INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO APLICACIÓN DE SELLOS MECÁNICOS “SECOS” EN

BOMBAS CENTRIFUGAS DE PROCESO

ALBERTO PÉREZ TAYLOR PONCE DE LEÓN

DIRECTOR DE TESIS: M. en C. JOSÉ RUBÉN AGUILAR SÁNCHEZ

AGOSTO 2010

DEDICATORIA. El presente proyecto esta dedicado, al esfuerzo, compromiso, dedicación, constancia, motivación, paciencia y perseverancia de mis seres amados y queridos, Víctor, Carolina, Elena, Lía, Mali, finalmente y especialmente a mi muy querida y amada Carolina. Gracias. Alberto Pérez Taylor Ponce De León.

Agosto 2010

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INDICE GENERAL. OBJETIVO. 7 JUSTIFICACIÒN. 7 ALCANCE. 7 INTRODUCCIÓN. 8 Capítulo 1: GENERALIDADES. 9 1.1 Tecnologías De Sellado. 9 1.2 Comparación Empaquetadura Y Sello Mecánico. 12 1.3 Elementos De Sellado Primario. 16 1.4 Elementos De Sellado Secundario. 18 1.5 Mecanismos De Carga Y Arrastre. 21 1.6 Herraje Auxiliar. 23 Capítulo 2: PROBLEMÁTICA EN EL MANEJO DE HIDROCARBUROS LIGEROS.

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2.1 La Industria Del Petróleo. 25 2.2 Características Del Sellado. 27 2.3 Propiedades De Los Hidrocarburos Ligeros. 27 2.4 Condiciones De Sellado En Servicios De Hidrocarburos Ligeros.

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2.5 Modo De Falla De Sello Mecánico En Hidrocarburos Ligeros.

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Capítulo 3: SOLUCION DE SELLADO MECANICO EN HIDROCARBUROS LIGEROS.

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3.1 Condiciones Que Se Deben Cumplir En El Sellado De Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes.

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3.2 Arreglos De Sellos Mecánicos, API. 34 3.2.1. Existen Tres Tipos Principales De Sello Mecánico (4.1.3, API 3ª). 34 3.2.2. Tres Tipos De Arreglo (4.1.4, API 3ª). 35 3.2.3 Orientación De Los Sellos (4.1.5, API 3ª). 36 3.3 Arreglos De Sellos Mecánicos En Aplicaciones De Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes (ETILENO).

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3.3.1 Sello Mecánico Sencillo. 37 3.3.2 Sello Mecánico Tandem. 38 3.3.3 Sello Mecánico Doble. 39 3.4 Fluidos Amortiguadores Y Barrera. 41

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3.5 Estándares API. 42 3.6 Sellos Mecánicos Lubricados Por Gas. 43 3.6.1 Gas Como Fluido Barrera. 45 3.6.2 Separación Entre Caras En Sellos Lubricados Por Gas. 46 3.6.3 Promedios De Emisión Y Consumos De Gas Barrera Aceptables. 47 3.6.4 Características De Operación. 48 3.6.5 Problemas Potenciales. 48 3.6.6 Velocidades De Rotación. 49 3.6.7 Sentido De Rotación. 50 3.6.8 Sólidos En El Fluido Proceso. 50 3.6.9 Fuerza De Los Resortes. 51 3.6.10 Soluciones En El Diseño. 52 3.7 Selección De Sellos Mecánicos. 53 3.7.1 Identificación del tipo de servicio. 53 3.7.2 Categoría Y Tipo De Sello Mecánico. 54 3.7.3 Arreglo Y Configuración Del Sello Mecánico, Tipo De Planes De Ambientación (Planes API).

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3.7.4 Selección De Fluido Barrera / Amortiguador. 70 3.7.5 Selección De Materiales. 71 3.7.6 Características Especiales. 74 3.7.7 Confirmación del sello seleccionado con la oferta en el mercado. 79 3.8 Selección Y Aplicación De Sello Mecánico Seco, En Hidrocarburo Ligero (Etileno).

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3.8.1 Identificación Del Tipo De Servicio. 81 3.8.2 Categoría Y Tipo De Sello Mecánico. 81 3.8.3 Arreglo Y Configuración Del Sello Mecánico, Tipo De Planes De Ambientación (Planes API).

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3.8.4 Selección De Fluido Barrera / Amortiguador. 82 3.8.5 Selección De Materiales. 82 3.8.6 Características Especiales. 83 3.8.7 Sello Mecánico Seleccionado. 84 3.9 Sellos Mecánicos Secos Para Bombas De Proceso En Aplicaciones De Hidrocarburos Ligeros.

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Capitulo 4. ESTUDIO ECONÓMICO. 89 4.1 Antecedentes. 89 4.2 Optimización De Los Sistemas De Sellado. 89 4.3 Que Es El “Costo Del Ciclo De Vida” 90 4.4. Modelo Matemático. 91 4.5 Costos Inversión Inicial. 92 4.6 Simulador Costos Del Ciclo De Vida. 94 4.7 Costo Del Ciclo De Vida. 95 4.7.1.1. Selección Del Tipo De Sello/Empaquetadura Y Planes. 95 4.7.1.2. Suposiciones Financieras. 96 4.7.1.3 Información Del Equipo. 96

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4.7.1.4. Costos De Operación. 97 4.7.1.5. Información De Sello Mecánico. 98 4.7.1.6. Información De Empaquetaduras. 98 4.7.1.7. Información De Equipo Sin Sistema De Sellado. 99 4.7.1.8. Información Del Sistema De Soporte Al Sello Mecánico. 100 4.7.2.1. Cálculos Del Costo De Operación Anual. 101 4.7.2.2. Costos Puntuales. 102 4.7.2.3. Cálculos De Valor Actual. 102 4.7.2.4. Costo De Ciclo De Vida Estimado. 103 Capitulo 5. CONCLUSIONES Y TRABAJO A FUTURO.

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5.1 Conclusiones. 104 5.2 Trabajo A Futuro. 109 GLOSARIO. 110 NOMENCLATURA. 116 BIBLIOGRAFIA 117 INDICE DE FIGURAS Figura 1. Problema Fundamental De Sellado. 10 Figura 2. Empaquetadura. 11 Figura 3. Sellado Básico. 13 Figura 4. Inconveniente Del Sellado Básico. 14 Figura 5. Sello Mejorado. 15 Figura 6. Sello Mecánico. 16 Figura 7. Tipos De Asientos. 17 Figura 8. Elementos De Sellado Secundario. 18 Figura 9. Empuje vs. No Empuje. 19 Figura 10. Sellos Secundarios. 20 Figura 11. Mecanismos De Arrastre. 22 Figura 12. Sello Cartucho. 24 Figura 13. Contacto Cónico. 30 Figura 14. Distorsión Térmica. 30 Figura 15. Desgaste Pronunciado. 30 Figura 16. Deformación en una sección. 31 Figura 17. Deformación En Varias Secciones. 31 Figura 18. Alto Desgaste. 32 Figura 19. Sello Tipo A. 34 Figura 20. Sello Tipo B. 35 Figura 21. Sello Tipo C. 35 Figura 22. Sello Mecánico Sencillo Con Lavado A Sello Plan API 11. 38

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Figura 23. Sello Mecánico Tandem Con Lavado A Sello Plan API 11, 52. 39 Figura 24. Sello mecánico doble con lavado a sello plan API 53. 40 Figura 25. Sello Mecánico Lubricado Por Gas. 44 Figura 26. Panel de control. 45 Figura 27. Patrones De Cara. 46 Figura 28. Separación De Caras. 47 Figura 29. Migración De Sólidos A Separación De Caras. 51 Figura 30. Fuerza De Cierre Vs. Fuerza De Apertura. 52 Figura 31. Preselección Del Tipo De Sello. 54 Figura 32. Resistencia Térmica De Los Elastómeros. 73 Figura 33. Rango de Toxicidad. 77 Figura 34. Sello Flowserve GF-200. 85 Figura 35. Sello John Crane 2874. 87 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Composición Típica Del Petróleo Crudo. 25 Tabla 2. Principales Características De Los Hidrocarburos Ligeros. 28 Tabla 3. Distribución De Arreglo De Sello Mecánico En Bombas De Etileno. 37 Tabla 4. Fluidos Amortiguador/Barrera. 42 Tabla 5. Datos De Servicio. 53 Tabla 6. Resistencia Química De Los Elastómeros. 74 Tabla 7. Resistencia química de caras. 74 Tabla 8. Grado De Toxicidad. 76 Tabla 9. Planes API. 78 Tabla 10. Planes API Por Toxicidad. 79 Tabla 11. Datos De Servicio De Estudio. 81 Tabla 12. Costo Inversión Inicial. 94 Tabla 13. Selección Del Tipo De Sello/Empaquetadura Y Planes. 96 Tabla 14. Suposiciones Financieras. 96 Tabla 15. Información del equipo. 97 Tabla 16. Costos De Operación. 97 Tabla 17. Información De Sello Mecánico. 98 Tabla 18. Tiempo De Vida / Tipo De Sello. 98 Tabla 19. Información De Empaquetaduras. 99 Tabla 20. Información De Equipo Sin Sistema De Sellado. 100 Tabla 21. Información Del Sistema De Soporte Al Sello Mecánico. 100 Tabla 22. Cálculos Del Costo De Operación Anual. 102 Tabla 23. Costos Puntuales. 102 Tabla 24. Cálculos De Valor Actual. 103 Tabla 25. Costo De Ciclo De Vida Estimado. 103 INDICE DE GRAFICAS Grafica 1. Gravedad Específica Vs. Temperatura. 28 Grafica 2. Presión De Vapor Vs. Temperatura. 29

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INDICE DE ANEXOS Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, “PROCEDIMIENTO RECOMENDADO PARA SELECCIÓN DE SELLOS”

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Categoría. 55 Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Tipo. 56 Anexo A API 682 3ª; Hoja 2 de 10, Selección De Arreglo. 57 Anexo A API 682 3ª; Hoja 3 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado En El Servicio. NO-HIDROACRBUROS.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 4 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado En El Servicio. HIDROACRBUROS NO VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 5 de 10. Selección Del Tipo De Sello, Basado En El Servicio. HIDROACRBUROS VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 6 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan De Ambientación API.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 7 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan De Ambientación API. NO HIDROCARBUROS.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 8 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan De Ambientación API. HIDROCARBUROS NO VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 9 de 10. Selección Del Arreglo, Y Plan De Ambientación API. HIDROCARBUROS VOLATILES.

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Anexo A API 682 3ª; Hoja 10 de 10. Selección De Fluido Barrera / Amortiguador.

