Por qué fallan los sellos mecánicos.
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA SELLOS SEMAX.
Los defectos, en apariencia insignificante, en la instalación o en el diseño de los sellos o la contaminación anormal del líquido pueden ocasionar fallas de los sellos.
Todos los años, las fallas de los sellos mecánicos producen costos de mantenimiento y pérdidas de producción por millones de pesos.
Se presentan las causas básicas de las fallas de los sellos y los métodos principales para evitarlas.
Las fallas suelen ser por
1) errores en la instalación,
2) problemas por el diseño básico del sello mecánico y
3) contaminación anormal del liquido.
Todos los sellos mecánicos son básicamente iguales. Cada sello tiene una cara selladora estática y una cara dinámica, según su aplicación difieren en tipos de materiales y durezas.
Una variable de sellos tiene una cara selladora de contacto de un material blando, para desgaste, como el carbón; el otro tiene una cara de material duro, que puede ser cerámica.
Los sellos pueden ser del tipo equilibrado (balanceado) o desequilibrados. El equilibrado está diseñado para compensar los cambios bruscos en la presión hidráulica. Por contraste el sello desequilibrado no los compensa y sólo se justifica por su menor costo.
Los sellos mecánicos están diseñados para no permitir fugas hasta que se gasten las caras. Se ha encontrado que muchos sellos no tienen desgaste en las caras al desmontarlos de la bomba y las fugas empiezan mucho antes de que se desgasten. ¿Por qué?
Errores en la instalación.
Los errores en la instalación pueden ocurrir sin que el operario se dé cuenta, y los más comunes incluyen el descuido en proteger las caras de sellado, daño a los elastómeros y no verificar la posición y las dimensiones críticas del sello. Las caras de los sellos se pulimentan con una tolerancia de una banda de la luz de helio o sea 0.00029464 mm ( 0.0000116 in.) . Esta tolerancia crítica hace que sean uno de los componentes de mayor precisión en el trabajo de mantenimiento.
El operario debe manejar el sello como si fuera una obra de arte. Si se cae o se golpea con cualquier objeto, por ejemplo, en el lugar de la ubicación del sello en la bomba, es casi seguro que permitirá fugas.
Además, cualesquiera partículas de herrumbre u otro cuerpo extraño que lleguen a las caras del sello durante la instalación permitirán fugas.
En el ejemplo del sello anteriormente dado puede ocurrir que las partículas se pueden enclavar en la cara de carbón blando y producen abrasión en la cara dura. En consecuencia, hay que tener un cuidado excepcional para instalar sellos. Por ejemplo, quizá se necesite una zona exclusiva para armar las bombas y también hay que pensar en la limpieza minuciosa de las piezas de la bomba en la zona del sello que van a seguir en servicio.
Durante la instalación, es fácil que ocurran daños en el elastómero del sello, que puede ser sello anular ("O" ring), cuña, taza cóncava, etc. Hay que fijarse bien si hay rebabas o bordes agudos al colocar el sello en el eje o la camisa del eje, en especial los prisioneros, cuñas (chaveteros) y estrías. Nunca utilice una cuchilla para quitar un sello anular viejo; utilice un pasador delgado o una varilla de madera para no cortar el elastómero; cualquier corte o daño en el elastómero al instalar, puede permitir fugas que parecerán provenir de las caras del sello cuando se arranca la bomba.
Salvo que el sello esté instalado de modo que las caras tengan la carga correcta, ocurrirán fugas. El operario debe verificar la tolerancia permitida en la instalación del tipo particular de sello. También se deben tener en cuenta los ajustes finales del impulsor y de la posición de las placas de apoyo.
Antes de instalar el sello hay que comprobar la desviación radial del eje con un micrómetro de esfera; la lectura total del micrómetro no debe exceder de 0.01 por mm de longitud. Además, el movimiento axial no debe exceder de 0.1 mm. Si no se pueden lograr esas tolerancias, habrá que ajustar o reemplazar los cojinetes, rodamientos, pues, en otra forma, ocurrirán fugas por el sello.
Hay que comprobar la concentricidad y perpendicularidad del prensaestopa con el eje. A veces, habrá que rectificar la cara del prensaestopa para tener la certeza que el componente fijo quede perpendicular con el rotatorio. Si se aprieta en exceso el retén, puede haber curvatura en la cara del sello.
Un sello nuevo no debe permitir fugas; si las hay, indica un error en la instalación. La fuga puede desaparecer poco a poco pero no del todo. Hay que desarmar e inspeccionar la bomba y volver a instalar o reemplazar el sello. Cuando hay errores, pueden parecer insignificantes, pero si no se corrigen ocurrirán fugas y se puede pensar que el sello "no sirve para nada".
