,

lo que pasa entre medio, aunque una diminuta cantidad del producto pasa por las caras

para lubricarlas y enfriarlas. [1]

Si no ocurriese esto, el calor excesivo se concentraría debido a la fricción y daría como

resultado el fallo del sello. [1]

Figura 2.17

WF

CAPITULO II

26

También sabemos por nuestros conocimientos físicos que la presión actúa por igual en

todas las direcciones (ver figura 2.18). [1]

La presión actúa sobre la parte posterior del cierre al diámetro deslizante y al exterior de

la línea de la cara. Otras fuerzas por encima de ella se cancelan por fuerzas opuestas. [1]

Apliquemos los mismos principios de dispersión de carga física. [1]

Figura 2.18

La figura 2.19 muestra un cono. Si cargamos la superficie superior con 200 lbf en un

área dada de 4 in2, la presión resultante será de: [1]

Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2)

P = F / A= (200 lbf) / (4 in) = 50 lbf / in2

Cuando esto se transmite a la superficie inferior, que está reducida en área, la presión

resultante todavía es una carga de 200lbf, pero actuando sobre un área de sólo 2

pulgadas cuadradas, por lo tanto la presión resultante es: [1]

Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2)

P = F / A= (200 lbf) / (2 in) = 100 lbf / in2

CAPITULO II

27

¡La presión aumenta!

Figura 2.19 [1]

La figura 2.20 representa una pirámide. Si cargamos la superficie superior con 200lbf

sobre un área dada de 4 pulgadas cuadradas. De nuevo, la presión de esa superficie

será de: [1]

Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2) P = F / A= (200 lbf) / (4 in) = 50 lbf / in2

Si se transmite la carga de este sólido a la parte inferior de la cara tenemos 200 lbf,

pero en un área de 8 pulgadas cuadradas, por lo tanto la presión resultante será: [1]

Presión = (Fuerza, lbf) / (Área, in2) P = F / A= (200 lbf) / (8 in) = 25 lbf / in2

¡La presión se reduce!

Figura 2.20 [1]

200 lbf Sección circular de 4 in

2

Sección circular de 2 in2

Presión sobre la superficie superior =

50 lbf / in2

Presión sobre la superficie inferior =

100 lbf / in2

200 lbf

Presión sobre la superficie superior =

50 lbf / in2

Presión sobre la superficie inferior =

25 lbf / in2



CAPITULO II

28

Apliquemos estos principios a los cierres mecánicos. [1]

La figura 2.21 muestra como se observará, el área de la presión de la caja de estopas

(área A) es mucho mayor que el área de las caras de sellado (área B), por lo tanto la

carga del fluido sobre el sello hace que aumente la presión sobre las caras de sellado. [1]

Si la válvula de descarga en la tubería de la bomba se cerrase en este caso, la presión

resultante podría hacer que el sello fallara, debido al exceso de presión. [1]

Figura 2.21 [1]

Las figuras 2.22 y 2.23 muestran las formas en las que el área A se reduce,

disminuyendo así la fuerza de la interface del sello. [1]

Figura 2.22 [1] Figura 2.23 [1]

A este nivel básico, lo que realmente es importante recordar, son las ventajas de los

cierres equilibrados comparados con los cierres sin equilibrar. [1]

CAPITULO II

29

Ventajas de los cierres equilibrados: [1]

• Pueden operar bajo mayores presiones

• Se genera menos calor

• Se reduce el desgaste de la cara

• Mayores velocidades del eje

• Menor distorsión de la cara

• Menor par de torsión

• Menor consumo de energía

• Gama más amplia de materiales de la cara

• Menos necesidad de controles internos / externos

• Versatilidad

• Permite sobrecargas / mal funcionamiento del sistema

• Sellado al vacío

2.5 Plenitud de las caras

Para reducir la separación de las caras en el “área de sellado primario” las superficies

del asiento y del anillo primario deben estar lapeadas y planas. [10]

La medida para definir una superficie plana, naturalmente es la planitud. El lapeo es un

proceso de mecanizado, de remoción de material por medio de partículas abrasivas

(carburo de boro) mezcladas con un aceite, que reduce y transfiere la cantidad de calor

generado entre la superficie de trabajo y el útil, sin que la pieza sea guiada

positivamente, para conseguir superficies extremadamente planas. Las superficies

lapeadas se miden en “bandas de luz”. Una banda de luz es 11,6 millonésimas de

pulgada (0,0000116”). [10]

Las bandas de luz rectas, paralelas y equidistantes indica que la superficie es plana

dentro de una millonésima de pulg (ver figura 2.24). [10]

CAPITULO II

30

Figura 2.24 [10]

Una línea tangente imaginaria cruza una banda. Esto indica que los bordes están bajo

una banda de luz (ver figura 2.25). [10]

Figura 2.25 [10]

Para medir cuantas bandas de luz tiene una superficie, únicamente requerimos de un

plano óptico y una luz monocromática. [10]

Un plano óptico es una pieza gruesa de cristal muy plana, que requiere que la pieza a

medir sea reflectiva, es decir esté pulida. La luz monocromática es una fuente luminosa

(de helio) que emite ondas de una sola longitud (ver figura 2.26). [10]

CAPITULO II

31

Figura 2.26 [10]

Como Interpretar las Lecturas: [10]

Las líneas absolutamente rectas, paralelas y equidistantes indican verdadera planitud.

Si la pieza es menos plana, las líneas de interferencia se verán con mayor curvatura. En

todos los casos la base de comparación es una línea imaginaria tangente a la línea de

interferencia y paralela a la línea de contacto entre la pieza y el plano. Una regla puede

usarse como línea de referencia. El número de bandas que la tangente cruza indica la

desviación de la planitud de la pieza, por ejemplo si cruza dos bandas tiene una

desviación de dos bandas de luz. [10]

2.6 Desgaste del eje

Este fenómeno también se conoce como corrosión o erosión del eje y se produce en el

área de contacto entre el sello secundario y el eje o camisa (ver Figura 2.27). [1]

Se produce por el excesivo movimiento axial del eje, más allá de las especificaciones

del fabricante. Otros factores contribuyentes son la vibración de la máquina o la

deflexión del eje. La situación también puede agravarse cuando la escoria producida

por el desgaste del sello primario migra para depositarse debajo del sello secundario,

proporcionando así un medio muy eficaz de trituración. [1]

CAPITULO II

32

Es más generalizado cuando el sello secundario está fabricado de teflón (P.T.F.E.) o

materiales semirrígidos similares, en vez de estar fabricado de elastómero, ya que el

elastómero al ser una material más flexible puede soportar mejor los desplazamientos

del eje. [1]

El elastómero al ser más blando, también absorberá cierta cantidad de la escoria

producida por el sello primario mejor que el teflón (P.T.F.E) o similar. [1]

El movimiento del sello secundario sobre el eje o camisa finalmente remueve el

revestimiento óxido que proporciona protección anticorrosiva. Como resultado de esto,

en el área de contacto entre el eje y el sello secundario se forma una acanaladura que

aparece picada o brillante. Finalmente, el sello secundario se sitúa sobre esta

acanaladura más allá de la capacidad de la fuerza de sellado del sello primario. El

desgaste del sello primario no puede absorberse más, dando como resultado fugas. [1]

Las acciones para remediar el desgaste del eje son costosas, normalmente significan el

cambio de la camisa o el revestimiento del eje en el área del sello secundario con un

material duro como cromo u óxido de aluminio. Una solución incluso más costosa es por

supuesto eliminar las causas del movimiento excesivo. La mejor solución a largo plazo

es sustituir el tipo de cierre que produce el ‘desgaste del eje’ con un diseño diferente. [1]

Figura 2.27 Erosión del eje [1]

