“DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS
DE FALLAS PRESENTADAS
EN SELLOS MECÁNICOS DE
BOMBAS CENTRÍFUGAS.”
TESINA
PRESENTA:
HUGO ARMANDO CADENA VELÁZQUEZ
PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA
DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL
ING. CÉSAR IGNACIO VALENCIA GUTIÉRREZ
POZA RICA, VER.
MARZO DE 2011.
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
ZONA POZA RICA – TUXPANINDICE
CAPITULO I INTRODUCCIÓN
JUSTIFICACIÓN 1
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO 2
ENUNCIACIÓN DEL TEMA 3
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO 6
CAPÍTULO II
DESARROLLO DEL TEMA
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN 7
MARCO CONTEXTUAL 9
MARCO TEÓRICO 23
1.0 BOMBAS CENTRÍFUGAS
1.1 TIPOS DIVERSOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS. 23
1.2 PARTES CONSTRUCTIVAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS. 25
1.3 OPERACIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS. 27
2.0 EMPAQUETADURAS Y SELLOS
2.1 EMPAQUETADURAS. 51
2.2 SELLOS MECÁNICOS. 53
2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS SELLOS MECÁNICOS. 57
2.4 MATERIALES DE LA CARCASA. 60
2.5 MANIOBRAS DE ARRANQUE Y PARADA DE UNA BOMBA CENTRIFUGA.
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3.0 ANÁLISIS DE FALLAS
3.1 TIPOS DE FALLAS. 64
3.2 ANÁLISIS DE LAS FALLAS. 66
3.3 TIPOS DE DAÑO A LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS. 87
ANÁLISIS CRÍTICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES 94
CAPÍTULO III
CONCLUSIONES 97
BIBLIOGRAFÍA 99
1 CAPITULO I - INTRODUCCIÓN
JUSTIFICACIÓN
La productividad operacional en plantas industriales y estaciones de bombeo depende de la eficiencia con que se manipulen las bombas centrífugas instaladas siendo esencial eliminar las fallas de sellos mecánicos, tales como: las deficiencias en el proceso de selección, los errores en el montaje y operación, las fallas en el manejo de los sellos mecánicos y la baja contabilidad del mantenimiento efectuado. Los elementos necesarios para optimizar el bombeo y desde luego sus costos, se presentan en este trabajo recepcional como una metodología simple y fácil de practicar, basados en el análisis de la información sobre las necesidades de diseño, los resultados operacionales y la definición de acciones de mejoramiento y/o de mantenimiento derivadas de la aplicación de los conceptos presentados, con lo cual se pueden controlar las fallas y por ende, incrementar la productividad y la disponibilidad de las bombas, disminuyendo sus costos de operación.
El personal destinado a estas labores debe permanecer actualizado en cuanto a nuevas tecnologías y conocimientos que le permitan desarrollar eficientemente su trabajo a fin de optimizar el resultado de su acción.
Una adecuada practica, selección y mantenimiento de los sellos mecánicos y sus derivados, consiste en tener y hacer uso adecuado de los conocimientos relacionados a los procesos de equipos rotativos donde sea imprescindible su sellado para evitar posibles fugas que pueden causar daños materiales, físicos y al medio ambiente; así obteniendo una mayor eficiencia y calidad en los sistemas de dichos equipos; de allí la importancia de apropiarse de estos para asegurar una participación con resultados exitosos al logro de los objetivos propuestos.
2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
Aunque pueden diferir en varios aspectos físicos, todos los sellos mecánicos son fundamentalmente los mismos en principio. Las superficies obturadoras de todas clases están localizadas en un plano perpendicular a la flecha y, generalmente, consisten de dos superficies altamente pulidas que se deslizan una sobre otra, estando conectadas una a la flecha y la otra a la parte estacionaria de la bomba. El sello completo se logra en los miembros fijos. Las superficies pulidas o sobrepuestas, que son de diferentes y se mantienen en contacto continuo por un resorte, forman un sello hermético entre los miembros giratorio y estacionario con pérdidas por fricción muy pequeñas.
Cuando el sello es nuevo, el escurrimiento es despreciable y puede de hecho considerarse que no existe. (Para obtener una reducción de presión entre la presión interior y la atmosférica fuera de la bomba, se requiere que haya un flujo de fluido entre las dos superficies. Por ejemplo, este flujo puede ser una gota a pocos minutos de intervalo o una neblina de vapor que escapa – si se está manejando un líquido como propano. Así aun cuando el escurrimiento sea inapreciable, hablando técnicamente, un sello mecánico giratorio no puede eliminarlo completamente.) Por supuesto, siempre ocurre algún desgaste, y se debe esperar un pequeño escurrimiento con el tiempo.
La amplia variación en diseño de sellos deriva de los muchos métodos que se usan para dar flexibilidad a la montura de los sellos. Un sello mecánico es similar a un cojinete porque requiere un espacio libre de movimiento preciso con una película de líquido entre las caras. La lubricación y enfriamiento proporcionados por esta película reduce el desgaste como lo hace también la selección de materiales apropiados para las caras del sello.
Los sellos para bombas centrífugas no operan satisfactoriamente con aire o gas; si trabajan “secos”, fallarán rápidamente. Los sellos pueden usarse en bombas que manejan líquidos que contienen sólidos si éstos se retienen para que no se metan entre las caras del sello o interfieran con la flexibilidad de la montura.
A partir de la evaluación integral de las fallas presentadas en la operación de los sellos mecánicos y de las acciones de mejoramiento que se deriven de ellas, se logrará mantener la operación de las bombas centrífugas en forma más eficiente, logrando así la productividad operacional del sistema de bombeo.
3 ENUNCIACIÓN DEL TEMA
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 miles de 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:
errores en la instalación;
problemas por el diseño básico del sello mecánico; contaminación anormal del líquido.
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.
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 0.002 micrones.
Esta tolerancia crítica hace que sean uno de los componentes de mayor precisión en el trabajo de mantenimiento. 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. 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
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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 melladura 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 o árbol con un micrómetro de esfera; la lectura total del micrómetro no debe exceder de 0.01 por pulgada de longitud. Además, el movimiento axial no debe exceder de 0.05 mils. Si no se pueden lograr esas tolerancias, habrá que ajustar o reemplazar los cojinetes pues, en otra forma, ocurrirán fugas por el sello.
Hay que comprobar la concentricidad y perpendicularidad del eje. A veces, habrá que rectificar la cara de apoyo del anillo estático 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 una de las caras, 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 0.01 y 0.02 mils. 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. Salvo el caso de bombas con sistemas de apoyo axial mediante crapodinas, que obligan a su refrigeración y lubricación, deben permitir que el eje tenga un juego axial que va desde 0.8 a 0.1 mils. En tales casos deben utilizarse, sellos mecánicos cuya cabeza dinámica acompañe al movimiento del eje sin permitir perdida alguna.
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
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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. 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 su alojamiento.
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.
6 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Este trabajo recepcional tiene como finalidad presentar los principales motivos por los cuales se producen las fallas en los sellos mecánicos de bombas centrífugas y que a su vez pueda servir de guía y consulta para la comunidad universitaria de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, así como al personal involucrado en los sistemas de bombeo centrífugo, especialmente a aquellos que manejan las distintas técnicas y procedimientos para el mantenimiento de los sellos mecánicos.