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Anexo C API 682 3ª; “Hojas de datos de sellos mecánicos” 53 Anexo 1, Simulador ““Costos Del Ciclo De Vida” Caso De Estudio. i

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OBJETIVO. TENER LA METODOLOGÍA ESPECIFICA PARA LA PROBLEMÁTICA EXISTENTE, EN LA INDUSTRIA PETROLERA PARA EL MANEJO Y USO DE HIDROCARBUROS LIGEROS, ASI COMO EL SELLADO DE LOS MISMOS PARA EVITAR DAÑOS AL FACTOR HUMANO Y MEDIO AMBIENTE. JUSTIFICACIÓN. EL MANEJO DE HIDROCARBUROS LIGEROS COMO SON EL METANO, PROPANO Y ETILENO, A TRAVES DE BOMBAS CENTRIFUGAS EN LA INDUSTRIA PETROLERA, HACEN NECESARIOS, LA IMPLEMENTACION Y DESARROLLO DE SISTEMAS DE SEGURIDAD PERSONAL Y PROTECCION AL MEDIO AMBIENTE, LO CUAL DESARROLLA TECNOLOGIAS RECIENTES QUE MUESTREN EFICIENCIA Y CONFIABILIDAD EN EL SELLADO. ALCANCE. LO DESCRITO ES UN DESARROLLO METODOLOGICO, PARA LA APLICACIÓN Y USO DE SELLOS “SECOS” DE DIAMETRO NOMINAL DE EJE DE 1.500”, EN TURBOMAQUINAS QUE MANEJAN HIDROCARBUROS, EN LA INDUSTRIA PETROLERA PREFERENTEMENTE, PROTEGIENDO AL PERSONAL OPERATIVO Y MEDIO AMBIENTE.

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INTRODUCCIÓN Historia del sellado. Los productos iniciales de sellado en el mercado fueron las empaquetaduras y juntas planas, las cuales se siguen usando hoy en día. El primer sello mecánico automotriz, fue inventado en 1939, y para principios de 1940 se desarrollo y patento el primer sello mecánico de fuelle elastomerico, estos sellos revolucionaron la tecnología de sellado y siguen siendo uno de los más usados en la industria del sellado. En 1980 se desarrollo un parte aguas en la tecnología de sellado, lo sellos de no contacto lubricados por gas, diseñados para compresores centrífugos. Esta introducción revoluciono los compresores de las estaciones de bombeo a través de ductos de todo el mundo. En 1990 se aplico la tecnología de sellos de no contacto a bombas de proceso que manejan líquidos peligrosos para el ambiente. Aplicando esta tecnología a bombas estándar ANSI o API, los usuarios fácilmente pueden cumplir y exceder las regulaciones EPA para emisiones peligrosas. Esta tecnología es aplicada exitosamente en aplicaciones donde la operación esta cerca del punto de ebullición del producto a sellar. Servicios como el nitrógeno liquido, argon y oxigeno encontrados en pipas de almacenamiento y transporte, son sellados con sellos mecánicos de fuelle metálico con tecnología de no contacto. Hidrocarburos vaporizantes, también son sellados con esta tecnología. Las aplicaciones diseñadas para manejar las condiciones de los agitadores y mezcladores son significantes ya que la lubricación es eliminada y la alta pureza del producto en el recipiente es preservada. Los sellos de fuelle metálico proveen servicio a condiciones de operación de temperaturas bajas o criogénicas y a temperaturas muy altas. La tesis presente trata en el Capítulo 1, las generalidades ò estado del arte del sellado en equipos de proceso, aplicado en bombas centrifugas; el Capitulo 2, la problemática en el manejo de hidrocarburos ligeros; el Capitulo 3, la solución de sellado mecánico en hidrocarburos ligeros; el Capitulo 4, estudio económico y finalmente las Conclusiones y el trabajo futuro a realizar sobre esta temática.

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Capítulo 1: GENERALIDADES. 1.1 Tecnologías De Sellado. Tecnologías de sellado emergentes proveen opciones claras en el sellado. Diferentes servicios en plantas requieren la aplicación de estas nuevas tecnologías para controlar emisiones, seguridad, y confiabilidad. Los sistemas de sellado están disponibles, basados en el método de lubricación a usar. Los tipos de sellado son: Sellos De Contacto Lubricados Por Líquido.

• En arreglo sencillo normalmente enfriados y lubricados por el líquido a sellar.

• En arreglo dual conteniendo liquido barrera-presionado o amortiguador-sin presionar. Este arreglo es usado en aplicaciones donde el líquido a sellar no es buen lubricante, y para contención de emisiones. Estos arreglos requieren de un sistema auxiliar para la circulación del líquido barrera o amortiguador.

Sellos De No-Contacto Lubricados Por Gas.

• En arreglo dual de no contacto lubricados y presurizados por gas, por un gas inerte como el nitrógeno.

• En arreglo dual lubricados por gas sin presurizar, donde a el liquido a sellar se le permite vaporizar entre las caras del sello. Este arreglo es usado en líquidos que representan un peligro para las plantas.

• En arreglo sencillo de no contacto, pueden usarse en fluidos vaporizantes que no son dañinos en planta.

Cada uno de estas soluciones han sido usadas en aplicaciones difíciles para aumentar el “tiempo medio entre mantenimiento” (MTBM), resultando en reducciones significantes en el costo de la operación y el mantenimiento de los equipos. Conceptos De Sellos De Contacto Lubricados Por Líquido. Empaquetaduras. La historia de los sellos mecánicos es relativamente corta en comparación de otros dispositivos de sellado mecánico. Las primeras patentes de sellos aparecieron a principios de 1900. Antes de la invención de los sellos mecánicos, la empaquetadura fue usada por miles de años para sellar ejes rotantes a bajas velocidades. La palabra “sello” es usada para describir gran variedad de dispositivos de sellado. Por ejemplo, juntas, empaques toricos u o-rings, sellos de labio o retenes, son comúnmente llamados sellos. En orden de distinguir entre varios dispositivos de sellado usaremos “sello mecánico”.

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Los sellos mecánicos pueden ser encontrados en casi todas las industrias. En la aeroespacial son usados para sellar las bombas de propulsión. En la automotriz son usados en las bombas de agua para sellar el refrigerante. En plantas petroquímicas sellan una variedad de líquidos peligrosos y no peligrosos en bombas, mezcladores y reactores. En muchas casas son usados en cisternas, maquinas de lavado, lava trastes, tinas de hidromasaje y albercas. Los sellos mecánicos se han convertido en parte de nuestra vida diaria. Antes de entender la importancia de los sellos mecánicos en la industria, necesitamos considerar el problema fundamental de evitar fugas alrededor de un eje rotante que entra a una cámara, por ejemplo el de una bomba. La figura 1 lo muestra. Una forma obvia de reducir la fuga es minimizando el claro existente entre el eje y la carcasa de la bomba. Pero si hacemos el claro demasiado pequeño, el eje rozara contra la carcasa. Figura 1. Problema Fundamental De Sellado.

La figura 2 muestra una situación mejorada. La bomba fue modificada para que un material compresible pueda ser alojado entre el eje y el cuerpo de la bomba. Debido a que el material fue “empacado” entre el eje y el cuerpo de la bomba es llamado “empaquetadura”. El espacio entre el eje y el cuerpo de la bomba es llamado caja de estoperos.

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El uso de empaquetadura de compresión fue usado desde hace miles de años. La primera empaquetadura fue hecha de lino y sebo. Actualmente diferentes materiales son usados pero el concepto básico es el mismo. La caja de estoperos es llenada de un material elastico que forma anillos. Figura 2. Empaquetadura.

Estos anillos son comprimidos mecánicamente para reducir el goteo. Las empaquetaduras pueden ser instaladas con pocas herramientas. Es considerada generalmente como la inversión menor en el control de emisiones. Con la empaquetadura, el fluido entra en la caja de estoperos a través de la presión hidráulica. El fluido circula debajo de los anillos de la empaquetadura y eventualmente fuga al exterior al prensa estopas. Si menos fuga es requerida, se aprieta el prensa estopas. Fuga visible es requerida con las empaquetaduras, ya que esta fuga provee de enfriamiento y lubricación. La empaquetadura se gasta y compensaciones se tienen que hacer debido a la perdida de material. Conforme el uso la prensa estopas es apretada. El apriete es constante y verdaderamente arbitrario. Muchas fallas en las empaquetaduras son debidas al calentamiento y desgaste excesivo como resultado del sobre apriete del prensa estopas. Las empaquetaduras tiene varias deficiencias como dispositivos de sellado. Ajustes constantes y reempacado de las bombas consumen los recursos de los departamentos de mantenimiento. Altos índices de inactividad son asociados a

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bombas con empaquetadura debido a la corrosión, problemas en los rodamientos y refaccionamiento de los ejes. Bombas empacadas incorrectamente consumen mayor potencia a diferencia de los equipos sellados mecánicamente. De hecho un equipo empacado consume de un 2 a un 12% de la potencia total para vencer la fricción del la empaquetadura. Los costos asociados al ajuste de empaquetaduras, son los costos asociados al mantenimiento, perdidas de producto, y consumo adicional de potencia. La agencia de protección ambiental americana (EPA) ha hecho regulaciones en cuanto a los promedios de fugas de fluidos comunes. Las empaquetaduras no cumplen con dichas regulaciones y solo los sellos mecánicos proveen alternativas viables. En la mayoría de los países industrializados las bombas de proceso han migrado a sellos mecánicos. Aun existen mercados que encuentran en las empaquetaduras una alternativa viable. La decisión entre empaquetadura y sello mecánico puede ser hecha revisando los beneficios y problemas asociados a cada uno. 1.2 Comparación Empaquetadura Y Sello Mecánico. EMPAQUETADURA Ventajas:

• Método económico de “sellado”. • Instalación fácil.

Desventajas:

• Sirve como un dispositivo de restricción no de sellado. • Requiere de fuga o se quemara. • Ranurara y desgastara ejes y camisas. • Hay perdías de producto debido a la fuga requerida. • Requiere tiempo de mantenimiento para ajustar el prensa estopas. • Puede destruir y dañar al equipo por la fuga. • Requiere alta potencias para romper la fricción.

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SELLOS MECANICOS Ventajas:

• Sellara prácticamente con fuga invisible. • Puede trabajar hasta por 10 años. • Ahorros en pérdida de producto y consumo de energía. • Requiere mantenimiento mínimo tras la instalación. • Proveen mayor seguridad cuando el producto sellado es peligroso. • Cuesta mucho menos que la empaquetadura en el periodo de vida del

equipo. Desventajas:

• Requiere de una mayor inversión inicial. • Requiere componentes más complejos que los de la empaquetadura.

Elementos De Sellado. El sello mecánico mas sencillo consiste en un hombro en un eje en rotación que roza contra un cuerpo estático. Esto se muestra en la figura 3. El hombro provee una cara de sellado y la pared de la bomba otra. La presión hidráulica forzara a entrar líquido entre las caras y brindara una película de lubricación, pero la separación de caras debe ser pequeña para minimizar la fuga. El enfriamiento es proporcionado por el líquido alrededor. Figura 3. Sellado Básico.