CAPITULO II

33

2.7 Selección de los materiales adecuados

Metalurgia

Los materiales más comúnmente empleados son:

Acero inoxidable 316L tiene excelente resistencia a la corrosión frente a ciertos medios

muy activos, como los siguientes: ácido acético concentrado (en caliente); ácido

sulfúrico diluido; ácido fosfórico; soluciones alcalinas; ciertas soluciones salinas. Está

compuesto de carbón, cromo, níquel y molibdeno. [8]

Hastelloy C-276 es una aleación austenítica de níquel, molibdeno, cromo con adición de

tungsteno diseñado para tener una excelente resistencia a la corrosión en un rango

amplio de ambientes severos. El alto contenido de níquel y de molibdeno hace que este

acero de aleación de níquel sea especialmente resistente a la picadura y a la corrosión

de rendija en ambientes de reducción, mientras que el cromo lo hace resistente a

medios oxidantes. [15]

Hastelloy B-3 es una aleación de níquel, molibdeno, con una excelente resistencia a la

picadura, corrosión y al agrietamiento por tensión de corrosión. La aleación B-3 también

resiste el ácido sulfúrico, acético, fórmico y fosfórico, y otros medios que no sean

oxidantes. Además, esta aleación de níquel tiene una excelente resistencia al ácido

hidroclórico en todas las concentraciones y temperaturas. [14]

El titanio es uno de los materiales comercialmente asequibles que ofrece mejor

resistencia anticorrosiva. Es resistente a medios tan agresivos como el ácido nítrico y el

dióxido de cloro. [1]

Nota: En el anexo “B”, se agrega una guía de resistencia química para la selección de

metales y aleaciones. [12]

CAPITULO II

34

Elementos de sellado secundario (Elastómeros u/o O-rings)

Los elastómeros más comúnmente empleados son: [9]

Viton (Flurocarbono, FPM)

Rango de temperatura de -20 a 200 °C, tiene resistencia a alta temperatura, usado para

aceites derivados del petróleo, ácidos, esteres. No se debe usar en aminas o clorados.

La temperatura máxima en aplicaciones de alta presión de agua caliente es 80 ºC. [9]

Nitrilo (Bunan-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 abrasión. Se usa con éxito en agua.

Hidrocarburos. No se debe usar en acetonas y fosfatos. [9]

Aflas (Tetrafluoroetileno y Polipropileno, TFE/P)

Rango de temperatura de -20 a 200 °. Usado en ácidos, bases, vapor, aminas,

solventes. También usado en aplicaciones de agua a alta temperatura y aplicaciones

cáusticas. [9]

Kalrez (Perfluorocarbon, FFKM)

Rango de temperatura de -40 a 316°C. Excelente resistencia química semejante a la

del teflón. No debe aplicarse en servicios de freones. [9]

Nota: En el anexo “C”, se agrega una guía de resistencia química para la selección de

elastómeros. [11]

CAPITULO II

35

Combinaciones de materiales para sellos primarios

Carbono/Cerámica: [1]

• Una combinación ampliamente utilizada. [1]

• La cerámica es dura. [1]

• Es químicamente resistente. [1]

• Cuanto mayor contenido de alúmina, mayor resistencia al calor. Cuanto mayor sea el

porcentaje, mejor será la calidad. [1]

• La cerámica tiene cualidades de disipación del calor muy pobres, también es

quebradiza. [1]

Carbono/Oxido de Cromo: [1]

• El óxido de cromo tiene cualidades mucho mejores de disipación de calor que la

cerámica. [1]

• Tiene la resistencia química del acero inoxidable 316. [1]

• No es adecuado para aplicaciones extremadamente ácidas o alcalinas. [1]

• Un material de excelente propósito general para materiales de cara para su utilización

con medios de base acuosa. [1]

• La transmisión de metal a metal puede también extender la vida útil del cierre. [1]

• Bueno en entornos alcalinos. [1]

• No se deberá utilizar en entornos alcalinos. [1]

Carburo Sólido de Tungsteno/Carburo Sólido de Tungsteno: [1]

• Un material fuerte, bueno mecánicamente. [1]

• Muy buena disipación de calor. [1]

• No puede utilizarse en situaciones operativas secas bajo ninguna circunstancia. [1]

CAPITULO II

36

Carbono/Carburo Sólido de Tungsteno: [1]

• Buena combinación de agua caliente y temperatura alta o cualquier aplicación similar

‘próxima a la vaporización. [1]

• No es tan bueno con aplicaciones abrasivas, pero tiene mejores propiedades de

deslizamiento. [1]

Carbono/Carburo de Silicio: [1]

• Muy buena compatibilidad química. [1]

• Extremadamente buenas cualidades de disipación de calor. [1]

• Muy duro. [1]

• Muy quebradizo. [1]

Carburo Sólido de Tungsteno/Carburo de Silicio: [1]

• Generalmente la combinación preferida para trabajos abrasivos o ciertas aplicaciones

de presión. [1]

Carburo de Silicio/Carburo de Silicio: [1]

• Sólo deberá utilizarse para trabajos extremadamente ácidos (Cuando el ácido podría

atacar al carburo sólido de tungsteno). [1]

Características individuales de las caras

Los materiales de las caras deben cumplir con las siguientes características: [16]

• Bajo coeficiente de rozamiento. [16]

• Suficiente dureza para soportar la abrasión y tener un mínimo desgaste. [16]

CAPITULO II

37

• Alta conductividad térmica para eliminar el calor generado por el rozamiento. [16]

• Bajo coeficiente de expansión térmica para reducir los esfuerzos mecánicos. [16]

• Alto módulo de elasticidad para reducir las deformaciones. [16]

Evidentemente es muy importante escoger la combinación de materiales apropiada

para asegurar un sellado correcto. Para llegar a este punto es imprescindible conocer

en primer lugar las características individuales de los materiales de caras (Tabla 2.1). [2]

Tabla 2.1 Características individuales de las caras. [2]

CAPITULO II

38

2.8 Hoja de datos requeridos para la selección del sello

Detalles del cliente: [4]

Usuario final: ________________________

Sector industrial: ______________________

Localización: _________________________

Área o Planta: ________________________

Ingeniero: ___________________________

Detalles de las dimensiones del sello: [4]

Valor Unidades

D1:

D2:

PCD3:

D4:

L1:

L2:

L3:

Max. Brida O/D:

N° de Roscas:

Tipo de Rosca:

¿El eje es más duro que AISI 316L (160 HB)?: Si o No

En caso afirmativo. Especifique el material:

¿Ha adjuntado dibujos del sello o de la bomba? Si o No

CAPITULO II

39

Angulo de posición del puerto Ø Angulo de orientación del puerto ß

Puerto 1 Puerto 2 Puerto 3 Puerto 4 Puerto 5

Función del Puerto*:

Angulo de posición del puerto Ø:

Tamaño y tipo de rosca:

Distancia desde la cara de montaje:

Angulo de orientación del puerto ß:

* F = Inyección de un liquido, LBI = Entrada del liquido barrera, LBO = Salida del liquido

barrera, QI = Entrada de Lavado, QO = Salida de lavado, V = Venteo, D = Drenado, Q =

Lavado. [4]

CAPITULO II

40

Detalles de la bomba: [4]

Fabricante: Tamaño / Tipo:

Numero De serie: Velocidad del eje (rpm):

Numero De Tag: N° plan API:

Movimiento Radial

(Max):

Movimiento Axial

(Max):

Presión de la caja del

sello: Presión de descarga:

Presión de Succión: Posición del sello:

Información del producto: [4]

Producto: Composición Química /

Concentración:

Peligrosidad: Gravedad Específica :

