La guía esencial para sellos de gas seco: estructura y función

I. Introducción

El sellado con gas seco es un nuevo tipo de sello de eje sin contacto desarrollado a partir de rodamientos lubricados por gas a finales de la década de 1960, siendo los sellos de ranura en espiral el ejemplo más típico.

Después de años de investigación, John Crane Company en Estados Unidos fue la primera en introducir productos de sellado de gas seco para uso industrial.

La práctica ha demostrado que los sellos de gas secos ofrecen muchas ventajas sobre los sellos de contacto mecánicos convencionales. Se utilizan principalmente en ductos, plataformas marinas, refinerías e industria petroquímica, aptos para cualquier sistema de transmisión de gas.

Dado que los sellos de gas seco son sellos sin contacto que no están limitados por el valor PV, son especialmente adecuados para compresores centrífugos grandes en condiciones de alta velocidad y alta presión. La llegada de los sellos de gas secos representa un avance revolucionario en la tecnología de sellado, ya que resuelve los desafíos del sellado de gas sin las limitaciones del aceite lubricante para sellos.

Además, los sistemas de control de gas necesarios son mucho más sencillos que los sistemas de aceite de las juntas de película.

Además, la aparición de los sellos de gas seco ha cambiado los conceptos de sellado tradicionales, integrando orgánicamente la tecnología de sello de gas seco con los principios de sellado de barrera.

El nuevo concepto de “utilizar gas como sellador” reemplaza el concepto tradicional de “sellado líquido, gas o líquido”, garantizando cero fugas de cualquier medio sellante. Esto hace que los sellos de gas seco sean ampliamente aplicables en el campo de los sellos de eje de bombas.

La siguiente tabla compara las tasas de fuga de los sellos de gas seco del compresor con otros sellos comunes:

Tipo de sello parámetro Tasa de fuga (Nm 3 /min)
Sello de lubricación de gas Sello de gas seco Profundidad de ranura 5 µm 0.025
Sello de anillo de carbono Cuatro grupos, 10 mm de ancho con una separación de 0,05 mm 0,37
Sello laberíntico Número de dientes 15 1,82
Sello de película de aceite Cantidad de fuga de aceite del sello
Fin del medio (L/min) Extremo atmosférico (L/min)
Sello de anillo flotante 2 grupos, cada uno de 20 mm de ancho, con un espacio de 0,05 mm 0,12 0,6
sello mecánico Espesor de la película de aceite 1 µm 0.0012 0.0017

Condiciones de prueba para la unidad experimental: diámetro del eje de 140 mm, velocidad de 5.000 rpm, presión del gas de proceso de 0,6 MPa y presión del aceite (gas) de sellado de 0,75 MPa.

En comparación con los sellos mecánicos de contacto convencionales, los sellos de gas seco ofrecen las siguientes ventajas principales:

  1. Eliminación del sistema de aceite de sello y la carga de energía adicional requerida para operarlo.
  2. Reducción significativa de los costes de mantenimiento no planificados y del tiempo de inactividad de la producción.
  3. Prevención de la contaminación de gases de proceso por petróleo.
  4. Fuga mínima de gas de sellado.
  5. Bajos costos de mantenimiento y buena practicidad económica.
  6. Bajo consumo de energía para la operación de sellado.
  7. Larga vida útil del sello y funcionamiento confiable.

II. Principio de funcionamiento de los sellos de gas seco.

En comparación con otros sellos mecánicos, los sellos de gas seco tienen una estructura fundamentalmente similar. La principal diferencia es que la junta tórica de un sello de gas seco tiene ranuras poco profundas distribuidas uniformemente. Estas ranuras permiten que el sello funcione sin contacto, generando un efecto de presión fluidodinámica durante la rotación, separando las superficies de sellado.

Las formas de las ranuras en la cara del extremo de sellado de los sellos de gas seco se clasifican principalmente en tipos unidireccionales y bidireccionales.

Formas de ranura en la cara final de sellado de sellos de gas secos.