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La figura 4. Muestra un inconveniente de este diseño. Siempre habrá movimiento del eje durante la operación. Este movimiento puede reducir la separación de caras aumentando el área de contacto y el desgaste, o puede incrementar la separación de las caras, causando incrementos en la fuga. La fuga entre caras es provocada por varios factores, pero la dominante es la separación de caras. Una variación de apenas millonésimas de pulgada en la separación de las caras puede causar cambios en la fuga. Desafortunadamente el movimiento del eje puede ser de hasta varias milésimas de pulgada. Figura 4. Inconveniente Del Sellado Básico.

Una manera de limitar el movimiento del eje en el sello mecánico, es montando una de las caras del sello de forma flexible de manera que pueda moverse axialmente. La figura 5 muestra un sello mejorado. El hombro de sellado en ele eje fue removido y en su lugar se reemplazo un componente que no esta rígidamente sujeto. Este componente es llamado anillo primario. La cara del anillo primario roza contra otro componente, el asiento. Ya que el anillo primario y el eje son dos diferentes componentes un dispositivo adicional de sellado debe ser usado para evitar la fuga entre el eje y el anillo primario. El anillo primario flexible puede compensar las pequeñas variaciones en el movimiento axial del eje. Y también se puede ajustar para el desgaste de la cara. Para esto componentes adicionales son requeridos para precargar las caras, transmitir torque y ser fácil de instalar.

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Figura 5. Sello Mejorado.

La figura 6 muestra un sello mecánico completo, incluido un asiento refaccionable, empaques, resortes, opresores, y herraje adicional. El diseño de estos componentes puede variar considerablemente dependiendo del servicio del sello. El arreglo y orientación puede variar para cumplir con las necesidades de cada industria y con el diseño de cada bomba.

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Figura 6. Sello Mecánico.

Un Sello Mecánico Es:

• Un elemento estático de sellado primario refaccionable. • Un elemento rotativo de sellado primario refaccionable. • Un elemento de sellado secundario. • Un elemento de carga mecánica, para presionar y mantener unidos los

elementos de sellado primario. • Componentes auxiliares.

1.3 Elementos De Sellado Primario. La cara rotativa, y su elementos de sellado secundario, el acarreador y otros componentes hacen el ensamble de “anillo primario”. El asiento y su elemento de sellado secundario, hacen el ensamble de “asiento”. El anillo primario esta hecho normalmente de carbón y el asiento de un material mas duro, normalmente carburo de tungsteno, o carburo de silicio. Ambas caras son “lapeadas” pulidas a una planicidad tan precisa que debe ser dimensionada en bandas luz (una banda luz es equivalente a 11.6 millonésimas de pulgada). Los fabricantes de sellos mecánicos han investigado durante años el diseño de estas piezas. El material y el diseño de las caras de sellado es a menudo el elemento critico en servicios difíciles.

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La función básica del asiento es proveer una superficie plana y lisa, para el sellado del anillo primario. Para mantener la integridad de la superficie, debe contar con las siguientes características: resistencia a la corrosión y al uso, buena conductividad térmica, estabilidad, y tener un excelente acabado superficial. Para prevenir movimiento adicional del sello mecánico, el asiento es montado solidamente al cuerpo de la bomba, haciendo lo más perpendicularmente posible un plano para el anillo primario. Existen algunos diseños básicos de asientos. La figura 7 muestra los más comunes. Figura 7. Tipos De Asientos.

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1.4 Elementos De Sellado Secundario. Los elementos de sellado secundario proveen sellado entre el anillo primario y el eje y el asiento y el cuerpo de la bomba, como se muestran en la figura 8. Son elementos de sellado secundario, porque su patrón de fuga es secundario a la fuga entre caras. Cargados por fuerzas hidráulicas o mecánicas, hacen que estos se aprieten en su área confinada. El elemento de sellado secundario para el asiento es siempre estático axialmente, incluso aunque este se encuentre en rotación. Los elementos de sellado secundario del anillo primario son descritos como de empuje o no empuje en la dirección axial. El termino empuje es usado cuando el elemento de sellado secundario es empujado hacia a tras y hacia delante por el movimiento del eje o del anillo primario. Un elemento de sellado secundario de no empuje es un sello estático para el anillo primario como en la figura 9. Figura 8. Elementos De Sellado Secundario.

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Figura 9. Empuje vs. No Empuje.

La figura 10 muestra ejemplos de elementos de sellado secundario de empuje y no empuje y estáticos. Los diseños de empuje usan o-rings, cuñas, etc. Los de no empuje, usan siempre una especie de fuelle con una sección estática. Los asientos usan juntas planas y o-rings.

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Figura 10. Sellos Secundarios.

Fuelles – Los sellos que usan fuelles como elementos de sellado secundario son clasificados como de no empuje. Los fuelles son referidos por su material y construcción: elastómero, teflón y metal. Los fuelles elastomericos son de convolucion completa o de media convolucion. Los que tienen convolucion completa ofrecen la máxima flexibilidad posible en la sección frontal del anillo primario. La sección frontal de estos fuelles tiene contacto mínimo con el eje o la camisa, esto minimiza el desgaste. Además proporciona una considerable área de sellado que compensa las imperfecciones del eje. Los fuelles de teflón o de teflón cargado con fibra de vidrio están diseñados para ambientes extremadamente corrosivos. Debido a los requerimientos de flexibilidad, las convoluciones en este arreglo son mas y mas largas, a diferencia de los fuelles elastomericos. Los fuelles de metal pueden ser usados a muy altas o muy bajas temperaturas. Debido a su construcción metálica, ofrecen libertad en el diseño. La fuerza mecánica de cierre proporcionada por los resortes en otros arreglos, es proporcionada por el esfuerzo del metal al comprimirlo.

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Cuñas – Las cuñas son normalmente fabricadas en Teflón. No requieren de ajustes o maquinados especiales debido al ángulo plano en el área de contacto. Sin embargo requieren de un acabado pulido para un sellado efectivo. O-rings – Los o-rings son por mucho el mas popular y simple elemento de sellado secundario. Es usado en una gran variedad de fluidos y temperaturas. Los o-rings son considerados como sellos auto energizantes y no requieren precarga mecánica. Esta ventaja permite a los o-rings ser usados a altas presiones. Los o-rings se ofrecen en un rango completo de resistencia química y de materiales. Buna-N, Neopreno, Etileno Propileno EPDM, Fluoroelastómeros, y Perfluoroelastómeros, son los materiales estándar para una variedad de servicios y aplicaciones. Los o-rings encapsulados tienen la resistencia química del teflón y la flexibilidad del elastómero. Los o-rings encapsulados son recomendados únicamente para aplicaciones estáticas. 1.5 Mecanismos De Carga Y Arrastre. Arrastre – Un mecanismo de arrastre es requerido por el torque creado entre las caras de sellado. Se requieren mecanismos estáticos y dinámicos. El mecanismo estático es requerido para mantener la posición axial y transmitir el torque. El mecanismo dinámico transmitirá el torque y dará flexibilidad axial al anillo primario. La figura 11 muestra varios tipos.

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Figura 11. Mecanismos De Arrastre.

Mecanismos De Carga. En todo sello mecánico existe la necesidad de mantener las caras cerradas en ausencia de presión hidráulica. Generalmente un dispositivo mecánico en forma de resorte es usado. Resorte Único – Un resorte único tiene la ventaja de una sección de alambre más gruesa, lo que puede manejar mayor grado de corrosión. Otra ventaja es que los sellos de resorte único no se atascan en los fluidos viscosos. La desventaja de un resorte sencillo, es que no provee de carga uniforme a las caras. También las fuerzas centrifugas tienden a desenrollar las volutas. Los resortes únicos requieren mayor espacio axial y tamaños específicos de resortes para cada tamaño de sello. Resortes Múltiples – Los resortes múltiples son normalmente mas pequeños que los resortes unidos y proveen un contacto uniforme a las caras. El mismo resorte puede ser usado en varios tamaños de sellos, simplemente cambiando el número de resortes. Los resortes múltiples resisten la fuerza centrifuga en mayor grado que los resortes únicos, ya que las fuerzas actúan diferente. La desventaja obvia es la sección delgada del alambre. Esto hace a los resortes susceptibles a la corrosión y al atascamiento.

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Resortes De Onda – este tipo de resorte es un disco con ondas que han sido formadas para proveer una carga mecánica. La principal razón para usar estos resortes, es que requieren un espacio axial mínimo. Por otro lado, herramientas especiales se requieren para su maquinado. Además el templado limita los materiales a los que no son resistentes a la corrosión, como los aceros inoxidables o el Hastelloy. Cuando se usan resortes de onda, un gran cambio en el diseño debe ser hecho por la deflexión del mismo. Esto es una decisión entre perdida de fuerza u obtención de fuerza, y entre un movimiento limitado axialmente. Fuelles Metálicos – El fuelle metálico, es una combinación de resorte y elemento de sellado secundario. Los fuelles formados son usados para disminuir la cantidad de soldadura, sin embargo estos tienen mayor tamaño que los soldados. El espesor de las volutas, debe ser seleccionado en base a la resistencia química y la presión. La técnica de volutas soldadas debe ser seleccionada para una fatiga máxima. 1.6 Herraje Auxiliar. Estos son los componentes que completan el sello mecánico. Estos incluyen: camisa de sellado, collar de arrastre, y bridas de instalación. La camisa es un cilindro que se ajusta sobre el collar, el propósito original es proveer un fácil mantenimiento y prevenir daños al eje asociados a los empaques. También son usadas para proveer un escalón al sello mecánico y de esta forma tener un balance hidráulico, y también para un ensamble cartucho. Una camisa estándar es fijada y posicionada con un collar de arrastre, los opresores y un o-ring estático al eje de la bomba. La brida sostiene a los componentes estáticos del sello y conecta al sello a la cámara del sello. La brida puede ser barrenada y roscadas para proveer entradas de lavado y drenaje de sello y otras. Los sellos mecánicos han evolucionado a diseños cartucho. Esto significa que el anillo primario, el asiento y el herraje auxiliar son puestos juntos en un solo paquete. El sello mecánico es precargado y facilita el proceso de instalación.

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Figura 12. Sello Cartucho.

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Capítulo 2: PROBLEMÁTICA EN EL MANEJO DE HIDROCARBUROS LIGEROS. 2.1 La Industria Del Petróleo. La industria del petróleo es definida y entendida como la encargada de la exploración, perforación y extracción de crudo y gas, la transportación y la refinación de los mismos. La industria del petróleo se divide en dos segmentos: Extracción, Refinación. La extracción incluye ambos productos gas natural y crudo de petróleo, tratamientos preeliminares, transportación por ductos y embarcaciones, carga y descarga en terminales. La refinación incluye la separación, depuración y extracción de todos los componentes asociados. Que Es El Crudo De Petróleo Y El Gas Natural. El petróleo es una mezcla de miles de componentes químicos, hechos todos a base del carbón y del hidrogeno. Una composición típica en el petróleo crudo es: Tabla 1. Composición Típica Del Petróleo Crudo.