Temperatura: Polimeriza: Si o No

Presión de

vapor: Contaminantes disueltos: Si o No

Viscosidad : Contenido Abrasivo: Si o No

Fluido del Flush: Flush Disponible: Si o No

Max. Tamaño de

Partícula: Funciona en seco: Si o No

CAPITULO II

41

2.9 Selección del fluido buffer / barrera

Lo siguiente debe ser considerado cuando se seleccione el fluido buffer / barrera: [18]

- Compatibilidad del fluido con el fluido bombeado que se está sellando de manera que

no reaccione entre ellos, para que no se forme goma, gel o lodo al mezclarse. [18]

- Compatibilidad del fluido con la metalurgia, elastómeros y los demás materiales de

construcción del sello mecánico y el sistema de ambientación. [18]

- Compatibilidad del fluido asumiendo que alcance la temperatura de proceso (alta o

baja). [18]

En sistemas con fluido barrera presurizado donde el método de presurización sea por

medio de un gas, se le deberá poner atención especial a las condiciones de operación y

la selección del fluido barrera. Normalmente la solubilidad del gas en el fluido barrera se

incrementa mientras aumenta la presión y decrece con el aumento de la temperatura

del fluido barrera. Mientras se alivia la presión o aumenta la temperatura, el gas es

liberado del líquido y puede resultar en espuma y pérdida de circulación del fluido

barrera. Este problema se ve con los fluidos barreras con alta viscosidad, como los

aceites lubricantes, se usan a presiones por arriba de 150 psi. [18]

La viscosidad del fluido buffer / barrera se deberá verificar durante todo el rango de la

temperatura de operación prestando especial atención en las condiciones de arranque.

La viscosidad deberá ser menor a 500 Centistokes (cSt) a la temperatura mínima a la

que este expuesto. [18]

Los siguientes comportamientos de los fluidos barrera deberán ser considerados: [18]

a) Para servicios por arriba de 50 ° F, con fluido buffer / barrera que sean hidrocarburos

con viscosidad por debajo 100 cSt a 100 ° F y entre 1 cSt y 10 cSt a 212 ° F han

operado satisfactoriamente. [18]

CAPITULO II

42

b) Para servicios por abajo de 50 ° F, con fluido buffer / barrera que sean hidrocarburos

con viscosidad por debajo 5 cSt y 4 cSt a 100 ° F y entre 1 cSt y 10 cSt a 212 ° F han

operado satisfactoriamente. [18]

c) Para flujos acuosos, la mezcla de agua y etilenglicol o propilenglicol son usualmente

adecuados. El anticongelante automotriz disponible comercialmente, nunca deberá ser

usado. Los aditivos en el anticongelante tienden a adherirse a las partes del sello

mecánico causando fallas debido a la formación de gel. [18]

d) El fluido no deberá congelarse a la temperatura ambiental mínima del lugar. [18]

La toxicidad y volatibilidad del fluido deberá ser tal que al fugar hacia a la atmosfera no

represente un problema ambiental. Además, [18]

- El fluido deberá tener un punto de ebullición inicial por menos 50 ° F por arriba de la

temperatura que estará expuesto. [18]

- El fluido deberá tener un punto de flasheo por arriba de la temperatura del servicio si

es que hay oxigeno presente. [18]

- El etilenglicol deberá ser considerado como un fluido peligroso y/o un desperdicio

peligroso cuando se usa como fluido barrera. [18]

El fluido deberá ser capaz de cumplir como mínimo los tres años de operación continua

del sello mecánico sin que se presente un deterioro adverso. [18]

Para flujos de hidrocarburos, aceites en base de parafina con alta pureza con muy poco

o de preferencia sin aditivos para la resistencia del desgaste / oxidación o aceites

sintéticos se han usado de manera satisfactoria. [18]

Los aditivos anti-desgastes presentes en los aceites turbinas comerciales se ha visto

que se adhieren en las partes de los sellos mecánicos. [18]

CAPITULO II

43

2.10 Norma API 682

2.10.1 Objetivos API

1.- Todos los sellos deben operar continuamente un mínimo de 25,000 hrs. (2 años 10

meses). [5]

2.- Todos los sellos no deben permitir más de 1000 ml/m3 (1000 ppm Vol.) de emisión

de concentración de fuga a la atmósfera. [5]

3.- Sellos de Contención deben operar por un mínimo de 25000 horas a 1.7 bar (25psia)

máximo y 8 horas bajo las condiciones de proceso. [5]

2.10.2 Categorías, tipos y arreglos de sellos

2.10.2.1 Generalidades

Las configuraciones de sello que se incluyen en el estándar internacional pueden ser

clasificadas en tres categorías, (1, 2 y 3), 3 tipos (a, b y c) y tres arreglos (1, 2 y 3). Más

lejos, los sellos de los arreglos 2 y 3, pueden estar en tres orientaciones: “cara -

espalda”; “espalda - espalda”, y “cara - cara”. Estas categorías, tipos y arreglos son

definidos abajo. [5]

2.10.2.2 Categorías de sello

Categoría 1

Son sellos dirigidos para usarse en la norma ISO 13709 en cámaras de sello, bajo las

exigencias dimensionales por las Normas ASME B73.1, ASME B73.2, y la ISO 3069

Tipo C, y su uso está restringido a temperaturas en la caja de la bomba que van desde -

40°C (-40 °F) hasta 260 °C (500 °F) y presiones absolutas de hasta 2.2 MPa (22 Bar). [5]

CAPITULO II

44

Categoría 2

Son sellos dirigidos para emplearse en cámaras de sellado que se encuentran bajo las

exigencias dimensionales por las Norma ISO 13709. Su uso está restringido para sellar

hasta temperaturas que van desde los -40°C (-40 °F) hasta 400 °C (750 °F) y presiones

absolutas de hasta 4.2 MPa (42 Bar). [5]

Categoría 3

Este diseño de sello es más riguroso en cuanto a la documentación y las pruebas que

se le realizan. Se necesita que el sello sea de cartucho el cual debe de ser probado con

el fluido requerido. Estos presentan exigencias sobre la cámara de sellado bajo la

Norma ISO 13709 (o similar). Su uso está limitado para sellar temperaturas en la caja

de la bomba que van desde los -40°C (-40 °F) hasta 400 °C (750 °F) y presiones

absolutas de hasta 4.2 MPa (42 Bar). [5]

2.10.2.3 Tipos de sello

Tipo A

Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello de empuje multiresorte

en el cual el elemento flexible normalmente esta en rotación. [18]

CAPITULO II

45

Tipo B

Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello no de empuje (fuelle

metálico), en el cual el elemento flexible normalmente esta en rotación y el elemento

secundario de sellado es un O-ring (elastómero). [18]

Tipo C

Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello no de empuje (fuelle

metálico), en el cual el elemento flexible normalmente es estacionario y en el cual el

elemento secundario de sellado es grafito flexible. [18]

Nota: Los tipos A y B son los sellos adecuados para temperaturas de hasta 176 ° C

(350 ° F). Tipo C son los sellos de alta temperaturas de hasta 400 ° C (750 ° F). [5]

CAPITULO II

46

2.10.2.4 Arreglos de sello

Arreglo 1

Configuración de sello que tiene un sello por cada ensamble cartucho. (Ver figuras en

anexo A). [18]

Arreglo 2

Configuración de sello que tiene dos sellos por ensamble cartucho con una cámara de

sellado de contención la cual esta a una presión menor que de la caja de sellado (Ver

figuras en anexo A). [18]

CAPITULO II

47

Arreglo 3

Configuración de sello que tiene dos sellos por ensamble cartucho que utiliza un fluido

barrera suministrado externamente (Ver figura en anexo A). [18]

2.10.3 Selección de material adecuados por API

Así mismo hace recomendaciones sobre los materiales tanto en caras de contacto,

metalurgia y elastómeros de sellado secundario (Tabla 2 .2 y Tabla 2.3).