Las ranuras unidireccionales se utilizan con mayor frecuencia en las unidades compresoras actuales. Sólo pueden utilizarse en unidades con rotación unidireccional, generando fuerza de apertura en la dirección deseada; si se invierte, la fuerza de apertura negativa puede dañar el sello.

Sin embargo, en comparación con las ranuras bidireccionales, pueden generar mayores fuerzas de apertura y rigidez de la película de gas, ofreciendo una mayor estabilidad y una prevención más confiable del contacto final y, por lo tanto, pueden usarse a velocidades muy bajas y bajo vibraciones significativas.

Ranuras bidireccionales

También son comunes los surcos bidireccionales. Este tipo de ranura no tiene requisitos direccionales y es adecuado para rotaciones hacia adelante y hacia atrás sin dañar el sello. Su rango de aplicación es más amplio que el de los surcos unidireccionales, pero su estabilidad y resistencia a las interferencias son inferiores.

A través de experimentos repetidos y estudios comparativos sobre varios tipos de ranuras de sello de gas seco, se ha confirmado que el diseño de ranura helicoidal ofrece la mayor rigidez de la película de gas con fugas mínimas, logrando la mejor tasa de fuga. A continuación se muestra una introducción detallada a este tipo de ranura.

El siguiente diagrama ilustra un sello de gas seco típico con ranuras helicoidales en la superficie de sellado, de menos de 10 micrómetros de profundidad. Cuando el sello funciona, el gas sellado es aspirado tangencialmente hacia las ranuras helicoidales, moviéndose radialmente desde el diámetro exterior hacia el centro (es decir, el lado de baja presión), lo que impide que el sello del sello fluya hacia el lado de baja presión.

El gas se comprime a medida que avanza a lo largo de la forma transversal variable de las ranuras helicoidales, creando un área localizada de alta presión en la raíz de la ranura, separando las caras extremas unos pocos micrómetros para formar una película de gas de cierto espesor. .

Bajo este espesor de película de gas, la fuerza de apertura generada por la acción de la película de gas se equilibra con la fuerza de cierre generada por el resorte y las fuerzas medias, permitiendo que el sello funcione sin contacto. La película de gas formada entre las superficies de sellado del sello de gas seco tiene una cierta rigidez positiva, lo que garantiza la estabilidad del funcionamiento del sello. Para obtener el efecto de presión fluidodinámico requerido, las ranuras de presión dinámica deben estar situadas en el lado de alta presión.

Fuerzas que actúan sobre un sello de gas seco con ranura helicoidal.

El diagrama anterior muestra las fuerzas que actúan sobre un sello de gas seco con ranura helicoidal, lo que ilustra cómo la rigidez de la película de gas garantiza un funcionamiento estable del sello. En condiciones normales, la fuerza de cierre del sello es igual a la fuerza de apertura.

Cuando ocurren perturbaciones externas (por ejemplo, fluctuaciones operativas o de proceso), que conducen a una disminución en el espesor de la película de gas, la fuerza de corte viscosa del gas aumenta, aumentando el efecto de presión fluidodinámica generado por las ranuras helicoidales, aumentando así la presión de la película de gas y abriéndose. forzar a mantener el equilibrio de fuerzas y restaurar el sello a su espacio original; por el contrario, si se altera el sello y aumenta el espesor de la película de gas, el efecto de presión dinámica generado por las ranuras helicoidales se debilita, reduciendo la presión de la película de gas y la fuerza de apertura, permitiendo que el sello regrese a su espacio original.

Por lo tanto, siempre que esté dentro del rango de diseño, cuando se eliminan las perturbaciones externas, el sello siempre puede volver a su espacio de trabajo diseñado, lo que significa que el sello de gas seco tiene una función de autoajuste que garantiza un funcionamiento estable y confiable.