Problemas por el diseño de los sellos.
Un sello de diseño deficiente puede permitir la pérdida momentánea de contacto de las caras y su falla en un momento dado. Cuando las caras pierden contacto por cualquier razón, cualquier partícula en el líquido para sello se introducirá entre las caras y se enclavará en la cara blanda, ésta funcionará como rueda abrasiva y destruirá ambas.
El componente rotatorio se conecta con el eje de la bomba, que tiene un movimiento axial constante entre 0.0254 y 0.0508 mm. Este movimiento lo pueden producir la desviación normal, vibración, cavitación, desequilibrio del impulsor, desalineación de los tubos y acoplamientos y las tolerancias de los cojinetes. El sello debe poder compensar este movimiento axial, lo cual es una de las razones por las que se necesitan resortes y elastómeros en el sello mecánico. Si se interrumpe esta compensación por cualquier motivo, las caras del sello perderán el contacto y habrá fuga. Las partículas de sólidos, sin que importe su origen, atrapadas en los resortes o elastómeros o entre el componente rotatorio y el eje, impedirán la acción de compensación.
Esto permitirá que se separen las caras por el movimiento natural del eje y la inutilización del sello.
Hay que determinar si el sello tendrá las características para soportar los factores desfavorables y si las condiciones de trabajo son las adecuadas, para el funcionamiento correcto del sello. Por ejemplo, hay que establecer si los resortes están o no encerrados, si el elastómero es un sello anular, una cuña u otra configuración y cuales son las dimensiones criticas para la holgura. En general, los sellos anulares se pueden flexionar algunas centésimas de milímetro y son mejores que otras configuraciones de elastómero que no permiten tanto movimiento.
Los resortes múltiples pequeños producen una presión más uniforme entre las caras que un solo resorte grande; sin embargo, como el alambre de este último es más grueso, puede resistir con más facilidad la corrosión, partículas y sustancias gomosas. La resistencia a esos factores se puede lograr en los sellos de resortes múltiples si están instalados de modo que no toquen el líquido bombeado. Pero, aunque los resortes puedan estar aislados del líquido, el elastómero y el componente rotatorio sí hacen contacto. Por ello, aunque se crea que el líquido bombeado esté limpio, una contaminación inesperada puede ocasionar la pérdida momentánea del contacto entre las caras del sello y ocurrirá una fuga.
El calor generado en las caras del sello puede producir la falla del elastómero o cambiar la condición del líquido bombeado en la zona del sello, lo que aumentará la corrosión o producirá cristalización. Por lo tanto, al evaluar cualquier tipo de sello mecánico se debe tener en cuenta la proximidad del elastómero con las caras del sello y verificar el flujo recomendado de líquido en el prensaestopa.
Además, el calor generado por el sello mecánico está en función de la presión de cierre contra sus caras. Los sellos mecánicos equilibrados hacen que esa presión sea mínima y se compense cuando cambia la presión hidráulica, por ello, el sello equilibrado requiere poco o ningún líquido para lavado y enfriamiento. Otras ventajas del sello equilibrado consisten en que son más resistentes si se cierra en forma brusca el tubo de descarga de la bomba, requieren 20% menos caballaje que el desequilibrado, compensan el golpe de ariete y en que se puede utilizar el mismo tipo de sello en bombas distintas para diferentes presiones.
Además, hay que comprobar la compatibilidad del líquido para el lugar del alojamiento del sello con los materiales de construcción de los resortes, el elastómero, el componente rotatorio y el fijo. Si no se tienen en cuenta esos factores y ocurre pérdida momentánea de contacto entre las caras del sello, éste se dañará y ocurrirán fugas.
Partículas extrañas en el alojamiento del sello.
Los cuerpos extraños en el líquido del alojamiento del sello pueden obstruir los componentes deslizables del sello y producir su falla. Como se mencionó, se debe permitir que los resortes, elastómero y componente rotatorio compensen el movimiento del eje para evitar la pérdida momentánea de contacto entre caras. El liquido en el prensaestopa suele ser el que se bombea y su volumen es muy pequeño, de unos cuantos cm3. La presión y temperatura de ese liquido se aproxima a las del liquido bombeado, en la succión más bien que en la descarga de la bomba.
Si el líquido bombeado no contiene sólidos y está más o menos frío, un sello equilibrado no requiere cuidados especiales. Pero, algunos líquidos, cuando cambian las condiciones de funcionamiento pueden incluir sólidos, abrasivos, producir cristalización o ser corrosivos. Se necesitan controles adicionales para el liquido que llega al prensaestopas, el problema más grande en estos controles, es que se puede producir un paro accidental de ellos. Por ello, ciertas dificultades insignificantes se pueden pasar por alto y ocurrirá la falla del sello.