CAPITULO II

48

Tabla 2.2 Materiales específicos por API 682. [9]

TIPO A B C CARAS Carburo de silicio vs carbón al antimonio X X X Cerburo de silicio vs carburo de tugsteno X X X ELEMENTOS DE SELLADO SECUNDARIO FKM, por ejemplo viton X X …. Perfluroelastomero, FFKM X X …. Grafito puro moldeado …. …. X RESORTES / FUELLE METALICO Acero inoxidable X …. …. Hastelloy X X …. Inconel …. …. X BRIDAZ, MANGA, COLLAR ETC. Acero inoxidable X X X Duplex X X X

Tabla 2.3 Limite de temperatura de los materiales de sellado en el servicio de

hidrocarburos. [5]

Material de la cara Temperatura máxima ° C

Carburo de Tungsteno 400

Carburo de Silicio 425

Carbón:

Comburente

No oxidante

275

425

2.10.4 Espacio disponible en la caja del sello mecánico

De igual manera establece sugerencias sobre dimensiones en equipos de bombeo en

aplicaciones de la industria del petróleo en relación a la caja donde serán alojados los

sellos mecánicos (Tabla 2.4). [17]

CAPITULO II

49

Tabla 2.4 Dimensiones estándar para cámaras y mangas de sellos mecánicos. [17]

CAPITULO II

50

2.11 Planes de ambientación o lubricación API

2.11.1 Características de los planes API

La selección de un sello con materiales y características de diseño adecuados no

garantizan por si solo su buen funcionamiento. [18]

Para la correcta operación de un sello mecánico, debe formarse entre las caras de

contacto una película de lubricación. [18]

La función de la película de lubricación es lubricar y enfriar las caras. [18]

En funcionamiento, el fluido a presión se introduce entre las caras. [18]

El fluido introducido forma una película que las lubrica. [18]

La presión hidráulica a la vez cierra las caras. [17]

Para que la película se forme adecuadamente, es necesario instalar sistemas para

extraer el calor que se genera en las caras de contacto por el deslizamiento de una

contra la otra. [18]

Los sistemas de protección se utilizan para proveer al sello el ambiente apropiado,

facilitando la formación de la película de lubricación para reducir el roce entre las caras

y disipar el calor que se genera en ellas. [18]

El uso de los sistemas de protección a los sellos mecánicos va a depender del tipo y

condición del fluido bombeado, variando según el arreglo de los sellos. [18]

Actualmente los planes se rigen por la norma API 682 3a. Edición y consta de lo

siguiente (Tabla 2.5): [18]

CAPITULO II

51

Tabla 2.5 Planes de lubricación API [18]

Nota: En este capítulo solo consideraremos planes de lubricación para sellos húmedos

y no para sellos secos.

2.11.2 Planes API para sellos mecánicos

Los planes de lubricación son varios pero los más comúnmente usados son los

siguientes: [18]

Plan API 11 recirculación

Plan 11 es el plan más común para sellos mecánicos sencillos o para sellos internos en

arreglo dobles. En el plan 11, el producto es dirigido desde la descarga de la bomba

CAPITULO II

52

hacia la caja de la bomba (cámara del sello) para proveer enfriamiento al sello

mecánico y retirar el vapor y las bolsas de aire de la misma al arranque del equipo.

Entonces el fluido circula del fondo de la caja de la bomba hacia el lado del proceso.

Este es el plan de lubricación más comúnmente usado en servicios generales limpios

en equipos (ver figura 2.28). [18]

Elementos:

1. Descarga de la bomba.

2. Inyección de un liquido (F).

3. Lavado / Drenado (Q / D).

4. Cámara del sello.

Figura 2.28 Plan API 11 recirculación [18]

Plan API 13 recirculación inversa

Plan 13 es la selección estándar de plan de lubricación para bombas verticales que no

cuentan con buje de garganta en la caja de la bomba. La caja de la bomba (cámara del

sello) en bombas verticales que no cuentan con buje de garganta puede operar

normalmente con presión de descarga completa. Debido a este arreglo, no hay presión

diferencial que permita usar plan 11. En el plan 13, el producto se lleva desde la caja de

la bomba (cámara del sello) hacia la succión de la bomba para permitir enfriamiento al

sello mecánico y ventear aire y vaporees de la misma. [18]

CAPITULO II

53

El plan13 provee un propio venteo en bombas verticales en línea, provee presión

diferencial que es sufriente para asegurar circulación y la presión en la caja de la bomba

es suficiente para prevenir la vaporización (ver figura 2.29). [18]

Elementos:

1. De la succión de la bomba.




Figura 2.29 Plan API 13 recirculación inversa [18]

Plan API 21 recirculación con enfriador

Plan 21 proporciona fluido a una temperatura menor de la de proceso al sello mecánico.

Este es necesario para mejorar el margen de formación de vapor para no pasar los

limites de temperatura de los elementos de sellado secundario (como el agua caliente).

Los beneficios del plan 21 es que no solamente provee fluido de enfriamiento, sino que

también tiene suficiente presión diferencial para permitir buenas tasas de flujo. Plan 21

funciona mejor en climas secos donde un intercambiador de calor con aletas es usado

en lugar de un intercambiador de agua. Dese cuenta que el plan 21 usa más energía

CAPITULO II

54

que el plan 23, ya que el fluido enfriado es re bombeado desde la descarga a la succión

(ver figura 2.30). [18]

Elementos:





TI: Indicador de temperatura.

Figura 2.30 Plan API 21 recirculación con enfriador [18]

Plan API 23 circuito cerrado con enfriador

El plan 23 es el plan de elección primaria para todos los servicios de agua caliente,

particularmente de alimentación a calderas y muchos hidrocarburos. Este plan es de

selección estándar para agua caliente a 80 ° C y por arriba, así como alimentaciones a

calderas. El agua caliente tiene una pobre lubricidad arriba de 80 ° C resultando en gran

deterioro en las caras del sello. Este plan es también muy usado en hidrocarburos y

químicos donde es necesario enfriar el fluido para estabilizar el margen requerido entre

la presión de vapor del fluido y la presión en la cámara del sello. [18]

CAPITULO II

55

En el plan 23, el fluido en la cámara del sello es aislado del proceso con un buje de

garganta. El sello es equipado con dispositivos de recirculación interna que hacen que

el fluido recirculen a través del intercambiador de calor y regrese a la cámara del sello.

En este arreglo, el intercambiador de calor enfría solo el fluido con el cual el sello

trabaja, y este fruido frio no entra al proceso (ver figura 2.31). [18]

Productos viscosos y con alto punto de congelamiento deben ser considerados al

seleccionar un plan 23. El intercambiador de calor debe enfriar el fluido por debajo del

punto de circulación. En estas aplicaciones considere el uso de vapor como medio

enfriante, o utilice un plan 21. [18]

Elementos:

1. Salida de la inyección del liquido (FO)

2. Entrada de la inyección del liquido (FI).



5. Venteo

TI: Indicador de temperatura.