La presente tesina se ha estructurado con un marco contextual que proporciona la información suficiente para ubicarse en el conocimiento de los sellos mecánicos utilizados en bombas centrífugas.
Posteriormente se realiza el desarrollo del marco teórico, la base del análisis de daños, el cual se desglosa de la siguiente manera:
En primer lugar se describen las Bombas Centrífugas, en donde se explican ampliamente los diferentes tipos de bombas centrifugas, las partes constructivas de las bombas centrífugas y los diversos efectos, nocivos, que afectan el correcto funcionamiento de las mismas.
En segundo lugar se expone el tema de las Empaquetaduras y Sellos, entendiendo sus características distintivas, la clasificación de los sellos mecánicos y materiales que componen las carcasas de las bombas centrífugas.
Finalmente, dentro de éste marco teórico se desarrolla el tema del Análisis de
Fallas en donde se describen los diferentes tipos de fallas, así como los diferentes
tipos de herramientas para realizar el análisis de fallas, terminando por citar los daños que sufren los sistemas de bombeo al fallar dichos sellos.
Concluye la presente investigación documental con un Análisis Crítico de los
Diferentes Enfoques, para así llegar a las Conclusiones. Presentando además la
7 CAPITULO II - DESARROLLO DEL TEMA
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN
El diseño convencional de estopero y empaquetadura de pasta son imprácticos para usarse como un método para sellar una flecha giratoria para muchas condiciones de servicio. En el estopero ordinario, el sello entre la flecha móvil o el manguito de la flecha y la porción estacionaria de la caja se obtiene por medio de anillos de empaque forzados entre las dos superficies y sostenidos firmemente en su lugar por medio de un casquillo de prensaestopas. El escurrimiento alrededor de la flecha se controla únicamente apretando o aflojando las tuercas de los pernos del prensaestopas. Las superficies realmente sellantes consisten de las superficies giratorias axiales de la flecha o manguito de la flecha y la empaquetadura estacionaria.
Los intentos para reducir o eliminar cualquier escurrimiento de un estopero convencional aumentan la presión del prensaestopas. Las empaquetaduras, siendo de naturaleza semiplástica, adapta su forma a la flecha con más precisión y tiende a reducir el escurrimiento. Después de un cierto punto, sin embargo, el escurrimiento continúa, sin importar qué tanto se aprietan los tornillos del prensaestopas. El caballaje de fricción aumenta rápidamente en este punto; el calor generado no se puede disipar adecuadamente; y el estopero deja de funcionar.
Aun antes de que se alcance esta condición, los manguitos de flecha pueden desgastarse y rayarse severamente, de modo que se hace imposible empacar el estopero satisfactoriamente.
Estas características indeseables prohíben el uso de empaquetadura como el medio obturador entre las superficies giratorias si el escurrimiento debe mantenerse a un mínimo absoluto bajo presión severa. Esta condición, a su vez elimina automáticamente el uso de superficies de sello, porque el empaque semiplástico es el único material que puede hacerse que se apegue en su forma a la flecha y compense a su desgaste.
Otro factor que hace insatisfactorios los estoperos para ciertas aplicaciones es el valor relativamente pequeño de lubricación de mucho líquidos que frecuentemente manejan las bombas centrifugas como propano y butano. Estos líquidos de hecho actúan como solventes de los lubricantes normalmente usados para impregnar la empaquetadura. Por lo tanto, se tiene que introducir en el farol de una caja empacada, aceite de sello para lubricar la empaquetadura y darle una vida razonable.
Con estos hechos en mente, los diseñadores de sellos mecánicos tuvieron que tratar de producir un sello de tipo totalmente diferente con superficies de desgaste distintas a las superficies axiales de la flecha y la empaquetadura.
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Esta forma de sello, llamada sello mecánico, es un invento nuevo comparado con los estoperos ordinarios, pero ya ha encontrado aceptación general en las aplicaciones de bombeo en las que los inconvenientes de los estoperos empacados han sido excesivos. En los campos en los que las cajas empacadas han dado buen servicio, sin embargo, han mostrado poca tendencia a reponerlas con sellos mecánicos.
Como tanto las cajas empacadas como los sellos mecánicos están sujetos a desgaste, ninguno de los dos es perfecto. Uno u otro da pruebas de ser mejor de acuerdo con la aplicación. En algunos campos ambos dan buen servicio, y escoger entre ellos se convierte en asunto de preferencia personal o costo inicial.
9 MARCO CONTEXTUAL.
Casi cualquier proceso industrial emplea máquinas con partes rotatorias. Esto significa que un amplio número de aplicaciones de varios grados de complejidad requieren un rotor que atraviesa una carcasa mientras se mantiene la presión interna y se controla la fuga.
Las siguientes aplicaciones son típicas: la bomba de agua de enfriamiento en un automóvil, una bomba de presurización en un oleoducto, un tanque mezclador en la industria de alimentos, la bomba de alimentación de pintura en el área de pintado de una fábrica de automóviles, así como la bomba de alimentación de agua en una planta de energía nuclear.
El sistema de sellado en una máquina rotatoria influye directamente en la confiabilidad de esta y del proceso en general. Desafortunadamente, la importancia del sistema de sellado comúnmente es despreciada y se considera hasta lo último durante el diseño de la máquina.
Si este importante elemento de la máquina funciona correctamente, este será inadvertido, pero tan pronto ocurra una fuga o si el sello falla completamente, su importancia se vuelve evidente inmediatamente.
Convencionalmente un rotor pude ser sellado con un sello mecánico axial o un sello radial como la empaquetadura.
En el lado motriz, el sello está generalmente expuesto a la presión atmosférica, lo que significa que el sello debe ser capaz de soportar la presión del fluido líquido o gas que se encuentra dentro de la máquina.
SELLO MECÁNICO
Esencialmente el sello mecánico consiste de dos superficies anulares de rozamiento que están empujándose una contra otra. Una superficie de rozamiento está fija a la parte estática de la máquina, mientras que la otra esta fija al rotor y gira junto con este. El fluido a ser sellado penetra entre ambas superficies de rozamiento formado una película de lubricación la cual fluye entre las superficies constantemente. La presión a sellar se reduce linealmente a través de las superficies de rozamiento. En su forma más simple, un sello mecánico consiste de un anillo fijo sobre el rotor, el cual es empujado contra la carcasa de la máquina (figura A).
10 1 – Fluido a sellar 2 – Anillo 3 – Carcasa de la máquina 4 – Separación de sellado 5 – Fuerza axial 6 – Fuga
FIG A: Versión simple de un sello axial
Empaquetadura
Para una empaquetadura (figura B), uno o más anillos son dispuestos dentro de la caja de sellado y comprimidos axialmente con una brida. Un pequeño espacio de forma cilíndrica se forma entre el diámetro interior de los anillos de empaquetadura y el rotor, con lo cual la presión a sellar es reducida a lo largo de este espacio hasta él nivel de la presión atmosférica.