Elemento Símbolo % PesoCarbón C 84-87 Hidrogeno H 11-14 Azufre S 0-2 Nitrógeno N 0.2

Estos combinados en conjunto son llamados hidrocarburos y son principalmente: parafinas, oleofinas y aromáticos. Mezclas de compuestos ligeros del metano al butano forman la base del gas natural. Este es encontrado en reservas a lo largo del mundo, el gas natural una vez extraído debe ser tratado preliminarmente para separarlo y reprocesarlo de forma que pueda ser transportado seguramente. Procesos En La Industria Del Petróleo. Un número básico de procesos son usados en la industria del petróleo, estos son: Separación, Conversión, Purificación, Mejoramiento. Productos Refinados Del Petróleo Crudo. Mientras que el consumidor promedio piensa que las refinerías solo producen gasolinas y diesel, las plantas petroquímicas y refinerías pueden producir más de 2300 productos, y estos crecen a medida que las refinerías se vuelven más complejas, la demanda por combustibles limpios crece y las industrias petroquímicas demandan diferentes productos de alimentación. Los productos de una refinería varían dependiendo el crudo de alimentación o la mezcla con la que se opere. Los productos de una refinería pueden ser divididos en:

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Hidrocarburos Vaporizantes, “Flashing Hydrocarbons” Hidrocarburos No Vaporizantes “Non Flashing Hydrocarbons” No Hidrocarburos “Non Hydrocarbons” Hidrocarburos Vaporizantes. Los hidrocarburos vaporizantes están definidos como los productos que tienen una presión de vapor mayor a 1 bar o 14.5 psia, a la temperatura de bombeo. Estos se dividen en 2 grupos: El primero es llamado hidrocarburos ligeros y se refiere a los productos que son gas a temperatura ambiente, estos comprenden:

• Etileno, es usado principalmente para la obtención de polímeros, y como materia prima de los mismos.

• Etano, es usado en las refinerías como combustible, o como alimentación a las plantas de producción de hidrogeno o etanol, también es usado en la fraccionadora de etileno.

• Propileno, es usado principalmente para la obtención de polipropileno, y como materia de los mismos.

• Propano, es vendido como gas licuado de petróleo (LPG), también es usado como alimentación en la producción de propileno.

• Butano, Iso-Butano, Normal-Butano, es vendido como gas licuado de petróleo (LPG), debido a su alto valor. El n-butano es combinado con las gasolinas para corregir su presión de vapor, también es usado como alimentación en las plantas de alquilacion, o en la fabricación del propileno.

El segundo grupo comprende los productos que pueden formar gases a temperaturas de bombeo y presiones atmosféricas, estos comprenden: Los residuos de las unidades de crudo y de vació.

• Productos de la viscoreductora. • Productos de la catalizadora. • Productos de la hidrotratadora.

Hidrocarburos No Vaporizantes. Los hidrocarburos no vaporizantes son definidos como los productos que tienen una presión de vapor menor a 1 bar o 14.5 psia, son usualmente líquidos o sólidos a temperaturas ambiente. Estos se dividen en 2 grupos:

• Gasolinas. • Destilados. • Residuos.

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No Hidrocarburos. Los productos que son catalogados como no hidrocarburos, son los que incluyen azufre, sales, arena, nitrógeno, metales pesados y agua. Por lo general estos productos son considerados como contaminantes, dentro del proceso. 2.2 Características Del Sellado. La industria del sellado esta altamente desarrollada, y como resultado de esto, hay una alta competitividad entre los suplidores, respaldados por soluciones de la mas alta ingenieria. Desde un punto de vista del desempeño, las presiones, productos y temperaturas a ser selladas son similares, tanto en extracción como en refinación. La otra característica común en el mercado es la amplia variedad de equipo a sellar incluidos: bombas, compresores, y turbinas de todos tipos. Sellos Mecánicos En Hidrocarburos Ligeros. Sellar bombas centrifugas en servicios de hidrocarburos ligeros, es de las aplicaciones mas demandantes para los sellos mecánicos. En particular cuando estos tienen un peso molecular tan bajo, estas aplicaciones requieren especial atención en el diseño y la instalación. Los hidrocarburos vaporizantes representan la clase de aplicaciones de baja temperatura y de altas presiones en servicios y líquidos no lubricantes. 2.3 Propiedades De Los Hidrocarburos Ligeros. Estos son parte de la serie de oleofinas, los cuales son también llamados alquenos. Estos se caracterizan por la formula química CnHn. Debido a que su punto de ebullición es menor que la temperatura ambiente, estos son gases a temperatura ambiente, y es por esta razón que para mantenerlos líquidos son comprimidos o licuados. En las plantas de procesos son usualmente manejados a altas presiones y bajas temperaturas, la tabla 2 muestra el porque. Por ejemplo la presión de vapor para el etileno a 0 °C es 38.63 kg/cm2A, lo que significa que el etileno debe ser presionado por arriba de 38.63 kg/cm2A, en orden de mantenerlo liquido, por el otro lado la presión de vapor puede ser reducida a 14.46 kg/cm2A, si disminuimos la temperatura a -40 °C.

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Tabla 2. Principales Características De Los Hidrocarburos Ligeros. Producto Etileno Etano Propileno Propano ButanoFormula C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H10 Peso Molecular 28.1 30.1 42.1 44.1 58.1 Punto de Ebullición °C -104 -89 -48 -43 -1 Presion de vapor kg/cm2 @ 0 °C 38.63 23.55 5.96 4.83 1.05 @ -40 °C 14.46 7.89 1.45 1.13 0.17 Gravedad especifica @ 0 °C 0.6 0.4 0.5 0.5 0.6 Viscosidad cP @ 0 °C 0.045 0.05 0.05 0.15 0.07

Por lo general los hidrocarburos ligeros tienen pesos moleculares bajos, bajas gravedades especificas, altas presiones de vapor y baja viscosidad. Estas propiedades en conjunto hacen difícil el sellado. Cuando la presión en un gas licuado, es súbitamente reducida, la temperatura decrece. Para una fuga a presión atmosférica, la temperatura decrece a al punto de ebullición, el cual esta por debajo de la temperatura atmosférica, lo que significaría que la fuga estaría en fase gaseosa, por lo que la ignición pudiera ocurrir. Grafica 1. Gravedad Especifica Vs. Temperatura.

°C

°F

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La gravedad específica decrece a medida que la temperatura decrece, al igual que la viscosidad. Grafica 2. Presión De Vapor Vs. Temperatura.

°C

kg/cm2A °F

La presión de vapor se incrementa a medida que la temperatura incrementa. 2.4 Condiciones De Sellado En Servicios De Hidrocarburos Ligeros. Las propiedades físicas de los hidrocarburos ligeros dictan que las condiciones de succión de una bomba deberían estar relativamente a altas presiones, y bajas temperaturas. Las condiciones y características de los sellos mecánicos dependen de los detalles y condiciones de los equipos de bombeo, las características de operación de los sellos mecánicos pueden verse influenciadas por el arreglo y lavado de los mismos. Cuando un sello mecánico trabaja adecuadamente, las emisiones son bajas, la huella de trabajo en las caras (asiento, anillo rotatorio) es pareja, concéntrica, y existe un ligero desgaste en ambos. De esta forma las principales fallas de los sellos mecánicos en hidrocarburos ligeros evidenciadas en las caras de contacto son:

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Contacto Cónico (Rotación Negativa): huella de trabajo profundo en el asiento, cercano al diámetro exterior, el cual se va desvaneciendo al diámetro interior. Posibles fracturas en el diámetro exterior del anillo rotatorio. Los síntomas son: baja o ninguna fuga a altas presiones, fuga remanente a bajas presiones (estático). La causa posible: sobre presión en el sello mecánico. La corrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado. Figura 13. Contacto Cónico.

Distorsión Térmica (Rotación Positiva): huella de trabajo profundo en el asiento, cercano al diámetro interior, el cual se va desvaneciendo al diámetro exterior. Posibles fracturas en el diámetro interior del anillo rotatorio. Los síntomas son: fuga remanente cuando el equipo esta en operación. La causa posible: alta temperatura en las caras. La corrección: enfriar y corregir el flujo de lavado en la cámara de sellado. Figura 14. Distorsión Térmica.

Desgaste Pronunciado, O Deformación Térmica En El Área De Contacto: alto desgaste en el asiento, deformación de la cara de contacto, a lo largo de la huella de trabajo, alto desgaste en el anillo rotativo, con depósitos de carbón al lado atmosférico. Posibles fracturas en el anillo rotativo. Los síntomas: fuga remanente cuando el equipo se encuentra operando o estáticamente, sonidos causados por vaporización en las caras (constante choque por ir y venir). La causa posible: liquido de sellado vaporizando en la fase de sellado. La corrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado para una correcta supresión de la presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a los sellos, e incrementarlo, revisar los datos de diseño vs. Los actuales. Figura 15. Desgaste Pronunciado.

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Deformación Térmica En Una Sección De Sellado: aproximadamente 1/3 de sección deformada térmicamente opuesto 180° a la entrada del lavado a sellos en el asiento, alto desgaste del anillo rotativo con posibles depósitos de carbón en el lado atmosférico. Los síntomas: el sello fuga súbitamente en operación, sonidos causados por vaporización en las caras (constante choque por ir y venir). La causa posible: vaporización del líquido de lavado opuesto 180° a su entrada, lavado a sellos distribuido ineficazmente. La corrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado para una correcta supresión de la presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a los sellos, e incrementarlo, usar un sistema distribuido en lugar de una inyección puntual, revisar los datos de diseño vs. Los actuales. Figura 16. Deformación en una sección.

Deformación Térmica En Varias Secciones Del Sellado: una o varias secciones deformadas térmicamente en el asiento, alto desgaste del anillo rotativo con posibles depósitos de carbón en el lado atmosférico. Principalmente en fluidos de baja gravedad especifica, a altas velocidades y presiones. Los síntomas: fuga remanente en operación o en estacionario, la fuga se da en forma de vapor, sonidos causados por vaporización en las caras (constante choque por ir y venir). La causa posible: liquido de sellado vaporizando en la fase de sellado, flujo distribuido inadecuado a las caras del sello mecánico. La corrección: verificar y corregir la presión en la cámara de sellado para una correcta supresión de la presión de vapor. Revisar el diseño de lavado a los sellos, e incrementarlo, usar un sistema distribuido en lugar de una inyección puntual, revisar los datos de diseño vs. Los actuales. Figura 17. Deformación En Varias Secciones.

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Alto Desgaste Y Ranuras: gran desgaste en el asiento, el anillo primario ha ranurado al asiento en 360°. Los síntomas: fuga remanente con el equipo en operación o estático. La causa posible baja a pobre lubricación del líquido sellado, común cuando ambas caras son duras, abrasivos incrustados en la cara más suave. La corrección: incrementar el enfriamiento en las caras, verificar que no existan partículas abrasivas en el liquido de lavado, verificar que exista recirculación en la cámara de sellado. Figura 18. Alto Desgaste.