Figura 2.31 Plan API 23 circuito cerrado con enfriador [18]

CAPITULO II

56

Plan API 31 separador ciclónico

Plan 31 es especifico solamente para servicios que contienen sólidos con gravedades

especificas al menos dos veces mayor a la del fluido del proceso. Un uso típico de este

plan es en servicios de agua, para remover arena o sarro de las turbinas. En el plan 31,

el producto es llevado de la descarga de la bomba a un separador ciclónico. Las

partículas solidas son centrifugadas del fluido y direccionales a la succión. El fluido de

enfriamiento es llevado del separador ciclónico hacia el sello mecánico. Si el fluido del

proceso es muy sucio o viscoso, el plan 31 no es adecuado, y no es recomendado. El

uso de un buje de garganta en la caja de la bomba es recomendado con el plan 31 (ver

figura 2.32). [18]

Elementos:


2. De la succión de la bomba.




Figura 2.32 Plan API 31 separador ciclónico [18]

CAPITULO II

57

Plan API 52 sello dual no presurizado

Plan 52 es usado con sellos en arreglo 2, con sellos húmedos de contención

(configuración 2CW-CW) utilizando un sistema de fluido amortiguador. Es normalmente

usado en servicios donde la fuga de fluido de proceso a la atmosfera debe ser

minimizada y contenida. El fluido barrera es contenido en un tanque el cual es venteado

a un sistema de recuperación, manteniendo así el sistema cerrado a la atmosfera (ver

figura 2.33). [18]

Plan 52 funciona mejor con productos limpios, puros, que no polimerizan y tienen una

presión de vapor mayor que el fluido amortiguador. La fuga de fluidos de proceso con

mayor presión de vapor al fluido amortiguador vaporizaran en el tanque y escaparan por

el venteo. [18]

A menos que se indique otra cosa, el reservoir (tanque) deberá ser diseñado para

cumplir los criterios de tamaño que se indican a continuación. [18]

El volumen de líquido en el tanque al nivel normal deberá como mínimo de ser: [18]

1.- 12 litros (3U.S. gal) para ejes de diámetro hasta 2.500” (60 mm), [18]

2.- 20 litros (5U.S. gal) para ejes de diámetro de 2.500” (60 mm) en adelante. [18]

Elementos:

1. Al sistema recolector.

2. Tanque.

3. Entrada fluido barrera.


5. Salida fluido barrera (LBO).

6. Entrada fluido barrera (LBI).

CAPITULO II

58


LSH - Switch de alto nivel.

LSL - Switch de bajo nivel.

LI - Indicador de nivel.

PI – Indicador de presión.

PSH – Indicador de alta presión.

Figura 2.33 Plan API 52 sello dual no presurizado [18]

Plan API 53A sello dual presurizado

Plan 53A es usado con sellos mecánicos en arreglo 3, sello dual presurizado en

servicios donde no se puede tolerar fuga del fluido de proceso a la atmosfera. [18]

El fluido barrera es contenido en un tanque, el cual es presurizado aproximadamente a

20 PSIG por arriba de la presión de la cámara del sello. [18]

La fuga del sello mecánico interno será hacia el producto del proceso. Siempre habrá

algo de fuga por necesidad de lubricación de las caras de sellado (ver figura 2.34). [18]

CAPITULO II

59

Elementos:

1. De una fuente externa de presión.

2. Tanque.

3. Puerto de llenado.





LSH - Switch de alto presión.

LSL - Switch de bajo nivel.

LI - Indicador de nivel.

PI – Indicador de presión.

PSH – Indicador de baja presión.

Figura 2.34 Plan API 53A sello dual presurizado [18]

CAPITULO III

60

CAPITULO III

SELECCIÓN DE UN SELLO MECÁNICO PARA LA

BOMBA P-2103 QUE MANEJA NAFTA EN UNA

REFINERÍA

CAPITULO III

61

3.1 Identificación del servicio

Hoja de datos requeridos para la selección del sello

Detalles del cliente: [7]

Usuario final: Refinería

Localización: Minatitlán, Veracruz México

Área o Planta: Área 3

Detalles de las dimensiones del sello: [7]

Valor Unidades

D1: 3.125 In

D2: 5.625 In

PCD3: 7.500 In

D4: 0.750 In

L1: 1.880 In

L2: 5.157 In

L3: 4.330 In

Max. Brida O/D: 9.000 In

N° de Roscas: 4 N/A

Tipo de Rosca: NPT N/A

¿El eje es más duro que AISI 316L (160 HB)?: No Si o No

En caso afirmativo. Especifique el material: -

¿Ha adjuntado dibujos del sello o de la bomba? Si (Fig. 3.1) Si o No

CAPITULO III

62

Angulo de posición del puerto Ø Angulo de orientación del puerto ß

Puerto 1 Puerto 2 Puerto 3

Función del Puerto*: D Q F

Angulo de posición del puerto Ø: 0 240 60

Tamaño y tipo de rosca: 1/2” NPT 1/2” NPT 1/2” NPT

Distancia desde la cara de montaje: 2.937 2.937 2.937

Angulo de orientación del puerto ß: 0 0 0

* F = Inyección de un liquido, LBI = Entrada del liquido barrera, LBO = Salida del liquido

barrera, QI = Entrada de Lavado, QO = Salida de lavado, V = Venteo, D = Drenado, Q =

Lavado. [4]

CAPITULO III

63

Detalles de la bomba: [7]

Fabricante: PACIFIC Tamaño / Tipo: SVC – 8L

Numero De serie: P 20010 / 59

ARB

Velocidad del eje

(rpm): 1800

Numero De Tag: P-2103A/B N° plan API: 11 + 52

Movimiento

Radial* (Max): 0.002

Movimiento Axial*

(Max): 0.002

Presión de la caja

del sello: 11.9 kg/cm2 Presión de descarga:

17 kg/cm2

Presión de

Succión: 10.2 kg/cm2 Posición del sello:

HORIZONTAL

Información del producto: [7]

Producto: Nafta Composición Química /

Concentración*: ---

Peligrosidad: Inflamable,

explosivo Gravedad Específica : 0.54

Temperatura: 265 °C Polimeriza: No Si o No

Presión de

vapor a 20 °C:

0.00204

kg/cm2

Contaminantes

disueltos: No Si o No

Viscosidad* : --- Contenido Abrasivo: Si Si o No

Fluido del

Flush: Nafta Flush Disponible: Si Si o No

Max. Tamaño

de Partícula*: --- Funciona en seco: No Si o No

* Información opcional del producto ó de la bomba.

CAPITULO III

64

Figura 3.1 Sello mecánico existente [7]

CAPITULO III

65

3.2 Análisis de falla del sello mecánico existente instalado en la bomba P-2103

3.2.1 Sello mecánico existente en la bomba P-2103

El sello mecánico existente cuyo dibujo se muestra abajo, presenta un tiempo medio

entre fallas de alrededor de tres meses (ver figura 3.2). [7]

Figura 3.2 Sello mecánico doble existente

Del dibujo siguiente se desprende que se trata de un sello mecánico doble, Tipo C,

arreglo 2, configuración 2CW-CW, Con ensamble de fuelle rotatorio en el lado del

producto, plan de ambientación API 11 y 52. [7]

Condiciones de operación del sello son las siguientes: [7]

Producto: Nafta

Temperatura: 265 ° C

Presión Succión: 10.2 Kg/cm2

Presión Descarga: 17 Kg/cm2

Presión de la caja: 11.9 Kg/cm2

CAPITULO III

66

Elementos flexibles

En aplicaciones de tan alta temperatura, no se recomienda un sello con elemento

flexible rotatorio, por la siguiente razón. [5]

Con tan alta temperatura, la carcasa de la bomba sufre de un desalineamiento

impredecible y asimétrico, perdiendo la escuadra entre el eje y la cara de la caja del

sello (ver figura 3.3). [5]

El estándar API 682 establece que el error en perpendicularidad en la cara de la caja

del sello respecto al eje de la bomba no debe ser mayor de .0005 in / in de diámetro

interno de la caja de sello. [5]

Cumplir con este requerimiento es esencial para lograr adecuados niveles de

confiabilidad cuando se utilizan sellos de elemento flexible rotatorio. [5]

Figura 3.3 Cara de la caja de sello

El estándar API 682 establece que se deberá considerar la utilización de un sello con

elemento flexible estacionario cuando exista distorsión térmica que afecte a la

perpendicularidad en la cara de la caja de sello respecto al eje de la bomba. [5]

CAPITULO III

67

La utilización de elemento flexible rotatorio es inadecuada para bombas de alta

temperatura porque se produce fatiga excesiva sobre el fuelle metálico, según el caso.