El fluido contenido en la máquina o bien un fluido externo más limpio fluye a través de este espacio lubricando y enfriando las superficies de contacto y fugando en forma líquida o gaseosa a la atmósfera.
1 – Anillo de empaquetadura 2 – Brida
FIG B: Sellado con empaquetadura
Sellos radiales de labio
Los sellos radiales también forman una restricción axial. Un labio de sellado (figura C) fabricado de algún elastómero o algún plástico por ejemplo: poli-tetrafluoro-etileno (PTFE) es empujado en dirección radial sobre el rotor mediante un resorte que ejerce tensión.
Los sellos de labio son generalmente aplicados a bajas presiones y, temperaturas y requieren un fluido (generalmente agua o aceite) para lubricarse y enfriarse.
11 1 – Fluido a sellar 2 – Atmósfera 3 – Rotor 4 – Sello de labio 5 – Resorte 6 – Carcasa
FIG C: Sellado con un sello de labio
Sellado hermético con acoplamientos magnéticos
Una forma muy diferente de sellar un rotor es dividir este en dos y, entonces emplear magnetos para transmitir la potencia entre ambas mitades. El fluido a sellar es contenido herméticamente dentro de la máquina mediante una carcasa que permite el flujo del campo magnético (figura D).
Esta solución se conoce como acoplamiento magnético. Esta solución de sellado es técnicamente mas complicada y requiere chumaceras adicionales para soportar el peso del rotor y de la unidad magnética.
FIG D: Bomba con acoplamiento magnético
Sellos Mecánicos Lubricados con Líquido y Sellos Mecánicos Lubricados con Gas.
Como se mencionó anteriormente: un sello mecánico consiste esencialmente de una restricción axial donde se reduce la presión del fluido a ser sellado generalmente hasta la presión atmosférica) a través de la separación de sellado.
Se distingue entre sellos mecánicos lubricados con líquido y sellos mecánicos lubricados con gas de acuerdo al estado físico del fluido a ser sellado.
La separación de sellado se establece entre dos superficies anulares de rozamiento, las cuales están alrededor y perpendiculares al rotor las cuales están completamente juntas o bien ligeramente separadas una de otra por la película del fluido líquido o gaseoso a sellar.
12 ESTRUCTURA BÁSICA Y FORMA DE OPERACIÓN.
Componentes
La figura E muestra un sello mecánico rotatorio sencillo donde se muestran los elementos más importantes de un sello. La cara y el asiento son los elementos más importantes ya que en ellos están las superficies de rozamiento.
En la ilustración la cara esta fija al rotor y el asiento está fijo a la carcasa del equipo. 1 – Carcasa del equipo
2 – Rotor
3 – Fluido a sellar 4 – Atmósfera 5 – Cara 6 – Asiento
7 – Separación de sellado entre las superficies de rozamiento
8 – Resorte
9 – Elemento de sellado dinámico 10 – Elemento de sellado estático
FIG E: Sello mecánico sencillo de resorte cónico, cuyo sentido de enrollamiento depende del sentido de rotación del rotor del equipo
Elementos de empuje
Las caras de rozamiento deben ser empujadas una contra otra en dirección axial. En este ejemplo, la fuerza necesaria es generada por un resorte sencillo tipo cónico. Otras formas son: un resorte sencillo ondulado o bien varios resortes distribuidos alrededor de una circunferencia (figura F).
a – Resorte ondulado (sinoidal) b – Resorte sencillo cilíndrico c – Grupo de resortes
13 Elementos de sellado secundario
Las uniones entre la cara y el asiento con los elementos de la máquina donde se fijan (rotor o carcasa), deben ser sellado.
En el ejemplo mostrado el asiento se fija a la carcas del equipo y esta unión se sella mediante un elemento de sellado estático, mientras que la unión entre la cara y el rotor se sella mediante un elemento de sellado dinámico. Este elemento de sellado es “dinámico” porque se mueve axialmente sobre el rotor junto con la cara del sello. Los elementos de sellado ilustrados son de sección transversal circular, conocidos como “o’rings”.
Adicionalmente a su función de sellado, los elementos de sellado secundario funcionan como elementos de ajuste y centrado. El elemento de sellado de la cara ajusta y centra esta sobre el rotor, mientras que el elemento de sellado del asiento ajusta y centra este en la carcasa del equipo.
Fuerza de cierre y fuerza de apertura
La cara del sello es empujada contra el asiento mediante la fuerza mecánico de compresión del resorte y por la fuerza hidráulica generada por la presión del fluido a sellar. La suma de estas dos fuerzas se conoce como fuerza de cierre. En condición despresurizada la fuerza del resorte mantiene en contacto las superficies de rozamiento una contra otra. En operación dinámica, el fluido penetra entra las superficies de rozamiento y establece una separación de sellado. La presión del fluido es reducida en la superficie de rozamiento. La presión en la separación de sellado genera una fuerza de apertura que contra actúa con la fuerza de cierre.
Momento de torsión
El rozamiento entre las superficies de sellado causa un momento de torsión, parcialmente debido al rozamiento entre las superficies y la película del fluido y parcialmente debido al rozamiento directo entre las superficies. Este momento tiene que ser transmitido al rotor y a la carcasa del equipo. En el ejemplo de la figura E el momento de torsión es transmitido del rotor al resorte cónico mediante la interferencia que se logra entre el diámetro interior del resorte y el rotor, luego el resorte transmite el momento a la cara del sello a través de una ranura. En el asiento, el elemento de sellado secundario proporciona una fuerza de apriete entre en asiento y la carcasa del equipo, evitando que el asiento gire debido al rozamiento y por lo tanto el momento de torsión con la cara.
Sentido de rotación.
Debe atenderse el sentido de enrollamiento del resorte tal que el sentido de rotación lo mantenga con interferencia con el rotor.
Materiales
Los sellos mecánicos son fabricados de materiales especiales tales que sean resistentes a la abrasión, temperatura, presión y ataques químicos.
14 Materiales para las caras
Los materiales de las caras deben cumplir con las siguientes características: • Bajo coeficiente de rozamiento,
• Suficiente dureza para soportar la abrasión y tener un mínimo desgaste, • Alta conductividad térmica para eliminar el calor generado por el
rozamiento,
• Bajo coeficiente de expansión térmica para reducir los esfuerzos mecánicos,
• Alto módulo de elasticidad para reducir las deformaciones
Los materiales comúnmente empleados para fabricar las caras de los sellos mecánicos son:
- Carbones artificiales - Metales
- Carburos
- Óxidos metálicos
SELLOS DE EMPUJE Y SELLOS DE FUELLE Elemento de sellado secundario dinámico
Uno de los más comunes tipos de sellos es el conocido como sello de empuje, donde el elemento de sellado secundario se mueve axialmente junto con la cara del sello. Otro grupo de sellos es aquel donde el desplazamiento axial de la cara es soportado por un fuelle, mientras que la parte que hace el sellado secundario permanece estática. Este tipo de sellos es adecuado en servicios con contenido de sólidos.
FIG G: Sello de fuelle de elastómero
La figura G muestra un sello mecánico de fuelle de elastómero rotatorio con un resorte sencillo colocado en su diámetro exterior.