2.5 Modo de Falla de Sello Mecánico En Hidrocarburos Ligeros. Al inicio de la operación (cuando el sello mecánico se encuentra nuevo), no se advierten síntomas de falla, el equipo opera adecuadamente y las emisiones son bajas o nulas. Debido a que generalmente a los hidrocarburos ligeros se les sella a altas presiones, los sellos mecánicos se ven sometidos a estas altas presiones, lo que causa que en primera instancia y conforme el desgaste ocurre que el anillo rotativo se deforme por efecto de presión (rote negativamente), de esta forma el diámetro exterior del anillo primario se entierra en el asiento causando que la fricción, entre las dos caras aumente, se cierre la interfase de sellado (generalmente una separación de 0.0002 cm) y dado que los hidrocarburos ligeros tienen muy malas propiedades lubricantes, se genere mas calor por efecto de fricción, de esta forma el fluido de lavado (generalmente el fluido a sellar) alcance su presión de vapor en la interfase de sellado (vaya de alta presión y baja temperatura a presión atmosférica y temperatura atmosférica) por lo que el fluido súbitamente vaporiza entre las caras, las separa y se permite una fuga mayor, al existir una fuga mayor hay mas liquido entre las caras de sellado y estas se enfrían y lubrican adecuadamente y hace que estas estén en un continuo ir y venir, entre sellar adecuadamente y permitir fuga excesiva, a este fenómeno, se le conoce como “flasheo” o vaporización súbita, este efecto es muy parecido y contrario a lo que en los equipos de bombeo ocurre como fenómeno de cavitación.

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Capítulo 3: SOLUCION DE SELLADO MECANICO EN HIDROCARBUROS LIGEROS. 3.1 Condiciones Que Se Deben Cumplir En El Sellado De Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes. Las propiedades físicas de los hidrocarburos ligeros vaporizantes dictan que las condiciones de succión en los equipos de bombeo deben ser a altas presiones (Presión de succión mínima 250 psi / 17.5 kg/cm2 a Presión de descarga maxima 1500 psi / 105.5 kg/cm2) y relativas bajas temperaturas (temperatura minima -40 °F / -40 °C a 68 °F / 20 °C). Las condiciones base para los sellos mecánicos, dependen de los detalles y el diseño de los equipos de bombeo. Las condiciones reales de operación en el equipo de bombeo pueden ser influenciadas por el arreglo y lavado a las caras del sello mecánico. Para las bombas de proceso horizontales cantilever de una sola etapa, la presión en la cámara de sellado, es usualmente asumida como la presión de succión mas el 15% de la presión diferencial. Esta regla simple es usada cuando el impulsor usa anillos de desgaste posteriores y orificios de balance, en orden de reducir la carga axial en los baleros. Esta regla debe ser omitida para aplicaciones de alta presión de succión como es el caso de los hidrocarburos ligeros vaporizantes. Para estas aplicaciones los fabricantes de bombas usan variaciones en el diseño, las cuales eliminan anillos posteriores de desgaste y orificios de balanceo, para estas aplicaciones especiales la presión de sellado en la cámara del sello es muy cercana a la presión de descarga. En estos casos los sellos mecánicos deben ser diseñados para soportar la presión de descarga, y un simple lavado a sellos proveniente de la descarga no puede ser usado. Si la bomba de proceso es horizontal axialmente partida y multi-etapas, entonces existen dos cámaras de sellado, una cámara de sellado a presión de succión y otra cámara de sellado a una presión intermedia entre presión de succión y presión de descarga, exceptuando las que cuenten con bujes de claro cerrado, y de balance o línea de balance. Cuando los bujes se encuentran en buen estado el resultado es que la cámara de sellado a presión alta se encuentre entre 3.5 y 10.5 kg7cm2, por arriba de la presión de succión, conforme el buje se desgaste, la presión en la cámara de sellado se incrementara. Las bombas de proceso horizontales multi-etapas de barril, también cuentan con dos cámaras de sellado, una cámara de sellado se encuentra a presión de succión, la otra a presión de descarga. Dispositivos de balance de presión como los bujes, tambores, pistones de balance y líneas de balance, reducen la presión en la cámara de sellado a alta presión, la presión en la cámara de sellado variara de 1.5 a 7.0 kg/cm2 por arriba de la presión de succión.

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Las bombas de proceso verticales multi-etapas, tienen una sola cámara de sellado, y esta localizada cerca del flanco de descarga de la bomba, y tiende a estar a presión de descarga, exceptuando los efectos de un buje de claros cerrados o una línea de balance, la presión se encontrara alrededor de 3.5 y 10.5 kg7cm2, por arriba de la presión de succión. Estas condiciones dictan que aunque gran variedad de bombas de proceso son usadas en servicios de hidrocarburos ligeros vaporizantes. Las condiciones en los sellos son regularmente cercanas a la presión de succión y no a las de presiones de descarga. Por lo tanto se debe tener cuidado en la selección del sistema de sellado (sello mecánico, arreglo, sistema de lavado a sellos). Es esencial conocer la presión en la cámara de sellado durante las diferentes fases de operación. Diseñar el sello para operar con las condiciones de presión de descarga no es suficiente. El fabricante del equipo de bombeo debe ser un participante activo en el diseño del sistema de sellado, de esta forma las condiciones verdaderas de operación del sello mecánico, serán conocidas. 3.2 Arreglos De Sellos Mecánicos, API. De acuerdo al API (American Petroleum Institute) 682 3ª Edición, equivalente al ISO (International Standard Organization) 21049. “Sistemas de Sellado Eje-Bomba Para Bombas Centrifugas y Rotantes”, que es la norma de referencia internacional para el diseño y aplicación de sellos mecánicos en equipos de bombeo. 3.2.1. Existen Tres Tipos Principales De Sello Mecánico (4.1.3, API 3ª).

• Tipo A, sello balanceado, montado internamente, diseño cartucho, sello de empuje con resortes múltiples y elemento flexible rotante y elemento de sellado secundario elastomerico (o-rings).

Figura 19. Sello Tipo A.

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• Tipo B, sello balanceado, montado internamente, diseño cartucho, sello de no empuje (fuelle metálico) y elemento flexible rotante y elemento de sellado secundario elastomerico (o-rings).

Figura 20. Sello Tipo B.

• Tipo C, sello balanceado, montado internamente, diseño cartucho, sello de no empuje (fuelle metálico) y elemento flexible estacionario y elemento de sellado secundario grafito flexible.

Figura 21. Sello Tipo C.

3.2.2. Tres Tipos De Arreglo (4.1.4, API 3ª).

• Arreglo 1, un sello por cartucho. • Arreglo 2, dos sellos por cartucho, con el espacio entre los dos sellos a

presión menor que la de proceso. • Arreglo 3, dos sellos por cartucho, usando una fuente externa de fluido

barrera a una presión mayor a la presión de sellado.

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Nuevas Tecnologías De Sellado Son Consideradas Como Sigue:

• Sellos de contacto húmedo (CW contacting wet), donde las caras no están diseñadas para crear fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas que sustenten un separación especifica entre las caras de sellado.

• Sellos de no contacto (NC non contanting), ya sean húmedos o secos, donde las caras están diseñadas para crear fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas que sustenten un separación especifica entre las caras de sellado.

• Sellos de contención (CS containment seals) de contacto o no contacto, montados en la cámara de contención.

3.2.3 Orientación De Los Sellos (4.1.5, API 3ª).

• Cara contra espalda, sello doble con un asiento montado entre los dos

elementos flexibles y un elemento flexible montado entre los dos asientos.

• Espalda contra espalda, sello doble en donde ambos elementos flexibles están montados entre los asientos.

• Cara contra cara, sello doble donde ambos asientos están montados entre los elementos flexibles.

3.3 Arreglos De Sellos Mecánicos En Aplicaciones De Hidrocarburos Ligeros Vaporizantes (ETILENO). Si bien los sellos mecánicos sencillos y dobles son usados, en hidrocarburos ligeros vaporizantes la gran mayoría son en arreglo “tandem” (uno tras otro en serie, espalda contra cara). La tabla 3 muestra la distribución de arreglos de sellos mecánicos, basado en 100 aplicaciones de servicio de etileno. De la tabla 3, el arreglo de sellos mecánicos, sencillos operan directamente en el etileno liquido, estos son montados al interior de la cámara de sellado, con etileno liquido a alta presión en el diámetro exterior del sello mecánico y aire a presión y temperatura ambiental en el diámetro interior del sello mecánico. El arreglo de los sellos mecánicos tandem, consiste en dos sellos mecánicos sencillos en serie, un líquido amortiguador no presurizado es circulado entre los dos sellos. El arreglo de sellos mecánicos dobles, consiste en dos sellos con un líquido barrera presurizado entre los dos. Las figuras 22, 23 y 24 son ilustraciones esquemáticas de dichos arreglos.

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Tabla 3. Distribución De Arreglo De Sello Mecánico En Bombas De Etileno.

Arreglo PorcentajeSencillo, no cartucho 6% Sencillo, cartucho 5% Tandem, no cartucho 16% Tandem, cartucho 64% Doble, no cartucho 7% Doble, cartucho 2%

3.3.1 Sello Mecánico Sencillo. La figura 22 muestra un sello mecánico sencillo, montado al interior de la cámara de sellado con un lavado a sellos plan API 11. En este arreglo, la presión en la cara de sellado es controlada por el diseño de la bomba, y la caída de presión del fluido inyectado conforme fluye a través del buje garganta. El fluido de proceso se encuentra en el diámetro exterior del sello mecánico, cualquier fuga a través de las caras del sello mecánico, saldrán al medio ambiente, por el buje de claros cerrados, si la conexión de lavado y venteo es usada, la gran mayoría de la fuga será enviada a un sistema de recolección. Cuando los sellos sencillos son usados en servicios de etileno, la combinación de bajas temperaturas mas el efecto de refrigeración de la caída de presión, a través de las caras del sello, frecuentemente provocan hielo en el lado atmosférico del sello mecánico. Esto efecto puede ocurrir incluso si la temperatura de operación se encuentra por arriba de los 0° C. El congelamiento es especialmente un problema durante los arranques de la bomba y una vez que el hielo se empieza a formar alrededor del equipo de bombeo y el sello mecánico es difícil recuperarlo, para prevenir este congelamiento vapor o una purga de nitrógeno seco son usadas en las conexiones de lavado y drenaje del sello mecánico. Esto puede eliminar o prevenir el hielo pero usar un arreglo tandem es mucho mas efectivo. El fluido amortiguador de un sello mecánico tandem, no solo excluye la humedad, si no provee una fuente adicional de calor, que previene la formación de hielo.

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Figura 22. Sello Mecánico Sencillo Con Lavado A Sello Plan API 11.