El principal indicador de la estabilidad del sello es la rigidez de la película de gas generada, que es la relación entre el cambio en la resistencia de la película de gas y el cambio en el espesor de la película de gas. Cuanto mayor sea la rigidez de la película de gas, mayor será la resistencia a la interferencia del sello y más estable será su funcionamiento.

III. Estructuras típicas de sello de gas seco

Existen diferentes formas estructurales generales de sellos de gas secos, adecuadas para diversas condiciones de trabajo. En la práctica, los sellos de gas seco utilizados en compresores centrífugos incluyen principalmente las cuatro estructuras siguientes:

  1. Sello de una cara
Sello de una cara

El sellado unilateral se utiliza principalmente para gases no peligrosos, es decir, situaciones en las que se permite una pequeña fuga del gas medio a la atmósfera. El gas utilizado para sellar es el propio gas de proceso. Este tipo se utiliza comúnmente en unidades importadas nacionalmente, como los compresores de dióxido de carbono.

  1. Sello en tándem
Sello en tándem

El sello de gas seco en tándem es una estructura de sellado con alta confiabilidad operativa, que normalmente se aplica donde se permite una pequeña fuga del gas medio a la atmósfera. Se utiliza ampliamente en las unidades introducidas de empresas petroquímicas.

Un sello de gas seco en tándem puede considerarse como dos o más conjuntos de sellos de gas seco conectados en la misma dirección, de extremo a extremo. De manera similar a la estructura de una sola cara, el gas de sellado es el propio gas de proceso. Normalmente, se utiliza una estructura de dos etapas donde la primera etapa (sello primario) soporta la carga completa y la otra etapa sirve como sello de respaldo sin caída de presión en el soporte.

El gas de proceso que se escapa del sello primario se introduce en un quemador para su combustión. Una cantidad muy pequeña de gas de proceso no quemado se escapa a través del sello secundario y se ventila de forma segura.

Si el sello primario falla, el sello secundario actúa como un sello de seguridad auxiliar, evitando fugas masivas del medio del proceso a la atmósfera.

  1. Valla Tándem con Laberinto Intermedio
Valla Tándem con Laberinto Intermedio

Cuando no se permite la fuga del medio de proceso a la atmósfera, ni la fuga de gas amortiguador al medio de proceso, se puede agregar un sello laberíntico intermedio entre las dos etapas de una estructura en tándem.

Esta estructura se utiliza para gases inflamables, explosivos y peligrosos, evitando fugas externas. Los ejemplos incluyen compresores de H2, compresores de gas natural con alto contenido de H2S, compresores de etileno, propileno y amoníaco.

Además del gas de proceso, esta estructura también requiere una ruta adicional de gas nitrógeno como gas de sellado para el sello secundario. El gas de proceso que se escapa del sello primario se introduce en su totalidad en una antorcha para su combustión con gas nitrógeno.

Todos los gases que se escapan a la atmósfera a través del sello secundario son nitrógeno. Si el sello primario falla, el sello secundario también sirve como sello de seguridad auxiliar. Esta estructura es relativamente compleja, pero debido a su mayor confiabilidad, se ha convertido en la configuración estándar en sellos de eje de compresores centrífugos de media y alta presión.

  1. Sello de doble cara
Sello de doble cara

Un sello de doble cara equivale a dos sellos de un solo lado dispuestos uno frente al otro, a veces compartiendo un anillo giratorio. Es adecuado para condiciones sin sistemas de quema, donde se permite una pequeña fuga de gas de sellado a mitad del proceso. La introducción de gas nitrógeno entre los dos juegos de sellos forma un sistema de sello de bloqueo confiable.

La presión del gas nitrógeno se controla para mantener siempre un nivel ligeramente superior a la presión del gas de proceso (0,2-0,3 MPa), asegurando que la dirección de la fuga de gas sea siempre hacia el medio de proceso y la atmósfera, evitando así la fuga de gas de proceso. a la atmósfera. La estructura de sellado de doble cara se utiliza principalmente para gases tóxicos, inflamables y explosivos a baja presión.