Sellos de fuelle metálico
La figura H muestra dos sellos mecánicos de fuelle metálico rotatorio. El fuelle metálico actúa como un resorte.
Los tipos de sellos de fuelle metálico son aplicados en servicios donde los sellos de fuelle de elastómero no son recomendables, tales como temperaturas extremas.
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FIG H: Sello de fuelle metálico soldado (Izquierda) Sello de fuelle metálico rolado (Derecha)
Sellos mecánicos rotatorios y sellos mecánicos estacionarios
Los sellos mecánicos también se clasifican como sellos rotatorios y sellos estacionarios. En los primeros la unidad de empuje está fija al rotor y gira junto con este, en los segundos, la unidad de empuje se fija a la carcasa del equipo.
En la figura I se ilustra un sello mecánico estacionario para altas velocidades periféricas. Los sellos mecánicos rotatorios son aplicados en velocidades periféricas menores a 25 m/s.
FIG I: Sello mecánico estacionario para altas velocidades (1). Velocidad periférica de hasta 50 m/s; el anillo de bombeo integrado (2) genera un lujo de fluido para enfriar las caras del sello
Sellos mecánicos presurizados en su diámetro exterior y sellos mecánicos presurizados en su diámetro interior
Esta clasificación se refiere al arreglo del sello mecánico con respecto al lado donde actúa la presión del fluido.
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Para sellos mecánicos presurizados por su diámetro exterior, la presión del fluido a ser sellado actúa desde el diámetro exterior de las caras. La fuga se mueve radialmente del diámetro exterior al interior de las cara. Los ejemplos anteriores, así como la mayoría de las aplicaciones son sellos de este tipo. La ventaja de este arreglo es que la presión del fluido así como la presión de apertura generada por la película lubricante contra actúan una contra otra minimizando la cantidad de fuga.
Fluido buffer contra los sólidos
En los sellos mecánicos presurizados en su diámetro interior, tanto la presión del fluido de proceso como la del fluido auxiliar (buffer) actúan desde el diámetro interior de las caras del sello. La fuga fluye radialmente desde el diámetro interior hacia el diámetro exterior de las caras, siendo por lo tanto mayor que en los sellos presurizados desde su diámetro exterior.
Cuando existe presencia de sólidos en el fluido de proceso, debe emplearse un sistema de fluido auxiliar buffer a mayor presión que la del fluido a sellar, esto evitará que los sólidos pases entre las superficies de sellado y las dañen.
Sellos mecánicos sencillos y sellos múltiples
Los sellos mecánicos descritos anteriormente son sellos sencillos, en los cuales el fluido a sellar penetra entre la separación de sellado, lubricando las superficies de sellado, evitando su contacto. Lo que significa que los sellos sencillos solo pueden operar con fluidos con características lubricantes y que fluyan fácilmente.
Fluidos no adecuados para los sellos sencillos
Los sellos sencillos no pueden ser aplicados para sellar fluidos con las siguientes características:
- Alta viscosidad - Contenido de sólidos - Peligrosos o explosivos - Químicamente agresivos
- De presión de vapor cercana a la de operación
Sello mecánico en arreglo doble
Los fluidos con las características descritas anteriormente son sellados con sellos mecánicos en arreglo doble, los cuales operan con un sistema de fluido buffer a mayor presión (2 o 3 bar) que la del producto, evitando que este dañe los componentes del sello. La fuga normal es de fluido buffer hacia el lado producto y hacia la atmósfera, por lo que debe emplearse un fluido limpio, con propiedades lubricantes, compatible con el fluido de proceso y no peligroso para el ambiente.
Arreglo tándem
El arreglo tándem se define como dos sellos colocados en la misma orientación (figura J). El sello interno (lado producto) opera a la presión del fluido de proceso, mientras que el sello externo (lado atmosférico) opera a presión atmosférica. La fuga normal del sello interno se colecta en el sistema termosifón de lubricación del sello externo.
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Los sellos en arreglo tándem se aplican cuando: la fuga del fluido de proceso puede ser enviada a un sistema de venteo aprobado.
1 Sello Mecánico interno (lado producto)
2 Sello Mecánico externo (lado atmosférico) 3 Cámara de sellado 4 Fluido de enjuague (quench)
5 Inyección/circulación del fluido de proceso (producto)
FIG J: Dos sellos mecánicos en arreglo Tandem
La presión del fluido de proceso es muy grande tal que debe abatirse en dos o tres fases de sellado la presión del fluido de proceso es negativa (vacío). Entonces el sistema de lubricación del sello externo también proporcionará la lubricación y enfriamiento necesarios a las caras del sello interno.
Sellos mecánicos en cartucho
El término sello en cartucho es empleado para describir los sellos que forman una unidad completamente ensamblada lista para ser instalada en el equipo (figura K). Las ventajas de un sello en cartucho son:
- Fácil y rápida instalación
- Pueden ser probados en fábrica
- Los componentes delicados (caras y empaques) son protegidos contra daños durante transporte y almacenamiento.
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Durante la transportación e instalación, los elementos de fijación (espaciadores) mantienen sin movimiento relativo los conjuntos dinámico y estático del cartucho. Estos espaciadores deben ser removidos del cartucho o girados 180° una vez que el cartucho se fijo adecuadamente a la carcasa y al rotor del equipo y antes de iniciar su operación.
Sellos mecánicos lubricados con gas
Los sellos mecánicos lubricados con gas (sellos de gas) son una moderna tecnología de sellado que pueden aplicarse en arreglo sencillo para el sellado de gases o bien en arreglo doble para sellado de líquidos en equipos rotatorios.
Esta tecnología brinda ventas económicas de operación y mantenimiento debido a su bajo nivel de fuga de gas de sellos, operación sin desgaste de sus caras y bajo consumo de potencia.
Los sellos de gas en arreglo sencillo son aplicados en sopladores, ventiladores y turbinas de vapor, reemplazando a los sistemas de sellado de poca eficiencia tales como laberintos, anillos de restricción e incluso sellos mecánicos lubricados con líquido, por ejemplo sellos lubricados con aceite de compresores rotatorios.
Los sellos mecánicos de gas pueden aplicarse en bombas e incluso en agitadores y reactores.
Diseño de los sellos de gas
Para un adecuado diseño de un sello mecánico de gas se deben tomar en cuenta las variables que influyen sobre la geometría de la separación de sellado y por lo tanto en la cantidad de fuga, tales como la geometría y cantidad de ranuras aerodinámicas, el factor de empuje, la geometría y materiales de las caras (incluyendo cualquier deformación causada por las condiciones de operación), la velocidad, la presión a ser sellada, las características físicas del gas, de tal forma que se obtenga una mínima y óptima geometría de separación de sellado y por lo tanto una mínima cantidad de fuga, así como que la película de gas sea estable y las caras se mantengan sin contacto durante las fases de operación del sello.