Los controles del líquido para el sello se deben proyectar sobre la base del pequeño volumen del líquido en el alojamiento del sello. Algunos ejemplos de estos controles son:
1. Tubos conectados con los tubos de succión o descarga de la bomba y que terminen en el alojamiento del sello;
2. Tubos conectados como se menciona pero con uno adicional desde el alojamiento del sello hasta un drenaje;
3. Un segundo líquido, compatible con el bombeado inyectado en el lugar del alojamiento del sello;
4. Un buje de restricción instalado en el fondo del alojamiento del sello, para reducir al mínimo el orificio entre el eje y la carcasa de la bomba;
5. Camisa de vapor, serpentinas de enfriamiento o aislamiento en torno al alojamiento del sello.
La selección del control se debe hacer después de estudiar las características del líquido que se bombea.
El estudio de las características del líquido bombeado indicará que se puede tener un pequeño volumen de líquido limpio y frío en el alojamiento del sello con el control de su temperatura o presión y así se evita el contacto con el aire. Por ejemplo, la presión en el alojamiento del sello se puede aumentar o reducir si se conecta un tubo desde la succión o descarga de la bomba.
Un error típico cuando se bombean líquidos abrasivos es conectar el tubo de descarga de la bomba al alojamiento del sello, aunque esto puede aumentar la presión y el caudal, las partículas erosionarán las caras del sello. Si hay cristalización del líquido, la solución puede ser el control de temperatura, cosa que es fácil mediante serpentinas de enfriamiento, camisas de vapor o con aislamiento. Si se determina que no se puede controlar el líquido bombeado para evitar la obstrucción de los componentes deslizables del sello, se debe utilizar un líquido de barrera en el alojamiento del sello.
Antes de seleccionar el líquido de barrera hay que estudiar la presión y temperatura en el alojamiento del sello durante todo el funcionamiento de la bomba; el fabricante dará esta información. El líquido de barrera debe estar a una presión entre 0.75 y 1 kg/cm2 más alta que la máxima en el alojamiento del sello para tener flujo correcto e impedir que el líquido bombeado pueda penetrar. Se requiere un volumen muy pequeño en el alojamiento del sello. Con un sello equilibrado sólo se necesita 0.2 lts/min para disipar el calor aunque también se utilizan flujos de 3 a 36 lts/min, que no son necesarios. Puede ser deseable instalar un buje de restricción en el alojamiento del sello para limitar el flujo del líquido de barrera y mantenerle su presión.
Ocurre un gran número de fallas de sellos mecánicos por la inestabilidad de la presión y flujo del líquido de barrera. Algunos factores que ocasionan las fallas son:
1. Conexiones con los cabezales en la planta, por ejemplo, para agua tratada, en los que fluctúa la presión por que hay un consumo grande y poco frecuente en el mismo cabezal, por ejemplo, para adición de agua a un tanque;
2. Tubería que permite que el sello mecánico reciba líquido del fondo de una cabeza o del extremo de un ramal, con lo cual todas las partículas del cabezal van hacia el tubo de pequeño diámetro para el sello y lo obstruyen con frecuencia;
3. no se tiene en cuenta alteraciones en el cabezal para el líquido de barrera, que permiten llegar partículas al alojamiento del sello, por ejemplo, al lavar las torres de enfriamiento, reemplazar tuberías, vibración intensa de los colgadores de tubo, etc.
El tubo de recirculación o de lavado es el de menor diámetro interior en la zona de proceso y se debe a que sólo se necesitan unas cuantas zonas de líquido para el sello equilibrado, pero el suministro debe ser constante y sin variaciones en la presión. Si ocurren éstas, el líquido bombeado puede entrar al alojamiento del sello y obstruir los componentes deslizables con la consecuente falla. No es raro que se compren sellos mecánicos muy costosos hechos con metales raros para tratar de resolver los problemas, pero, continuaran las fallas debido a problemas que parecen ser insignificantes.
Para tener flujo y presión estables para el líquido de barrera se puede hacer lo siguiente:
1 Conectar con una fuente de líquido de barrera a presión estable o instalar tanques de presión para que ésta no fluctúe-
2 Instalar un filtro que se pueda limpiar durante el funcionamiento;
3 Instalar un caudalímetro;
4 Vigilar todos los sellos con un programa permanente de mantenimiento o lubricación.
Los sellos mecánicos fallan por errores en la instalación y en el líquido para el alojamiento del sello. Un estudio cuidadoso prolongará la duración y minimizará el tiempo muerto de la bomba, con lo que se ahorrarán miles de pesos en costos de mantenimiento y de operaciones. -