Es necesario utilizar sellos mecánicos con el elemento flexible estacionario en bombas

que operan a temperatura mayor de 176 ° C. [5]

3.2.2 Plan API y Fluido barrera existente en la bomba P-2103

Nafta caliente como lubricante

Un requisito para que un sello mecánico cumpla con las 25,000 hrs que marca el

Estándar API 682, es que las caras del sello estén lubricadas por un fluido, que tenga

altas propiedades lubricantes, que este no se degrade con la temperatura a corto plazo. [7]

La nafta caliente, a 265 ° C no forma una buena película de lubricación entre las caras

del sello, sumándole que al ir avanzando a través de las caras del sello, se va

incrementando la presión y la temperatura, al someter la nafta a estos incrementos, en

algunas ocasiones o en los llamados puntos críticos del proceso estos incrementos,

pueden provocar que la nafta pase del estado liquido al estado gaseoso de manera

violenta lo que se denomina (Flasheo) lo que es letal para las caras del sello, por lo

tanto se reduce de manera significativa, la vida del sello mecánico. [7]

Plan API 11

En el plan 11, el producto es dirigido desde la descarga de la bomba hacia la caja de la

bomba (cámara del sello) para proveer enfriamiento al sello mecánico y retirar el vapor

y las bolsas de aire de la misma al arranque del equipo. Entonces el fluido circula del

fondo de la caja de la bomba hacia el lado del proceso (ver figura 3.4). [18]

CAPITULO III

68

Elementos:





Figura 3.4 Plan API 11 recirculación [18]

Sin embargo, ¿Qué efecto secundario adverso tenemos como resultado de utilizar el

plan 11? [18]

1. El enfriamiento que se provee en la caja del sello es mínimo, es decir la temperatura

en la caja del sello permanece casi igual. [18]

2. La presión de la caja del sello se incrementa y se acerca a la presión de descarga,

esta alta presión deforma al fuelle metálico del sello estándar tipo “C” y altera

desfavorablemente a la línea de balance hidráulico del sello interno, es decir se produce

mucha mayor fuerza de cierre entre sus caras, Esto afecta la confiabilidad del sello

mecánico presentando fallas frecuentes. [18]

Plan API 52

Plan 52 es usado con sellos en arreglo 2, con sellos húmedos de contención

(configuración 2CW-CW) utilizando un sistema de fluido amortiguador. Es normalmente

usado en servicios donde la fuga de fluido de proceso a la atmosfera debe ser

minimizada y contenida. El fluido barrera es contenido en un tanque el cual es venteado

a un sistema de recuperación, manteniendo así el sistema cerrado a la atmosfera

proceso (ver figura 3.5). [18]

CAPITULO III

69

Elementos:

1. Al sistema recolector.

2. Tanque.

3. Entrada fluido barrera.





Figura 3.5 Plan API 52 sello dual no presurizado [18]

Al utilizar plan 52 la alta presión en la caja del sello provoca que la película entre las

caras se forme del fluido de proceso (nafta) y no del fluido barrera e incrementando la

presión y la temperatura en las caras del sello, provocando que la nafta caliente pase

del estado liquido al estado gaseoso de manera violenta, lo que se denomina (Flasheo)

por lo tanto se reduce de manera significativa la vida del sello mecánico. [18]

3.3 Mejora de selección de sello mecánico para la bomba P-2103

La norma API 682 establece que la configuración del sello para aplicaciones de alta

temperatura (Nafta a 265 °C) es la siguiente: [5]

CAPITULO III

70

Categoría 2

Su uso está restringido para sellar hasta temperaturas que van desde los -40°C (-40 °F)

hasta 400 °C (750 °F) y presiones absolutas de hasta 4.2 MPa (42 Bar). [5]

Tipo A

Balanceado, montado internamente, diseño de cartucho, sello de empuje multiresorte

en el cual el elemento flexible es estacionario. [18]

Sello de empuje estacionario: [18]

Temperatura: -40°C A 176°C (-40°F A 350 °F)

Presión: 41 bar g (315 psi)

Resortes múltiples: Alloy c-276

O-ring: FKM O FFKM, NBR, HNBR, EPDM, TFE

Arreglo 3

Configuración de sello que tiene dos sellos por ensamble cartucho que utiliza un fluido

barrera suministrado externamente. [18]

Sello doble presurizado (arreglo tándem): 3CW-CW (Arreglo 3 contacto húmedo-

contacto húmedo). [18]

Combinación de caras

Carbón al antimonio/Carburo de silicio, Limite de temperatura hasta 425 °C. [1]

Muy buena compatibilidad química con la nafta. [1]

Extremadamente buenas cualidades de disipación de calor. [1]

Muy duro y Muy quebradizo. [1]

CAPITULO III

71

O-ring

Kalrez (Perfluorocarbon, FFKM), Rango de temperatura de -40 a 316°C. Excelente

resistencia química semejante a la del teflón. [9]

Metalurgia

Acero inoxidable 316L SS, Limite de temperatura hasta 160 °C. [12]

3.3.1 Sello CAPI DUAL A1 como solución de sellado en la bomba P-2103

El sello mecánico CAPI DUAL A1, es un sello doble con las siguientes características: [3]

A) Sello de empuje doble, Categoría 2, Tipo A, Arreglo 3CW-CW, Caras

CB(ANTY)/SIC//CB(ANTY)/SIC, O-ring Kalrez Z7075, Metalurgia 316L SS (ver figura

3.6). [3]

B) Elemento flexible estacionario ofertado como estándar para un diseño de empuje.

Resortes no expuestos al fluido de proceso, dado que estos se pueden atascar y dañar

al sello (ver figura 3.7). [3]

C) Diseño de Flush distribuido ofertado como estándar para optimizar el enfriamiento en

las caras del sello. [3]

D) Caras monolíticas, hidráulicamente balanceadas en ambas direcciones, Caras

autoalineables. [3]

E) Anillo de bombeo bi-direccional con un 0.062” (1.5mm) de claro radial entre el

dispositivo de bombeo y el elemento mecánico estacionario (ver figura 3.8). [3]

CAPITULO III

72

F) Se ha comprobado con éxito en condiciones de operación de hasta 230 °C con

KALREZ 7075. Puede manejar con éxito perturbaciones temporales de proceso de

hasta 320 °C. [3]

Figura 3.6 Sello mecánico CAPI DUAL A 1[3]

Figura 3.7 características del sello mecánico doble [3]

Figura 3.8 Anillo de bombeo bi-direccional [3]

CAPITULO III

73

3.3.2 Plan API y fluido barrera como solución en la bomba P-2103

Plan API 21

Se requiere de un plan API 21 (ver figura 3.9) para el enfriamiento y evitar la

vaporización o Flashing de la nafta entre las caras disminuyendo la presión de vapor. [18]

Elementos:





Figura 3.9 Plan API 21[18]

Plan 21 proporciona fluido a una temperatura menor de la de proceso

(Aproximadamente menor a 176 ° C) al sello mecánico. Este es necesario para mejorar

el margen de formación de vapor entre las caras del sello y para no pasar los limites de

temperatura de los elementos de sellado secundario. [18]

El plan 21 al igual que el plan 11 también aumenta la presión en la cámara de la bomba,

para evitar que la película entre las caras se forme del fluido del proceso ocasionado

por el aumento de presión se debe utilizar el plan 53A. [18]

CAPITULO III

74

Plan API 53A

Se recomienda plan API 53A (Ver figura 3.10) para que la película entre las caras se

forme del fluido barrera y no del fluido de proceso, para evitar la formación de vapores

en las caras del sello interno. [18]

Elementos:

1. De una fuente externa de presión.

2. Tanque.

3. Puerto de llenado.





Figura 3.10 Plan API 53A

Plan 53A es usado con sellos mecánicos en arreglo 3, sello dual presurizado en

servicios donde no se puede tolerar fuga del fluido de proceso a la atmosfera. El fluido

barrera es contenido en un tanque, el cual es presurizado por arriba de la presión de la

cámara del sello. La fuga del sello mecánico interno será hacia el producto del proceso.