APLICACIÓN DE SELLOS MECÁNICOS Parámetros de operación
Los parámetros de operación de un sello mecánico son: - Fluido a sellar
- Presión - Temperatura
- Velocidad de rotación de las caras
19 Sellado de diferentes tipos de fluidos
Generalmente el sellado de fluidos químicamente agresivos es con sellos en arreglos dobles o tándem, tal que el sello interno en contacto con el fluido sea fabricado en materiales resistentes químicamente. En un arreglo tándem, la fuga del sello primario, la cual puede ser tóxica o contaminante, debe ser removida mediante el fluido de enjuague.
Si se requiere protección al ambiente se deben usar sellos mecánicos en arreglo doble presurizados, los cuales operan con un fluido buffer limpio, con propiedades lubricantes, compatible con el fluido de proceso y no peligroso par el medio ambiente, a una presión mayor (2 o 3 bar) que la que actúa en la cavidad para el sello en el equipo.
Sellado de fluidos conteniendo sólidos
Para el sellado de fluidos conteniendo sólidos, las características de éstos, tales como tipo, tamaño y concentración son importantes y deben analizarse para diseñar y aplicar el tipo de sello correcto.
Para resistir a la abrasión de los sólidos, deben emplearse materiales duros para las caras del sello, como el carburo de silicio. Los materiales suaves como el carbón grafito no son adecuados para estos servicios debido a que los sólidos, además de producir abrasión, se incrustan en la superficie de estos materiales, dañando severamente las caras del sello.
Sellado de fluidos de alta viscosidad
Una de las características de este tipo de fluidos es que tienen pobres propiedades lubricantes o bien ninguna lubricidad. En estas condiciones solo pueden aplicarse sellos en arreglo doble presurizados ya sea de gas o de líquido. El fluido de lubricación debe ser compatible con el proceso y no peligroso para el medio ambiente.
Sellado de fluidos gaseosos
Antiguamente el sellado de equipos que manejan gases se hacía con sellos de líquidos en arreglo doble. El uso de operación en seco (sin lubricación) está limitado a bajas presiones y velocidades. Actualmente con la tecnología de sellos de gas, los equipos que manejan gases limpios y no peligrosos para el ambiente, tales como ventiladores, sopladores y turbinas de vapor, son sellados con sellos de gas en arreglo sencillo, con la ventaja de menores fugas comparadas con las de laberintos o bujes de restricción.
Sellos de gas para altas presiones
Para aplicaciones en altas presiones, los materiales de los sellos de gas deben ser de un alto módulo de elasticidad.
Por lo que el carbón no puede ser usado en estas condiciones. La deformación de las caras debe ser analizada y realizarse diseños que no permitan deformaciones mayores a 5 micrones (µm), para mantener la geometría adecuada de la separación de sellado y que esta ocurra a velocidades periféricas a partir de 0.5 m/s y se mantenga estable durante todas fases de operación del sello.
20 TECNOLOGÍAS PARA EL FUTURO
Los límites de operación para la aplicación de los sellos mecánicos se extienden con el avance de la tecnología, requiriéndose sellos que operen en presiones, temperaturas y velocidades extremas, así como en fluidos con difíciles características físicas y químicas de controlar.
Nuevos métodos de cálculo y diseño se están usando para crear modelos matemáticos que resulten en nuevos diseños de operación segura y confiable.
El uso de sellos mecánicos de gas se hace cada vez más necesario y común debido a que estos pueden operar a grandes velocidades y presiones (con factores de carga-velocidad de hasta 5000 bar-m/s).
Por ejemplo se están desarrollando diseños para sellar gases a presiones de haste 450 bar en velocidades de hasta 200 m/s.
Además de la modernización de los métodos de cálculo, también el uso de modernos materiales se hace cada vez más patente, como por ejemplo el carbón tipo diamante (DLC) con el cual se recubren las caras de carburo de silicio de los sellos de gas para reducir el coeficiente de rozamiento durante las fases de contacto (inicio de operación y paro).
Sistemas de monitoreo y diagnóstico
La forma más común de verificar si el desempeño del sello es correcto es monitoreando la cantidad de fuga. Pero esta es imprecisa Se han desarrollado sistemas de diagnóstico para detectar pequeñas averías en el sello antes de que resulten en grandes fallas. Estos sistemas miden las variaciones de temperatura y presión en las caras del sello. Las señales pueden ser enviadas a una computadora para ser registradas y comparadas con los valores normales preestablecidos pronosticando el tiempo de vida del sello.
21 TÉRMINOS TÉCNICOS Y ABREVIACIONES
API (American Petroleum Institute), Instituto Americano del Petróleo. API610, Estándares para bombas centrífugas para refinerías de petróleo.
API682, Estándares para sistemas de sellado para bombas centrifugas para las
industrias química y petroquímica.
Restricción axial, separación entre dos superficies anulares a través de la cual fluye
un fluido y se reduce su presión
Aglomerante, compuesto para proporcionar estabilidad estructural de los carburos,
óxidos metálicos y carbones artificiales
Carburo, compuesto de un metal, boro o silicón con carbón
Carburo metálico, fundición dura de aleaciones o carburos metálicos sinterizados
como carburo de tungsteno o carburo de titanio
Coeficiente de rozamiento, la relación de la fuerza necesaria para deslizar dos
superficies una contra otra con respecto a la fuerza de empuje (f = FR /F) necesaria para mantenerlas en contacto, donde FR y F son perpendiculares
DLC (Diamond Like Carbon), carbón tipo diamante
Arreglo doble, arreglo de dos sellos orientados en sentido opuesto o encontrado o
en serie, para operar con un fluido buffer a mayor presión que la del producto
Elastómero, hule flexible de muy bajo modulo de elasticidad y alta resilencia que
puede recuperar su geometría original después de haber sido comprimido
Análisis de Elementos Finitos, Método de cálculo numérico para modelar en
computadora el comportamiento de cuerpos sometidos a esfuerzos.
Rango de rozamiento, en tecnología de sellado es el término usado para definir el
consumo de potencia por el rozamiento de las caras
Sello hermético, es aquel que elimina completamente la fuga (por ejemplo: sellos
estáticos, juntas y el acoplamiento magnético)
Coeficiente Joule Thomsom, es la relación entre la presión y el cambio de
temperatura cuando el flujo de un gas pasa por una restricción
Factor de empuje, relación entre el área activa de presión y el área de rozamiento.
Si el factor de empuje es igual o mayor que 1 el sello mecánico es no balanceado hidráulicamente, si es menor a 1 el sello se define como balanceado hidráulicamente
22 Matriz, estructura de material duro cuyos espacios vacíos son llenados con un
aglomerante
Módulo de elasticidad, relación entre el cambio de longitud con respecto al esfuerzo
aplicado, determina la capacidad del material a ser deformado temporal o permanentemente por efecto de aplicar una fuerza de compresión o tensión.
Valor pH (potencial hidrógeno), grado de acidez (pH = 0 a 6) o alcalinidad (pH = 8 a
14) o neutro (pH = 7) de una compuesto
PTFE, Material plástico compuesto por poli-tetra-fluoro-etileno, químicamente inerte a
todo tipo de fluidos.
Restricción radial, pequeño espacio entre dos superficies cilíndricas que restringe el
flujo de un fluido reduciendo su presión
Presión de rozamiento de las superficies, es la presión a la cual están sometidas
las superficies de rozamiento y es igual a la suma de la presión hidráulica del fluido más la presión que ejercen los o el elemento de empuje
Arreglo tándem, arreglo de dos sellos orientados en la misma dirección.