1. De la descarga de la bomba. 2. Lavado (F, Flush). 3. Drenaje, Desfogue (D, Drain, Q, Quench). 4. Caja de sello.

3.3.2 Sello Mecánico Tandem. La figura 23, muestra un sello mecánico tandem, un sello mecánico tandem usa dos sellos mecánicos sencillos, el sello interno a la izquierda esta en el fluido proceso, el sello externo o sello de contención a la derecha, esta rodeado por un liquido amortiguador no presurizado. El sello externo de un sello tandem provee sellado si el sello interno de proceso falla, el fluido amortiguador es recirculado de un recipiente y hacia el por un anillo de bombeo. El recipiente contiene y provee el fluido amortiguador, es venteado a un dispositivo o sistema designado, como un quemador a un sistema recuperador de vapores. Cuando el sello proceso de un sello mecánico en arreglo tandem fuga, la fuga se mezcla con el fluido amortiguador, la mezcla es bombeada al recipiente por el anillo de bombeo; si la fuga de proceso es gas, este se separa del fluido amortiguador y sale del recipiente a través del venteo; si la fuga proceso es liquido, este se mantiene mezclado con el fluido amortiguador, en este caso el recipiente es usualmente instrumentado de forma que una fuga significante del proceso puede ser detectada, el sistema mas fácil usa una placa orificio en el venteo y una alarma de presión en el recipiente. Normalmente existe una válvula en la línea de venteo así el recipiente puede ser aislado del sistema de venteo, si esta válvula se cierra (o si la placa orificio se tapona) el recipiente se presionara. Para las aplicaciones en hidrocarburos ligeros existen varias ventajas de los sellos mecánicos en arreglo tandem, la mas obvia es que añaden confiabilidad y seguridad, otra ventaja es que el fluido amortiguador previene la formación de

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hielo alrededor de los componentes del sello mecánico, también mantiene a los elementos de sellado secundario lubricados y flexibles. Y aunque ambos sellos, el sello sencillo y el sello interno de un sello tandem operan directamente en el fluido proceso, el arreglo tandem es el mas usado, preferido y recomendado por los usuarios por su reputada confiabilidad hacia el proceso y seguridad al medio ambiente y el personal operativo. Figura 23. Sello Mecánico Tandem Con Lavado A Sello Plan API 11, 52.

1. Sistema de desfogue o venteo. 2. Recipiente. 3. Entrada de fluido amortiguador. 4. Lavado a sellos. 5. Entrada de fluido amortiguador (LBO). 6. Salida de fluido amortiguador (LBI). 7. Cámara de sellado. LSH. Alarma alto nivel. LSL. Alarma bajo nivel. LI. Indicador de nivel. PI. Indicador de presión. PSH. Alarma alta presión. a. ítems hacia arriba responsabilidad del comprador, ítems hacia

abajo responsabilidad del vendedor. b. Normalmente abierto. c. Si se especifica.

3.3.3 Sello Mecánico Doble. La figura 24, muestra un sello mecánico doble. Dos sellos son presurizados por un fluido barrera entre ellos. El fluido barrera se encuentra a una presión mayor, que la presión en la cámara de sellado. En la figura 21 el fluido barrera es circulado por un anillo de bombeo, también se muestra como los sellos son

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colocados espalda vs. espalda, no obstante este no es un requerimiento de un sello doble. Un arreglo de sello mecánico doble, incluye algunas de las ventajas de un sello mecánico tandem, pero tiene la desventaja que adiciona complejidad al sistema, por el sistema de presurización. En un sello mecánico doble, la fuga es solo de fluido barrera, el fluido barrera fuga hacia al proceso y hacia la atmósfera. Para equipos de bombeo que manejan etileno puro (final), donde la alta pureza es esencial, cualquier fuga de fluido barrera al etileno es considerada inaceptable. Este requerimiento puede eliminar el uso de sellos dobles. Figura 24. Sello mecánico doble con lavado a sello plan API 53.

1. De la fuente externa de presión. 2. Recipiente. 3. Entrada de fluido barrera. 4. Lavado a sellos. 5. Salida fluido barrera (LBO). 6. Entrada fluido barrera (LBI). 7. Cámara de sellado. LSH. Alarma alto nivel. LSL. Alarma bajo nivel. LI. Indicador de nivel. PI. Indicador de presión. PSL. Alarma baja presión. a. ítems hacia arriba responsabilidad del comprador, ítems hacia

abajo responsabilidad del vendedor. b. Normalmente abierto. c. Si se especifica.

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3.4 Fluidos Amortiguadores Y Barrera. El término fluido amortiguador y fluido barrera, es usado para describir el lubricante usado en los sellos. Un fluido amortiguador es usado en sellos duales sin presurizar (sello mecánico tandem). Un fluido barrera es usado en sellos duales presurizados con el fin de aislar el líquido del equipo de bombeo del medio ambiente. La selección del fluido apropiado es esencial para la operación confiable de los sellos mecánicos tandem o dobles. Un fluido amortiguador/barrera debe tener las siguientes propiedades:

1. Seguro de usar, manejar y almacenar. 2. No ser un VOC (componentes orgánicos volátiles) o VHAP

(contaminantes del aire volátiles peligrosos). 3. No inflamables. 4. Buena lubricidad. 5. Buenas propiedades de transferencia de calor. 6. Compatible con el hidrocarburo ligero. 7. Compatible con los materiales del sello. 8. Buena cualidad de flujo a bajas temperatura. 9. Permanecer líquido estable a temperatura ambiente. 10. No burbujear cuando se mezcle con vapores (de hidrocarburo ligero). 11. Baja solubilidad en el producto (hidrocarburo ligero). 12. Accesible $$$.

Los fluidos amortiguador/barrera, se pueden clasificar en 6 grandes grupos:

1. Soluciones de agua/ glicol. 2. Alcoholes. 3. Combustibles hidrocarburos y solventes. 4. Aceites base de petróleo, hidráulicos y lubricantes. 5. Aceites sintéticos, hidráulicos y lubricantes. 6. fluidos de transferencia de calor.

Regulaciones restrictivas en cuanto a las emisiones de las plantas de proceso y de los sellos mecánicos han resultado en el incremento de varios arreglos de sellos mecánicos. Esto combinado con las restricciones de algunos componentes químicos, ha causado a los usuarios y fabricantes de sellos mecánicos la revisión y recomendación de los fluidos amortiguador/barrera, dando como resultado que algunos fluidos comunes y tradicionales, ya no se recomienden. Muchos fluidos amortiguador/barrera, tradicionales, no son recomendados en aplicaciones criogénicas. Por ejemplo, los aceites no pueden fluir adecuadamente a temperaturas bajas, las soluciones acuosas se congelan. Algunos fluidos amortiguador/barrera, que han sido usados con éxito en aplicaciones de etileno, se muestran en la tabla 4.

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Tabla 4. Fluidos Amortiguador/Barrera. Fluido Gravedad

Especifica @ 16 °C

Viscosidad @ 40 / 100 °C, cP

Punto de Ebullición °C

Punto de Congela-miento °C

Punto de Vaporización °C

Observaciones

Metanol 0.79 0.45 / 0.22 64.5 -100 11.1 Es VHAP Propanol 0.81 1.5 / 0.45 97.2 -126 15 Recomendado Etilen-glicol / Agua 50/50

1.07 2.5 / 0.8 104.5 -34.5 110 Es VHAP

Propilen-glicol / Agua 50/50

1.05 2.6 / 0.7 110 -40 98.9 Recomendado

Keroseno

0.8 1.4 / 0.6 176.5 -34.5 48.9 Propiedades típicas

Aceite Sintético de baja viscosidad

0.83 5 / 1 371 -62.2 232.2 Baja experiencia

Aceite lubricante ISO 32

0.88 28 / 5 232.2 -34.5 204.5 No recomendado.

3.5 Estándares API. Ni el API 610, ni el API 682, tienen requerimientos específicos para aplicaciones de etileno, pero ambos ofrecen guías. El API 610 desde la 8ª edición, pide que el sistema de sellado cumpla con la norma API 682. El API 682 comprende sellos, para temperaturas entre – 40 °C y 260 °C y presiones hasta 35 kg/cm2, por lo que no aplica para la gran mayoría de aplicaciones de etileno. El API 682 clasifica al etileno como un hidrocarburo vaporizante y recomienda el uso de un sello tipo A. El sello tipo A del API 682, es rotativo de empuje, de resortes múltiples y usa empaques o-ring, como elemento de sellado secundario, la cara es de carbón grafito, y el asiento de carburo de silicio aglutinado por reacción. Para temperaturas de -40 °C a -6.5 °C, se recomienda el Buna criogénico en los empaques, resortes de Hastelloy C, y herrajes en acero inoxidable 316. El API 682, no es especifico en el uso y recomendación de un sistema de sellado para aplicaciones de Etileno, por lo recomienda que para cualquier aplicación fuera de su alcance se desarrolle ingenieria especial de sellado. Los sellos mecánicos lubricados por gas son de desarrollo reciente en la tecnología de sellado para equipos de bombeo rotativo. Estos proveen un mejoramiento a los sellos dobles. Una gran cantidad de diseños y

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configuraciones existen para cumplir con los requerimientos de las diversas aplicaciones. El uso de sellos mecánicos lubricados por gas en bombas de proceso se ha incrementado por una gran variedad de razones, como: mejoramiento en el control de emisiones (virtualmente cero emisiones), alta confiabilidad, minimizan la generación de calor, y reducen el consumo de energía. Los sistemas de soporte para los sellos mecánicos son mas sencillos y requieren menos mantenimiento que los de sellado convencional, sin embargo las aplicaciones requieren consideraciones especiales en cuanto a la selección de un sello mecánico lubricado por gas en un equipo de bombeo rotativo. Estas consideraciones son: la selección optima del patrón topográfico de las caras de contacto, con el fin de generar la separación adecuada, la selección adecuada del tipo y arreglo del sello mecánico que mejor se adapte a las condiciones de operación esperadas. 3.6 Sellos Mecánicos Lubricados Por Gas. Los sellos mecánicos lubricados por gas, operan en un ambiente con un fluido limpio y controlado y están diseñados para permanecer sin contacto y sin desgaste en las caras de contacto, para las condiciones de operación especificadas. Las caras del sello operan con una película de gas como fluido barrera, regularmente en arreglos de sellos duales presurizados, como se muestra en la figura 25.

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Figura 25. Sello Mecánico Lubricado Por Gas.

1. Drenaje “normalmente cerrado” C. Indicador de Flujo 2. Entrada de Gas “normalmente abierto”

D. Alarma de Flujo “alta”

3. Drenaje de Filtro “normalmente cerrado”

E. Alarma de Presión “baja”

A. Filtro coalescente F. Manómetro B. Regulador G. Válvula de no retorno Los gases regularmente usados en sellos de gas incluyen el nitrógeno, vapor de agua seco, aire purificado y otros gases inertes. Una de las caras de contacto de los sellos mecánicos lubricados por gas presentan un diseño ranurado, estas son mas anchas que la de los sellos convencionales, están precargadas con resortes menos fuertes. Estos cambios permiten la generación de presiones hidrodinámicas que evitan el contacto solidó entre las caras de sellado. Debido a que no existe contacto ni desgaste, los sellos mecánicos lubricados por gas producen un desempeño constante del sello mecánico, aun en las variaciones de operación, y aunado a que reducen el consumo de energía por el nulo contacto entre caras. Estos sellos generan menos calor que los sellos convencionales, el gas se absorbe por las caras y se desaloja por las mismas por efecto de expansión de los gases. Es primordial que las caras se encuentren separadas por una película de gas barrera. Si las caras llegaran ha hacer contacto el sello no durara tanto por el efecto de corrida en seco.