Siempre habrá algo de fuga por necesidad de lubricación de las caras de sellado. [18]

La película entre las caras del sello debe de ser de un fluido sintético con buenas

propiedades de lubricación, compatible con el fluido de proceso y con excelente

estabilidad térmica de largo plazo a la temperatura de operación. [18]

CAPITULO III

75

Fluido barrera GT 22

Fluido Barrera GT está recomendado para uso a temperaturas elevadas. Es puro, no

reactivo, líquido sintético que ofrece una lubricación superior y de refrigeración para los

sellos mecánicos dobles y tándem. Proporciona un rendimiento muy estable en el sello

de un rango de temperatura extremadamente amplio. Tiene una excelente fluidez a baja

temperatura y propiedades de transferencia de calor (Tabla 3.1). [19]

• Excelentes propiedades de transferencia de calor: Fluido barrera Royal Purple, es 25

a 30 % mejor que el aceite mineral para mantener frescos los sellos. [19]

• Tamaño Uniforme Molecular: Además de excelente estabilidad térmica de fluido

barrera Royal Purple, proporciona máxima protección contra la formación de sólidos en

el sello de carbono causado por la volatilidad del líquido entre las caras. [19]

• Compatible con la mayoría de fluidos: Fluido barrera Royal Purple, pueden ser

mezclados con aceites minerales, pero no debe ser mezclado con glicol o sintéticos de

silicona. [19]

• Amplio rango de compatibilidad de Sellado: Fluido barrera Royal Purple, es

compatibles con Viton, Neopreno, Buna NBR, óxido de propileno, polietileno

clorosulfonado, polietileno clorado, Kalrez ®, fluroelastomer, nitrilo y otros. [19]

Tabla 3.1 Propiedades y grado de fluido barrera. [19]

GRADO DE FLUIDO BARRERA

PROPIEDADES TÍPICAS 22

PRESIÓN DE VAPOR MMHG A 100°C 0.006

PUNTO DE EBULLICIÓN °F 538

PESO ESPECIFICO 0.799

CAPITULO III

76

3.4 Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103

Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba horizontal P-2103

ubicada en el área 3 de una refinería (Tabla 3.2). [6]

Tabla 3.2 Evaluación económica de la modificación de sello en la bomba P-2103 [6]

Cant. Descripción P. Unitario P. total

SELLO MECANICO COMPLETO $ 190,700.00

Tipo: Capi Dual A 1

Código de Material: CB(a)/ SIC//CB(a)/SIC /K 7075

Tamaño (Diámetro): 3.125”

1

190.700,00

CAMBIADOR DE CALOR: MOD AES27X6C-US $ 67,864.50

Servicio para enfriamiento de producto, Para aplicación del:

Plan 21 API en sello Capi Dual A1 3.125” para la

1

bomba P-2103 ubicada en el Área 3

$67,864.50

TANQUE EN ACERO INOXIDABLE $ 55,130.00

MOD AES 15-5 Para aplicación del Plan 53 API

Servicio para ambientación del sello Capi Dual A1

1

3.125” para la bomba P-2103 ubicada en el Área 3

5 5.130,00

ACEITE SINTETICO BARRIER FLUID $ 4,070.00

Aceite sintético Royal Purple Barrier Fluid GT 22

1

Presentación: Recipiente con 19 litros.

4 .070,00

SUBTOTAL $ 317,764.50 IVA 15% $ 47,664.68 TOTAL $ 365,429.18

PRESIO: MONEDA NACIONAL MXP

CONCLUSIONES

77

CONCLUSIÓNES

A alta temperatura el sello existente de elemento flexible rotatorio, no puede compensar

a la deformación térmica de la bomba. La nafta a 265 °C no forma una buena película

de lubricación entre las caras del sello, porque incrementa la presión y la temperatura,

provocando que la nafta pase del estado liquido al estado gaseoso. El uso del plan API

11 es inadecuado, porque la presión de la caja del sello se incrementa y se acerca a la

presión de descarga, es decir a 16 kg/cm2, este incremento de presión produce mucha

mayor fuerza de cierre entre las caras del sello.El uso del plan 52 es inadecuado para

manejo de fluidos con pobre propiedades de lubricación y que vaporizan entre las caras

del sello, porque la película entre las caras se forme del fluido de proceso (nafta) y no

del fluido barrera. Todo esto factores anteriormente provocan la falla del sello mecánico

existente.

El sello mecánico como solución es el Sello CAPI DUAL A1, Categoría 2, Tipo A,

Arreglo 3CW-CW, con elemento flexible estacionario que cumple con las normas API.

Por seguridad y confiabilidad debe estar ambientado con plan API 21 y 53A. El plan API

21 es utilizado para reducir la temperatura de la caja del sello a menos de 176 °C y

evitar la vaporización o Flasheo de la nafta entre las caras del sello interno. El plan API

53A es utilizado para que la película entre las caras se forme del fluido barrera y no del

fluido de proceso, para evitar la formación de vapores entre las caras del sello interno.

La utilización de fluido barrera Royal Purple GT 22 garantiza que la película formada

entre las caras sea estable y de larga duración, el cual es un aceite sintético, limpio,

inerte al producto y con excelente estabilidad térmica de largo plazo a alta temperatura.

GLOSARIO

78

GLOSARIO

Caja de sellado: Componente ya sea integrado o separado del cuerpo de la bomba

que está formada por el espacio entre el eje y el cuerpo de la bomba en donde se

instala el sello mecánico.

Drain (D): Puerto en el lado atmosférico del sello mecánico para dirigir las emisiones,

condensados y fugas a un recipiente o al drenaje aceitoso.

Elastómero: Polímero natural o sintético que presenta propiedades elásticas.

Estepero: Caja de alojamiento del sello mecánico.

FFKM perfluoro elastómero: O-ring químicamente resistente adecuado para servicios

de alta temperatura.

Flasheo: Cambio de fase de líquido a gas en las caras del sello mecánico.

Fluido barrera: Suministrado externamente a una presión mayor que la presión en la

caja de sallado, usado en sellos en arreglo 3 para aislar completamente el liquido de

proceso del medio ambiente.

Flush (F): Inyección de un líquido para lubricar y enfriar las caras de contacto del sello

mecánico.

Fretting: Erosión por corrosión en las superficies donde los empaques secundarios

hacen contacto sobre la manga o eje, debido a movimientos oscilatorios del equipo.

Housing: Caja del sello mecánico removible.

Lapeado: Proceso para dar la planicidad requerida a las caras de contacto del sello

mecánico.

LBI: Entrada fluido barrera.

LBO: Salida del fluido barrera.

Polimerización: Reacción que enlaza moléculas de escasa masa molecular formando

compuestos de masa molecular elevada.

Quench (Q): Puerto en el lado atmosférico del sello mecánico para lavar o calentar las

emisiones del sello mecánico.

Reservoir: Tanque o recipiente usado en los planes de lubricación al sello mecánico.