Normalmente para operar el sello externo a presión atmosférica
23 MARCO TEÓRICO
1.0 BOMBAS CENTRÍFUGAS.
Una bomba centrifuga es una máquina de consta de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja comúnmente llamada carcaza. Las paletas le dan energía al liquido por medio de la fuerza centrifuga; por lo tanto, una bomba centrifuga en su forma más simple está formada por dos partes principales.
a) Una parte rotatoria que incluye un impulsor y una flecha.
b) Una parte estacionaria compuesta de una carcasa, estoperos y chumaceras.
FIG. 1: Esquema de una bomba centrífuga.
Los detalles constructivos de cada una de estas partes se verá en un próximo capítulo.
1.1. Tipos de bombas centrifugas.
El desarrollo obtenido en la maquina motriz (motor eléctrico, motor de combustión interna, turbina de vapor, turbina de gas) que le da movimiento a las bombas centrifugas, ha ocasionado un adelanto muy grande en los diseños, velocidades y tamaños de las bombas así como también en su capacidad.
Es por esto que cuando se trata de hacer una clasificación de las bombas centrifugas es necesario especificar sobre qué punto en especial está basada dicha clasificación,
Difusor Salida Empaquetadura Anillo de descaste Entrada Voluta Eje Ro de te
24
pues es posible hacer la clasificación en función de: el número de pasos, del diseño mecánico de la cubierta de la posición de la flecha, de la velocidad, del liquido bombeado, etc.; por lo tanto, pasamos a clasificar las bombas centrifugas que mas se usan en la industria mexicana.
1.1. a. Clasificación de las bombas centrifugas en función del número de pasos.
a) De un paso. Es aquella bomba en la que la altura de elevación que alcanza con un solo impulsor.
b) De varios pasos. Cuando la altura de elevación no se alcanza con un solo impulsor, es necesario poner otro u otros impulsores de tal manera que la descarga del 1º sea la succión del 2º; la descarga del 2º sea la succión del 3º. Y así sucesivamente hasta alcanzar la altura deseada.
1.1. b. Clasificación de las bombas centrifugas en función del diseño mecánico de la cubierta.
a) Con cubierta de seccionamiento axial. Las bombas con cubierta o cuerpo de seccionamiento axial, son aquellas en las que dicho cuerpo esta seccionado a todo lo largo de la flecha.
b) Con cubierta de seccionamiento radial. Las bombas con cubierta o cuerpo de seccionamiento axial, son aquellas en las que dicho cuerpo esta seccionado a todo lo largo de la flecha.
1.1. c. Clasificación de las bombas centrifugas en función de la posición de la flecha.
a) De flecha horizontal. b) De flecha vertical.
A estas bombas se les conoce simplemente como bombas horizontales o bombas verticales.
1.1. d. Clasificación de las bombas centrifugas en función del servicio. Dentro de esta clasificación tenemos:
a) Bombas para agua. b) Bombas para aceite. c) Bombas para caldera.
d) Bombas para extracción de condensados. e) Bombas de trasiego.
f) Bombas de achique.
25 1.1. e. Clasificación de las bombas centrifugas en función de la altura de
elevación.
Atendiendo a la altura de elevación las bombas centrifugas pueden dividirse en: a) Bombas de baja presión.
b) Bombas de presión media. c) Bombas de alta presión.
1.2. Partes constructivas de las bombas centrifugas.
Debido a la gran variedad de fabricantes de bombas centrifugas y a que cada uno de ellos le pone el nombre que quiere a determinada parte de la bomba, hay partes que tienen dos o más nombres. A continuación se da una relación de los nombres de las partes de la bomba con los que se conoce más comúnmente. En las figuras 2, 3 y 4, se encuentran marcadas las partes con el numero que en la lista tienen asignado.
FIG. 2: Bomba horizontal de voluta de doble acción de un solo paso.
1. Cuerpo, carácter, cubierta, carcaza, volunta, caracol, caja
1. A.- Cubierta (Parte inferior) 1. B.- Cubierta (Parte superior)
5. Campana, tapa de la succión 6. Anillo del impulsor
7. Tapa del estopero, caja de empaques 8. Empaque.
2. Impulsor, impelente, hélice 9. Manga de la flecha, laina, camisa. 3. Flecha de la bomba. 10. Vaso de descarga de la bomba, tazón. 4. Anillos de la caja, anillo de la cubierta,
anillo estacionario, anillo de la campana
11. Chumacera o balero interior, chumacera o balero lado cople.
26 12. Chumacera o balero exterior, chumacera
o balero lado opuesto al cople
26. Medio cople bomba 27. Cuña del acoplamiento. 13. Prensa estopa, prense. 28. Bujes del acoplamiento. 14. Tuerca de la manga de la flecha 29. Tuerca del acoplamiento. 15. Tuerca del balero
16. Tuerca del impulsor
30. Tornillos del cople, pernos del cople 31. Buje de la campana.
17. Farol, linterna 32. Tapa de registro para inspección
18. Portabalero interior, caja baleros lado cople
19. Cuña del impulsor
33. Collar de tope, cuña seccionada, anillo seccionado, seguro o candado del impulsor. 34. Espaciador de los baleros.
20. Portabalero exterior, caja baleros lado opuesto al cople
35. Cubierta tubular de la flecha, tubo interior, guardad de la flecha, chaqueta. 21. Tapa de cojinete (interior), tapa interior
de la caja de baleros
36. Tubería de descarga. 22. Tapa de cojinete (exterior) tapa exterior
de la caja de baleros.
23. Buje del tazón, chumacera
37. Cojinete de conexión, cople - chumacera de la chaqueta.
38. Copa de engrase 24. Reten deflector de aceite.
25. Medio cople motor
39. Tubo para el sello
FIG. 3: Vaso de bomba vertical difusora de
foso lleno. de succión en el extremo con una cubierta de FIG. 4: Vista de una bomba de flecha vertical doble voluta.
27 1.3. OPERACIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS.
En una bomba centrifuga, el líquido penetra al impulsor o rodete por el centro y es arrastrado por los álabes del impulsor aumentando su presión y su velocidad. En su movimiento de rotación el rodete impulsa al líquido en forma continua hacia la carcaza en tanto que una nueva cantidad de líquido penetra al rodete a través de la tubería de succión.
La mayor parte de la energía del liquido que abandona al rodete es energía cinética, por lo que en toda bomba centrifuga se procura conservar esta energía para transformarla en energía de presión lo cual se logra disminuyendo la velocidad del liquido.
Para seleccionar una bomba centrifuga es necesario conocer: el gasto y la altura de elevación.
1.3. a. Altura de elevación.
La carga total contra la cual debe operar una bomba está formada por los siguientes componentes:
a) Carga estática
b) Diferencia de presiones que existen en el líquido c) Carga de fricción
d) Pérdidas de entrada y salida
e) Elevación correspondiente a la velocidad.