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3.6.1 Gas Como Fluido Barrera. Todos los gases tienen baja o poca lubricidad, ¿por que creer que el gas lubrica las caras?, la razón es que en algunas bombas de proceso el fluido proceso a sellar puede ser volátil, no lubricante y sensible a los cambios de temperatura, también puede polimerizar y calzar las caras del sello, corroer los componentes de sellado y ser peligroso y toxico para el medio ambiente. Los sellos de arreglo dual con fluido barrera líquido, son comúnmente usados para resolver los problemas citados. En las situaciones que el fluido barrera contamina el fluido proceso, o que los costos son prohibitivos debido a que se tiene que mantener un sistema de circulación que enfrié el sistema del fluido barrera, el uso de gas como fluido barrera se vuelve una elección viable. Un sistema de soporte al sello es usualmente instalado, incluido un panel de control de gas con filtros coalescentes que ayudan a minimizar la contaminación del fluido, aseguran la limpieza del gas y monitorean los consumos así como las emisiones, figura 26. Figura 26. Panel de control.

1. Válvula de la fuente de alimentación 6. Indicador de Flujo Alto 2. Filtro coalescente 7. Alarma de Flujo 3. Regulador 8. Alarma de Presión 4. Manómetro 9. Válvula de no retorno 5. Indicador de Flujo Normal 10. Conexión al sello

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3.6.2 Separación Entre Caras En Sellos Lubricados Por Gas. Hay muchas formas de generar una película de gas barrera. El principio es usar ranuras que cambien de profundidad en la cara y permitan comprimir el gas y generar cambios de presión. Variaciones de estos diseños se muestran en la figura 27, incluidas cuñas, ranuras en espiral, caras onduladas y otras. Todas han demostrado capacidad en el control del gas y la generación de presión que separe las caras. Figura 27. Patrones De Cara.

Si la presión de gas generada depende del desplazamiento de las caras, entonces es llamada “presión hidrodinámica”, si solo depende de la presión diferencial y es efectiva incluso en las paradas es llamada “presión hidrostática”. Dependiendo de las condiciones operacionales y sus requerimientos, los sellos mecánicos lubricados por gas usan una gran variedad de la combinación de estas presiones “hidrodinámica e hidrostática”, con el fin de maximizar la protección de las caras de contacto. La mayoría usa carbón grafitado de material para el anillo primario, y corre contra un asiento de carburo de silicio o carburo de tungsteno, lo que ayuda a la vida de los sellos en tiempos cortos de contacto, y en condiciones transitorias o de emergencia. Para aplicaciones de alta presión, el anillo primario es usado en material de carburos, lo que adhiere ventajas debido al alto modulo de young y de dureza.

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Figura 28. Separación De Caras.

3.6.3 Promedios De Emisión Y Consumos De Gas Barrera Aceptables. El promedio de consumo de gas es bajo, este se mide en SCFH (pie cúbico estándar por hora), predecir un consumo actual versus el consumo teórico es bastante complicado ya que el consumo es sensible a las variaciones en la manufactura así como del modelo teórico, es mucho mejor usar el consumo inicial del sello mecánico como la línea base y de ahí tomar las desviaciones adecuadas, si el consumo excede en mas de 10 veces el consumo inicial es necesario contactar con el fabricante del sello mecánico, en orden de revisar el mismo. La presión del gas barrera suplido es típicamente 30 PSIG por arriba de la presión de proceso, como regla solo 1/3 del gas barrera será consumido por el sello interno y se ira al proceso. La entrada de gas barrera al proceso no es un problema ya que el fluido proceso lo lleva a través de los procesos y lo ventea en algún punto, sin embargo para un sistema cerrado el fabricante y el usuario deben determinar si el gas se acumulara en algún lugar y ocasionara problemas operacionales como cavitacion o engasamiento, lo cual puede dañar los equipos de bombeo.

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3.6.4 Características De Operación. El espesor de la película de gas barrera puede variar conforme las condiciones de operación, los usuarios necesitan proveer los detalles de los ciclos de servicio esperados, no solo las condiciones máximas de presión y velocidad, de esta forma los fabricantes puedan asegurar la confiabilidad del sello a través de todas sus fases de operación. Dado que los sellos mecánicos lubricados por gas no sufren desgaste, no sufren de ciclo de histéresis, es decir el consumo solo depende de las condiciones de operación actuales y no del histórico de operaciones. Cuando los sellos se contactan y operan en seco, generan polvo de carbón, el cual puede ser visto en el testigo de fuga, o en el alojamiento del sello en la brida. Alta temperatura en las bridas puede ser evidencia de operación en seco en el sello externo, si ambas señales son vistas los equipos deben salir de operación y los sellos mecánicos deben repararse. Bajo una condición adversa, ya sea alta presión en el proceso, o pérdida de presión en el gas barrera, la mayoría de los sellos mecánicos, están diseñados para operar con reversiones de presión, lo que provocara que las caras entren en contacto previniendo que el fluido proceso fugué al gas barrera y a la atmósfera. Tras la operación en condiciones adversas y dependiendo de las condiciones, el sello mecánico podrá regresar a operar normalmente, de lo contrario se tendrá que contactar con el fabricante. La medición de consumo de gas barrera con el equipo estático será de gran ayuda para diagnosticar la severidad del daño, si es que existe. 3.6.5 Problemas Potenciales. Un problema común encontrado en los sellos mecánicos lubricados por gas es la perdida de presión en el suministro del gas barrera. Esto puede ocurrir cuando la presión del gas baja más allá del punto preestablecido o cuando la presión del proceso se incrementa más allá de lo establecido. Como los sellos tienen muy poca presión de cierre dada por los resortes, el arrastre provocado por las caras puede romper los resortes, el empaque dinámico es crítico en cuanto a la confiabilidad del sello y debe ser el adecuado para garantizar el buen desempeño del equipo, si este se encuentra en un ambiente o fluido sucio, puede causar la acumulación de sólidos y por consiguiente fricción y arrastre y provocar la falla en el sello mecánico. Dispositivos de exclusión de sólidos deben ser incorporados para prevenir la acumulación de sólidos en el área de los empaques.

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Los empaques elastomericos, tienen generalmente bajos limites de temperaturas, mas allá de estos limites, otros materiales y diseños deben ser considerados como los de los sellos con fuelle metálico. En algunas ocasiones los sellos de fuelle metálico son usados para evitar el arrastre que provoca que los resortes se dañen. Contaminación de líquido en el gas barrera puede ocurrir con vapor, lo que causara separación en las caras y puede ser más de lo diseñado, esto provocara un gran consumo o fuga del gas barrera, pero no dañara las caras del sello mecánico. Ya que el liquido haya pasado por las caras del sello mecánico, el sello regresara a operar normalmente, siempre y cuando el liquido no deje depósitos en las caras del sello. 3.6.6 Velocidades De Rotación. Las caras de los sellos mecánicos lubricados por gas están diseñadas para generar fuerzas hidrodinámicas las cuales separen las caras, cuando el equipo se encuentre en rotación. Estas fuerzas son proporcionales a la velocidad rotativa del eje. Los patrones topográficos de las caras están diseñados para ofrecer un desempeño óptimo entre las velocidades de eje especificadas. La película de gas entre las caras puede ser significantemente reducida si el sello mecánico es operado a velocidades por debajo de los limites de diseño y especificados. Las velocidades de operación normal se encontraran entre las del rango de diseño, sin embargo condiciones de velocidades bajas transitorias pueden ocurrir en los paros y arranques de los equipos, especialmente en equipos con conductores de frecuencia variable. Las aplicaciones de alta temperatura también aplican paradas paulatinas en el equipo, con el fin de evitar daños en el mismo. Los equipos con turbinas de vapor como conductor, son corridos a bajas velocidades durante tiempos prolongados con el fin de evitar daños en las mismas. Los sellos mecánicos lubricados por gas pueden operar exitosamente inclusive en dichas condiciones de servicio. El patrón topográfico puede ser modificado para operar mayoritariamente con fuerzas hidrostáticas y minoritariamente con fuerzas hidrodinámicas, esto puede ser efectivo en aplicaciones de corridas lentas, pero el consumo de gas barrera se vera incrementado. Otra solución es el uso de caras duras (carburo de silicio o carburo de tungsteno), el cual minimiza el desgaste cuando ocurran corridas lentas, actualmente esta incursionando en la industria el uso de recubrimientos de diamante artificial en las caras de los sellos mecánicos.

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3.6.7 Sentido De Rotación. La mayoría de los patrones usados en las caras son diseñados para crear fuerzas hidrodinámicas, las cuales separen las caras y esto es regularmente solo para un sentido de rotación, cuando se giran hacia el sentido contrario estas se contactan, estos sellos son llamados unidireccionales. Para la mayoría de aplicaciones, un sello unidireccional no presenta problema alguno ya que los equipos de bombeo solo giran en un sentido. Sin embargo hay algunos equipos los cuales cuentan con arreglos en la descarga los cuales permiten el regreso de alguna cantidad de producto en las paradas, esto puede causar que el impulsor gire en sentido contrario, y por lo tanto el sello también y cause que las caras se contacten. La mayoría de los sellos mecánicos lubricados por gas permiten el trabajo en seco provocado por reversiones de presión, sin embargo si las condiciones serán persistentes el diseño de un sello especial se tiene que tomar en consideración. La topografía de un sello unidireccional se puede cambiar para confiar más en las fuerzas hidrostáticas que en las hidrodinámicas, esto con el fin de generar una separación adecuada de caras y mejorar el desempeño, esto incrementara el consumo del gas barrera. Topografía bidireccional puede ser usada para separar las caras, sin embargo esta generara una separación menor, lo que permitirá un potencial contacto de las caras si es que en el equipo existen desplazamientos axiales. 3.6.8 Sólidos En El Fluido Proceso. Sólidos en el fluido proceso son de las causas comunes de falla en los sellos mecánicos, estos pueden ser problemáticos en las aplicaciones de sellos lubricados por gas. Los sólidos pueden estar presentes en el proceso o ser disueltos o cristalizados entre el sello interno y el externo, lo que puede causar problemas en el desempeño del sello mecánico. La separación de caras esta diseñada para operar en el orden de 0.0001 in. (2.54 µm), los sólidos pueden migrar a esta separación y causar erosión en el patrón topográfico, aumenta el efecto como se muestra en la figura 29. En las configuraciones donde el proceso fluido se encuentre en diámetro interior del sello interno, las fuerzas centrifugas ayudaran a la migración de los sólidos hacia la separación de caras.