GLOSARIO

79

Sellos Dobles: Consisten en dos sellos sencillos lubricados para un fluido barrera, lo

cual proporciona una zona neutral en la que se hace recircular el fluido de barrera a

mayor presión que la del fluido en operación.

Sellos de Empuje: Utilizan como elementos sellantes secundarios empaques

deslizantes que pueden ser o-ring, cuñas y anillos.

Sello Balanceado: Cuando aumenta el área de las caras de contacto, mediante la

reducción del diámetro interior del anillo primario por debajo del diámetro del eje o

camisa, aliviando la presión entre dichas caras.

Sello No Balanceado: La presión hidráulica se transmite totalmente a las caras de

contacto.

Sellos Sencillos: Cubren satisfactoriamente el mayor número de aplicaciones de sellos

mecánicos, pueden montarse interiormente o exteriormente. En la actualidad debido a

las exigencias y regulaciones ambientales y el alto grado de peligrosidad de los fluidos

manejados están siendo sustituidos por sellos dobles.

Sellos Tandem: Es un arreglo de dos sellos sencillos donde el primer sello (principal)

es lubricado por el fluido bombeado y el segundo sello (auxiliar) es lubricado por un

fluido barrera que recircula a presión atmosférica.

Chevron: Conjunto de empaquetadura compuesto de base, anillos intermedios y tapa.

Comúnmente utilizado en bombas de desplazamiento positivo o grandes cilindros

hidráulicos.

BIBLIOGRAFIA

80

BIBLIOGRAFÍAS

1. AESSEAL, Manual premio de bronce / Curso de entrenamiento de sellado

mecánico, 1996.

2. AESSEAL, Manual premio de plata / Curso de entrenamiento de sellado

mecánico, 1996.

3. AESSEAL, Productos para la industria de petróleo y gas,

ftp://ftp.aesseal.co.uk/downloads/pub/literature/L-MX-CAPIMAIN.pdf, octubre del

2009.

4. AESSEAL, Seal Application Order / Enquiry Form (SAF),

ftp://ftp.aesseal.co.uk/downloads/pub/literature/seal_form.doc, octubre del 2009.

5. ANSI/API Standard 682, Pumps—Shaft Sealing Systems for Centrifugal and

Rotary Pumps, Third Edition, 2004.

6. Documento interno de trabajo con información de cotización de sello en la bomba

horizontal P-2103 ubicada en la refinería Lázaro Cárdenas 2007, AESSEAL.

7. Documento interno de trabajo con información técnica del sello existente

instalado en la bomba horizontal P-2103, de la bomba horizontal P-2103 y del

fluido que transporta la bomba horizontal P-2103 1997, AESSEAL.

8. Irmaco, AISI 316L, http://www.irmaco.com/Productos/inoxidable.htm, octubre del

2009.

BIBLIOGRAFIA

81

9. Itzamna, Análisis del funcionamiento de dispositivos de sellado en equipos de

bombeo, compresión y válvulas en procesos industriales,

http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/17/1/ANALIS%20D

E%20FUNCIONAMIENTO%20DE%20DISPOSITIVOS%20DE%20SELLADO%2

0ENE%20QUIPOS%20DE%20BOMBEO.pdf, octubre del 2009.

10. John Crane, Manual sellos mecánicos & Sistemas de lubricación y enfriamiento

(Planes API), 2006.

11. Kenneth M. Pruett, Chemical resistance guide for elastomers II, compass

publications, 1995.

12. Kenneth M. Pruett, Chemical resistance guide for metal and alloys, compass

publications, 1995.

13. Mailxmail, Capitulo 3: Sello mecánico. Empaquetadura,

http://www.mailxmail.com/curso-bombas-centrifugas/sello-mecanico-

empaquetadura, octubre del 2009.

14. Megamex, Hastelloy B-3, http://www.megamex.com/span/hastelloy_b-3.htm,

octubre del 2009.

15. Megamex, Hastelloy, Aleación de níquel C-276,

http://www.megamex.com/span/hastelloy-c-276-c276-nickel-alloy.htm, octubre

del 2009.

16. Novatec, Sellos mecánicos, principio de operación, tipos y aplicaciones,

http://www.novatec.cr/Utilitarios/Burgmann_Sellos%20mecanicos/Principios_Sell

os-mecanicos.pdf, octubre del 2009.

BIBLIOGRAFIA

82

17. Pemex, Bombas centrifugas,

http://www.pemex.com/files/standards/definitivas/nrf-050-pemex-2001.pdf,

octubre del 2009.

18. Petróleos Mexicanos, Lineamiento técnico para la selección, instalación,

operación y mantenimiento de sellos mecánicos en las instalaciones de petróleos

mexicanos y organizaciones subsidiarias, 2007.

19. Royal purple industrial, Barrier Fluid GT, http://www.royal-purple-

industrial.com/pdfsi/bfgtps.pdf, octubre del 2009.

ANEXO A

83

ANEXO A

ARREGLO Y CONFIGURACIÓN DE SELLOS

Arreglo1

a) 1CW-FX, contacto húmedo-buje de restricción fijo [5]

b) 1CW-FL, contacto húmedo-buje de restricción flotante [5]

ANEXO A

84

Arreglo 2

a) 2CW-CW, Contacto húmedo-contacto húmedo [5]

b) 2CW-CS, contacto húmedo-sello contención [5]

c) 2NC-CS, no contacto húmedo-sello contención [5]

ANEXO A

85

Arreglo 3

a) 3CW-FB, contacto húmedo-cara a espalda [5]

b) 3CW-BB, contacto húmedo-espalda a espalda [5]

c) 3CW-FF, contacto húmedo-cara a cara [5]

ANEXO A

86

Arreglo 3 (Continuación)

c) 3NC-BB, sin contacto-espalda a espalda [5]

d) 3NC-FF, sin contacto-cara a espalda [5]

e) 3NC-FB, sin contacto-cara a cara [5]

ANEXO B

87

ANEXO B

GUÍA DE RESISTENCIA QUÍMICA PARA METALES Y ALEACIONES [12]

Clasificación simbólica

La profundidad de la corrosión por unidad de superficie

A ≤ 0,002 mm por año (<0,05 mm / año.)

B ≤0,020 mm por año (<0,50 mm / año.)

C ≤0,050 mm por año (<1,27 mm / año.)

NR > 0.050 inches per year or explosive, not recommended.

Q Cuestionable (probablemente inadecuada)

Blanco No hay datos

ANEXO B

88

Guía de resistencia química para metales y aleaciones [12]

ANEXO B

89


ANEXO B

90


ANEXO C

91

ANEXO C

GUÍA DE RESISTENCIA QUÍMICA PARA ELASTÓMEROS II [11]

CLASIFICACION VOLUMÉTRICO INFLAMACIÓN

PÉRDIDA DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

DESCRIPCIÓN DE ATAQUE

A ≤15% en 30 días a 1 año

≤15% en 30 días a 1 año

Excelente, muy poca o ninguna hinchazón o ablandamiento o deterioro de la superficie.

B ≤30% en 30 días a 1 año


Ataque químico Menor, inflamación, reblandecimiento o deterioro de la superficie.

C ≤50% en 30 días a 1 año


Ataque químico moderado. Conditional service. Servicio condicional.

NR ≥ 50% de forma inmediata a 1 año

> 60% de forma inmediata a 1 año

Ataque severo, inflamación, de ablandamiento, o disueltos en cuestión de minutos o años. No se recomienda.

Q - -- - -- Resistencia cuestionable. El uso de dudoso cobro.

TEST PRUEBA - -- - -- De prueba antes de usar.

ANEXO C

92

Guía de resistencia química para elastómeros II [11]

ANEXO C

93

Guía de resistencia química para elastómeros II [11]

Sellos mecanicos seleccion

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