1.3. b. Carga estática
La carga estática total de un sistema es la diferencia de nivel entre el nivel del líquido de descarga y el nivel del líquido de succión tal como se ve en las figuras 5, 6 y 7 en las que:
hs = Carga estática de succión. hd = Carga estática de descarga. ht = Carga estática total.
1.3. c. Diferencia de presiones que existen en el líquido.
Si el nivel del líquido de succión o el de descarga o ambas están a otra presión que no sea la atmosférica tal como se ve en la figura 6, la carga total contra la que va a trabajar la bomba se verá afectada por la diferencia de presiones existentes.
28 1.3. d. Carga de fricción
La carga de fricción es la carga equivalente que es necesaria para vencer las pérdidas de fricción por el flujo del líquido a través de la tubería, válvulas, codos, etc. Esta carga varia con:
1) La cantidad de líquido bombeado.
2) El tamaño, tipo y condición de la tubería y accesorios. 3) El tipo de líquido bombeado.
FIGURA 5.- Alturas de elevación, depósitos abiertos.
FIGURA 6.- Alturas de elevación, depósitos cerrados.
FIGURA 7.- Alturas de elevación.
1.3. e.- Pérdidas de entrada y salida
Como su nombre lo indica, estas pérdidas se tienen al pasar el líquido del depósito que lo contiene a la tubería de succión de la bomba y de la tubería de descarga de la bomba al depósito de descarga. La magnitud de estas pérdidas depende del diseño de la entrada y salida del líquido siendo menores cuando en la entrada se tiene una boca acampanada y en la descarga un cono largo.
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Estas pérdidas algunas veces son consideradas como parte de las perdidas de fricción de la tubería de succión y descarga; sin embargo, es preferible considerarlas separadas para no pasarlas por alto y poder ver claramente si una o ambas perdidas son excesivas.
1.3. f.- Elevación correspondiente a la velocidad
La elevación correspondiente a la velocidad es la energía cinética o de movimiento en un líquido en cualquier punto y se puede calcular por medio de la siguiente igualdad. 2
2
vV
h
g
en la que h: elevación correspondiente a la velocidad y cuya unidad es el metro. V: La velocidad en m/seg.
g: Aceleración debida a la gravedad e igual a 9.81 m/seg2.
1.3.1 Funcionamiento de las cubiertas
El impulsor de una bomba centrifuga descarga líquido a una velocidad que dependerá de la del impulsor y generalmente es una velocidad alta. El objeto de la cubierta de la bomba es reducir esta velocidad y convertir la energía cinética en energía de presión ya sea por medio de una voluta o un conjunto de alabes difusores.
Las bombas de voluta reciben este nombre debido a la forma al envolver al impulsor. Una bomba centrifuga del tipo difusor se ilustra en la figura 8, y en ella se puede observar que tiene la ventaja de balancear las reacciones radiales en el rotor, cosa que no sucede en las bombas de voluta sencilla; sin embargo, cuando la bomba no
. . . (1)
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trabaja a plena capacidad , el liquido en movimiento choca con los alabes fijos del difusor, ya que no se corresponden al Angulo de los alabes y el Angulo por el cual sale el liquido del impulsor, lo que produce turbulencias que reducen la altura total de elevación generada.
1.3.1. a.- Cubiertas divididas
Una cubierta dividida es la que está hecha de dos o más partes, y podemos tener: cubierta dividida axialmente y cubierta dividida radialmente.
a) Cubierta dividida axialmente.
Si las cubiertas divididas axialmente se sujetan a altas presiones, tienden a “soplar” por la junta de la división, lo que provoca escurrimientos; esto es posible evitarlo disminuyendo el espesor del empaque a medida que la presión aumenta y reforzando con costillas interiores y exteriores a la cubierta, así como también aumentando el diámetro y número de los tornillos que sujetan a las tapas entre sí. Este tipo de cubiertas se usa para presiones máximas de 112/kg/cm2 basadas en una operación de 3600 r.p.m.
Estas cubiertas divididas axialmente deberán de tener unas guías cónicas para poder armarlas con precisión después de haberlas abierto.
b) Cubiertas divididas radialmente.
Las cubiertas divididas radialmente se usan desde hace muchos años en bombas de varios pasos y se conocen con el nombre de “cubierta de anillos” o tipo “dona” y en ellas dos o más impulsores se metían dentro de un cuerpo en cuyo interior estaban colocados los alabes del difusor y los conductos del líquido para pasar del primer impulsor al segundo, tercero, etc.
En diseños posteriores, las secciones de cada uno de los pasos así como también las secciones de succión y descarga se mantenían unidas por medio de largos pernos que los atravesaban. En estas bombas se tiene problemas en el desarmado y armado ya que las secciones de succión y descarga tienen que abrirlas cada vez que se repara la bomba. Para resolver este problema se diseñó una bomba de doble cubierta, la cual mantuvo las ventajas del diseño de cubierta radialmente dividida y resolvió el problema de desarmarlas.
El principio básico de este diseño consiste en encerrar las partes móviles de una bomba centrifuga de varios pasos en una cubierta interior y construir una segunda cubierta alrededor de ella. El espacio entre las dos cubiertas se mantiene a la presión de descarga del último peso de la bomba.
El diseño de la cubierta interior puede ser axialmente dividida o radialmente dividida. Para evitar el escurrimiento, si la cubierta esta axialmente dividida, esta se encuentra
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encerrada en un barril solido de acero fundido o forjado en el quela presión del liquido es mayor que la presión interna promedio en la bomba, lo que hace que la cubierta interior esté sujeta a compresión y la unión axial permanezca apretada. La bomba de doble cubierta, con la interior radialmente dividida, es una bomba con cubierta de anillos, la que después de armada se coloca dentro de una cubierta de forma cilíndrica de acero forjado, en la que la succión y descarga forman una sola unidad con dicha cubierta y el conjunto interior de la bomba se puede sacar sin tener que desembridarla de la tubería.
Tiene la ventaja de tener todas las juntas de alta presión y entre pasos del tipo de anillo que es el que más fácilmente se mantiene apretado bajo altas presiones.
1.3.2 Impulsor
El impulsor es la parte vital de una bomba centrifuga pues hace girar la masa del liquido con la velocidad periférica de lo extremos de lo alabes determinando así la presión de trabajo de la bomba. En función de la entrada del líquido al impulsor, este se divide en:
a) Simple succión b) Doble succión
En el de simple succión, el líquido entra por un solo lado del impulsor como lo muestra la figura 9, mientras que en el de doble succión, el agua entra por dos lados o lo que es lo mismo son dos impulsores de una sola succión colocados uno contra el otro como se ve en la figura 10.
FIGURA 9.- Flujo en impulsor de simple succión.
FIGURA 10.- Flujo en impulsor de doble succión.
Para una bomba de un solo paso con cubierta axialmente dividida se prefiere un impulsor de doble succión ya que teóricamente se encontrara balanceado evitando la necesidad de utilizar un cojinete de carga axial.
Para bombas pequeñas con cubierta radialmente dividida, se prefiere un impulsor de una succión por ser más fácil de fabricar ya que es demasiado angosto y seria problemático, en un espacio tan pequeño, hacer dos entradas de líquido.