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Figura 29. Migración De Sólidos A Separación De Caras.

3.6.9 Fuerza De Los Resortes. La fuerza de cierre que proveen los resortes en los sellos de empuje son normalmente 50 % menos en los resortes de sellos lubricados por gas. Esta baja fuerza es usada para prevenir el contacto de las caras, debido a este factor los sellos lubricados por gas son susceptibles al atascamiento de los empaques secundarios, esto ocurre cuando los empaques no pueden moverse axialmente restando flexibilidad al conjunto. El atascamiento se puede dar cuando el sello se desplaza axialmente hacia fuera con respecto del asiento, lo que resulta en un consumo excesivo del gas barrera, o cuando el sello se desplaza axialmente hacia a dentro con respecto al asiento provocando un contacto. Figura 30.

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Figura 30. Fuerza De Cierre Vs. Fuerza De Apertura.

3.6.10 Soluciones En El Diseño. Múltiples diseños pueden ser incorporados en un sello lubricado por gas para un equipo de bombeo rotativo, cuando se conoce que existen sólidos en el proceso, un logro es prevenir que los sólidos entren a la cavidad de sellado. Esto puede ser alcanzado usando dispositivos de exclusión de sólidos instalados al interior de la cavidad de sellado. Estos dispositivos incluyen los parecidos a volutas los cuales convierten el movimiento rotacional del equipo en movimiento axial del fluido, sacando el producto proceso y sus sólidos afuera de la cavidad de sellado. Las configuraciones con el producto proceso en el diámetro exterior de los sellos mecánicos ayudan a reducir la migración de los sólidos a la película de sellado. Otros diseños usan dispositivos de restricción en la cámara de sellado, tales como los sellos laberinto. El plan API 32, también puede ser usado con el fin de prevenir la entrada de sólidos al sello mecánico, esto con la ayuda de un buje de restricción en la cavidad de sellado y la inyección de un fluido limpio y compatible con el proceso. Dispositivos de sellado secundario son diseñados con el fin de evitar atascamiento de los empaques, estos diseños minimizan el arrastre de los empaques cuando se mueven axialmente, estos también minimizan la acumulación de sólidos del lado proceso, estos diseños controlan el apriete de los empaques de forma radial usando resortes en voladizo o resortes de onda, para cargar las superficies del empaque contra las superficies del sello.

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Los sellos mecánicos lubricados por gas incluyen sellos de fuelle metálico, el uso de sellos de fuelle metálico elimina el uso de empaques tipo o-ring, y por lo tanto su atascamiento. 3.7 Selección De Sellos Mecánicos. La selección de un sello mecánicos apropiado para cada aplicación engloba, las diferentes características del producto a bombear y las condiciones de operación requeridas por el cliente. En general los pasos a seguir para la selección adecuada de un sello mecánico son:

1. Identificación del tipo de servicio. 2. Selección de categoría y tipo de sello mecánico. 3. Selección de arreglo y configuración del sello mecánico, y selección de

tipo de planes de ambientación (Planes API). 4. Selección de fluido barrera / amortiguador. 5. Selección de materiales. 6. Selección características especiales.

3.7.1 Identificación del tipo de servicio. Se identifica el tipo de servicio, en base a los datos operacionales proporcionados, de acuerdo a lo solicitado por el API 682 3ª Anexo C “Hojas de datos de sellos mecánicos”. Tabla 5. Datos De Servicio.

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44 Corriente Fluido Bombeado Peligroso Flamable45 Tipo o Nombre : Conc'n : % Fluido Sólido @ Ambiente46 Contaminante Disuelto H2S Húmedo Solidif ica @ : °C Punto de Flujo Mínimo : °C47 Cl2 Otro Producto Solidif ica por Esfuerzos Cortantes48 Contaminante Sólido Producto con Agentes que Polimerizan49 Concentración (% peso o PPM) : Especif icar Agentes : @ Temp : °C50 Temperatura de Bombeo Producto puede Descomponerse51 Min : °C Normal : °C Max : °C Especif icar Condiciones :52 Gravedad Específica a la Temperatura Indicada Producto Regulado para Minimizar Emisiones Fugitivas u Otro Tipo53 @ Temp. Normal : @ Temp Max : Nivel de Regulación : ppmv54 Presión de Vapor a la Temperatura Indicada Procedimientos Especiales de Limpieza55 @ T. Normal: kPaa (kg/cm2 a) @ T. Max : kPaa (kg/cm2 a56 Punto de Burbuja Atmosférico Fluido de Proceso Alternativo & Conc. (incl. Puesta en Marcha)57 Visc. @ Temperatura Normal de Bombeo:

58 Fluido de Lavado [Si el f luido de lavado es el producto, no se requiere ésta información]59 Tipo o Nombre : Conc'n : % Presión de vapor a la Temperatura Indicada 60 Se Requiere Revision del Sello por Fabricante @ Temp. Normal : @ Temp Max :61 Temperatura del Fluido Punto de Burbuja Atmosférico62 Min : °C Normal : °C Max : °C Viscosidad @ Temp Normal de Bombeo :63 Gravedad específica a la Temperatura Indicada Rango de Flujo Req'd Max / Min /64 @ Temp Normal : °C @ Temp Max : °C Presión Req'd Max / Min /

Datos del Fluido (Para Datos de Fluido de Enfriamiento, Amortiguador y Barrera, Ver Página 3)

ppm

ppm @ ppm

°C

Pas (cP)

°C

°C

kPam (kg/cm2 m)

Pas (cP)

m3 / s (m3 / h)

°C

54

4

5 Medio de Enfriamiento Temperatura de Suministro Max / Min : / °C6 Tipo o Nombre : Flujo Requerido Max / Min : /

7 Medio de Fluido Buffer / Barrera Gravedad específica a la Temperatura Indicada (Liquido)8 Tipo o Nombre : @ Temp Normal : @ Temp Max :9 Selección del Comprador Selección del Fabr. Sello Presión de Vapor a la Temperatura Indicada (Liquido)10 Revisión por Fabr. Sello Revisión por Comprador @ Temp Normal : @ Max Temp :11 Flujo Requerido Max / Min : / Punto de Burbuja Atmosférico (Liquido) : °C12 Presión de Suministro Max / Min : / Viscosidad @ Temp Normal de Bombeo (Liquido) : Pas (cP)13 Temperatura del Fluido Calor Específ ico @ Temp Normal : J/kg°K (Kcal/kg°C)14 Min : °C Normal : °C Max : °C Enfriamiento Requerido : J/kg°K (Kcal/kg°C)

Datos del Fluido (Datos del Fluido de Enfriamiento, Buffer y Barrera, Liquido y Gas)

kg/cm2 a

m3/s (m3/h)

kPaa (kg/cm2a)

m3/s (m3/h)

kPam (kg/cm2m)

3.7.2 Categoría Y Tipo De Sello Mecánico. Se selecciona la categoría y tipo de sello en base a la temperatura y presión, de acuerdo a lo solicitado por el API 682 3ª Anexo A hoja 2 de 10. Se puede realizar una preselección del tipo de sello, en base a gravedad especifica, temperatura, presión de vapor, conforme a la figura 31 “preselección del tipo de sello”. Figura 31. Preselección Del Tipo De Sello.

Caso Estudio

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ANEXO A, API 682 3ª EDICION. HOJA 2 DE 10. PROCEDIMIENTO RECOMENDADO PARA SELECCIÓN DE SELLOS RESUMEN DE CATEGORÍA, TIPO Y ARREGLO. Las categorías de sello pueden ser Categorías 1, 2, o 3 como se especifica. Las principales características de cada categoría son resumidas debajo. Donde exista opciones para cada característica se escribe en el texto como “si es especificado”. Las cláusulas en paréntesis indican donde el requerimiento es especificado. ANEXO A, API 682 3ª EDICION. HOJA 2 DE 10. Selección De Categoría.

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HOJA 2 DE 10 (CONTINUACIÓN) DEL ANEXO A DE API 682 3ª EDICION. Los tipos de sello pueden ser Tipos A, B o C como se especifica. Las principales características de cada Tipo de sello son resumidas debajo. Donde exista opciones para cada característica se escribe en el texto como “si es especificado”. Las cláusulas en paréntesis indican donde el requerimiento es especificado. ANEXO A, API 682 3ª EDICION. HOJA 2 DE 10. Selección De Tipo.

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HOJA 2 DE 10 (CONTINUACIÓN) DEL ANEXO A DE API 682 3ª EDICION. Los Arreglo de sello pueden ser Arreglo 1, 2 o 3 como se especifica. Las principales características de cada Arreglo son resumidas debajo. Donde exista opciones para cada característica se escribe en el texto como “si es especificado”. Las cláusulas en paréntesis indican donde el requerimiento es especificado. ANEXO A, API 682 3ª EDICION. HOJA 2 DE 10. Selección De Arreglo.

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HOJA 3 DE 10 Selección Del Tipo De Sello, Basado En El Servicio. NO-HIDROACRBUROS. Están divididos en subgrupos:

• Agua. • Aguas amargas. • Cáusticos. • Aminas. • Fluidos que cristalizan. • Ácidos (Acido sulfúrico, Acido hidrocloridrico y Acido fosforito).

Acido hidrofluoridrico y gases de acido nítrico son excluidos de estos procedimientos de selección. Aguas amargas El agua contiene sulfuros de hidrogeno (H2S) y puede contener sustancias toxicas peligrosas al medio ambiente. Esta agua puede contener amonia. El uso de sellos secundarios debe ser considerado. A altas concentraciones estas aguas pueden vaporizar. Aminas (Etanolaminas) Estas se encuentran generalmente en concentraciones de alrededor de 20 al 50% en agua, y son usualmente para remover o separar sulfuro de hidrogeno y/o dióxido de carbono de los hidrocarburos. Las aminas comúnmente usadas son:

• MEA (Monoetanolamina) • DEA (Dietanolamina) • TEA (Trietanolamina) • MDEA (Metil Dietanlamina) • DGA (Diglicolamina) • DIPA o ADIP (Diisopropanolamina)

Las aminas pueden cristalizar y las aminas ricas pueden tener una alta cantidad de ags disuelto. En el caso del H2S, puede contener sustancias toxicas, entonces un sello de respaldo debe ser considerado en estas aplicaciones. Las aminas pobres tienen una significante cantidad de gas. Las aminas ricas pueden ser consideradas como hidrocarburos que vaporizan.

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Cáusticos Las cantidades de cáusticos en refinería son alrededor del 20-50% en soluciones acuosas, aunque existe en el 50% de las soluciones. Los materiales para su construcción deben ser cuidadosamente considerados. Ácidos (Sulfúrico, Hidrocloridrico y Fosforito) La corrosión de los ácidos esta en función de la temperatura y concentración. Los materiale