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FIGURA 11.- Diferentes tipos de impulsores En función del diseño mecánico, lo impulsores se dividen en:
a) Abiertos
b) Semi-Abiertos c) Cerrados
Un impulsor abierto es aquel que consta únicamente de los alabes que están sujetos a un cubo central que sirve para montar en la flecha.
Un impulsor semi-abierto es aquel que además de los álabes tiene una pared por un lado, lo que le da mayor resistencia.
El impulsor cerrado es aquel que consta de paredes laterales que encierran totalmente a los alabes, desde el ojo de la succión hasta la periferia.
1.3.3 Anillos de Desgaste.
Los anillos de desgaste son una junta de escape entre el impulsor y la cubierta; dependiendo de la parte en que se encuentra instalado el anillo de desgaste se denominará:
a).- Anillo de desgaste de la caja, carcasa o cubierta. b).- Anillo de desgaste del impulsor.
En las bombas, se puede tener anillos de desgaste de la caja, anillos de desgaste del impulsor o ambos anillos de desgaste.
Existen varios diseños para los anillos de desgaste y la selección del tipo más apropiado dependerá del líquido por manejar, la diferencia de presiones entre la junta de escurrimientos y el diseño de cada bomba. Los anillos de desgaste más comúnmente usados son los del tipo plano y los del tipo “L” ilustrados en la figura 12 y 13 respectivamente.
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FIGURA 12.- Anillos tipo plano. FIGURA 13.- Anillos tipo “L”.
Existen otros tipos de anillos de fricción cuyo uso es menos frecuente; ellos son los anillos del tipo de laberinto o también llamados anillos de interferencia y los anillos de escalón, los cuales se encuentran representados en las figura 14.
FIGURA 14.- Anillos de desgaste en laberinto.
Los anillos de desgaste lavados con agua a presión han tenido un gran auge en los últimos años. En ellos se lleva liquido limpio (a una presión mayor que la del lado de descarga de los anillos), por medio de una tubería y se distribuye a través de un orificio practicado en el anillo fijo.
Para que este lavado fuera ciento por ciento eficiente en bombas que mueven agua cruda para servicio o en aquellas que el líquido contiene arena, seria necesario que la cantidad de líquido inyectado fuera lo suficiente como para que llenara el espacio comprendido entre los dos anillos en toda su periferia. En la figura 15, puede verse una bomba con este tipo de anillo.
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FIGURA 15.- Anillo de escalón. FIGURA 16.- Anillo “lavado”
Tratándose de bombas verticales que manejan líquidos que contienen arena o mugre, este se queda en el espacio entre anillos cuando la maquina esta fuera de servicio y aun en lugares muy próximos a este espacio ya que es la parte mas baja de la bomba. Al arrancar la bomba toda esta mugre o arena es arrastrada dentro de los anillos causando desgaste. Para evitar este desgaste, en bombas medianas y grandes, se utiliza un anillo de tipo de retención como lo muestra la figura 16.
Los materiales de que están hechos estos anillos de desgaste son combinaciones de:
a) Bronce con otro bronce distinto. b) Hierro fundido con bronce. c) Acero con bronce.
d) Metal monel con bronce
e) Hierro fundido con hierro fundido
FIGURA 17.- Anillo de retención.
La tolerancia o espacio libre entre anillos normalmente viene dado por el fabricante de la bomba, ya que dependerán del material de que están hechos los anillos del líquido manejado, la temperatura y la viscosidad del líquido. Sin embargo podemos generalizar diciendo que el diámetro interior del anillo rozante de la caja es igual al diámetro exterior del anillo del impulsor mas 0.002 “por cada pulgada de diámetro.
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Esto quiere decir que si el diámetro exterior del anillo rozante del impulsor es de 3” deben dar 3.006” de diámetro interior al anillo de la caja; si el diámetro exterior es de 4” el diámetro interior debe ser de 4.008” si el diámetro exterior es de 5”, el diámetro interior debe ser de 5.010” y así sucesivamente.
Naturalmente, las recomendaciones del fabricante por lo que respecta al material y la tolerancia de los anillos rozantes deberán aceptarse como buenas.
1.3.4 Flechas
La función básica de la flecha de una bomba centrifuga es transmitir los movimientos que se presentan al arrancar y durante la operación mientras sostiene al impulsor y a todas sus partes giratorias de la misma.las fuerzas que actúan sobre las flechas son:
a) La torsión debida al movimiento que le proporciona la maquina motriz. b) El peso de las partes que van unidas a la flecha.
c) Las fuerzas hidráulicas como radiales como axiales.
Todas estas fuerzas deben de tomarse en cuenta para el diseño de una flecha, ya que la deformación de la flecha siempre debe ser menor al espacio libre más pequeño que haya entre las partes giratorias y las estacionarias.
FIGURA 18- Flecha de la bomba centrífuga. FLECHA
IMPULSOR
CARCAZA
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La mayoría de las flechas, se protegen contra la erosión, corrosión y desgaste por medio de mangas conocidas también con el nombre de lainas.
Como al meter estas mangas en flechas de bombas pequeñas se tienen varios problemas (entre los que destacan los de espacio suficiente) en este tipo de unidades se utilizan flechas de un material resistente a la corrosión y al desgaste, tal como el acero inoxidable.
1.3.5 Mangas en las flechas (Lainas).
La función más común de una manga de flecha es proteger a la flecha del desgaste producido por el empaque, el estopero o en el sello mecánico. Es por esto que las mangas de flecha que tienen otras funciones reciben nombre específicos para indicar un propósito. Así por ejemplo, una manga de flecha usada entre dos impulsores de una bomba de varios pasos, (junto con el casquillo o chumacera) para formar una junta de escurrimiento entre los pasos se llamara manga de entrepasos o manga reparadora.
Existen varias maneras de fijar las mangas exteriores en las bombas centrifugas y son:
a).- Con tuerca en la flecha que aprisiona la manga. Se evita la rotación de la manga con cuña que generalmente es prolongación de la cuña del impulsor (contacto directo de impulsor y manga).
b).- En forma similar ala anterior, solo que entre el impulsor y la manga existe una tuerca que oprime al impulsor, por lo quela cuña de la manga será una cuña independiente y la manga estará en contacto con la tuerca del impulsor.
c).- Manga con rosca interior. La rosca interior de esta manga, está hecha de tal manera que al rodar la bomba, la manga tendera a apretarse. Esta manga se enrosca en una cuerda que está hecha en la flecha. d).- Manga con rosca exterior. Para fijar esta manga es necesario tener
una tuerca fija en la flecha. Lo cual se hace por medio de un perno remachado que atraviesa tanto la tuerca como la flecha.
Con objeto de evitar el escurrimiento del líquido entre una manga exterior y la flecha es necesario colocar un empaque generalmente hecho de hule, teflón o aluminio. Los materiales de que están hechas las mangas de flecha deben de admitir un acabado muy fino, de preferencia un pulimento de espejo, porque en caso contrario, al estar en contacto con el empaque generara una gran fricción y aumento de temperatura.
Generalmente se hacen mangas de bronce duro, acero al cromo o aceros inoxidables, pero tratándose de condiciones muy severas, las mangas llevan un tratamiento de endurecimiento en el exterior.