4. Descripción general del diseño del sello de gas seco

Los sellos de gas seco funcionan con caras sin contacto durante la operación, pero se produce un contacto breve durante las fases de arranque y parada, lo que requiere el uso de materiales resistentes al desgaste para las superficies de contacto.

Los materiales para los pares de fricción en sellos de gas secos generalmente incluyen materiales con bajos coeficientes de expansión térmica, alto módulo de elasticidad, resistencia a la tracción, conductividad térmica y dureza, como SiC o carburo cementado para la cara dura, y grafito impregnado o SiC para la cara blanda. rostro. Las ranuras dinámicas generalmente se mecanizan en la superficie del anillo dinámico.

Debido a que la estructura de los sellos secos de gas no es significativamente diferente de la de los sellos mecánicos convencionales, el diseño de los sellos secos de gas se centra principalmente en los parámetros de las formas de las ranuras en las caras del sello. La base teórica de los sellos de gas secos se basa en los principios de los cojinetes axiales de ranura en espiral, adhiriéndose a la ecuación de Reynolds y las ecuaciones de Navier-Stokes.

Nuestra empresa emplea el método de elementos finitos para cálculos numéricos, con software patentado desarrollado internamente para calcular la distribución de presión de la película de gas en la superficie de sellado ranurada en espiral, determinando además la capacidad de carga, la rigidez de la película de gas y la tasa de fuga de gas del material seco. gas. estampilla.

La estabilidad y confiabilidad del funcionamiento del sello de gas seco dependen de la rigidez de la película de gas sobre la superficie de sellado. El impacto de los parámetros del proceso y de los parámetros estructurales de las ranuras en espiral sobre el rendimiento del sellado se refleja principalmente en su efecto sobre la rigidez de la película de gas; cuanto mayor sea la rigidez, mejor será la estabilidad del sello.

Además de considerar la rigidez de la película de gas, nuestra empresa también se centra en la tasa de fuga del sello, buscando la mayor relación rigidez/fuga posible. Esto significa que el sello tiene alta rigidez y bajas tasas de fuga. Sólo los sellos de gas secos con una máxima relación rigidez-fuga y una rigidez significativa de la película de gas pueden garantizar un funcionamiento óptimo, estable y a largo plazo.

Los parámetros estructurales de las ranuras en espiral que afectan la rigidez de la película de gas incluyen la profundidad de la ranura, el ángulo de la espiral, el número de ranuras, la relación entre el ancho de la ranura y el ancho del vertedero y la relación entre la longitud de la ranura y la longitud de la presa, requiriendo optimización mediante software especializado. Los parámetros del proceso que afectan la rigidez de la película de gas incluyen:

  1. Viscosidad del gas amortiguador: la viscosidad del gas amortiguador afecta significativamente la rigidez de la película de gas; Una mayor viscosidad da como resultado efectos hidrodinámicos más fuertes y una mayor rigidez.
  2. Temperatura del gas de sellado: la viscosidad del gas varía con la temperatura; temperaturas más altas dan como resultado viscosidades más altas y una mayor rigidez de la película de gas.
  3. Velocidad de sellado: Las velocidades más altas mejoran los efectos hidrodinámicos, aumentando la rigidez de la película de gas. Idealmente, sin considerar los impactos del mecanizado del sello y la precisión de la instalación, las velocidades más altas mejoran la estabilidad del sello de gas seco sin estar limitadas por el valor PV del sello mecánico, lo que hace que los sellos de gas seco sean particularmente adecuados para aplicaciones de alta velocidad.
  4. Diámetro de la cara del sello: A la misma velocidad, un diámetro de sello mayor da como resultado una velocidad lineal más alta y una mayor rigidez de la película de gas.
  5. Presión del gas amortiguador: la presión del gas amortiguador tiene un impacto mínimo en la rigidez de la película de gas; generalmente, presiones más altas aumentan ligeramente la rigidez.

V. Sistema de control de sello de gas seco

Para garantizar la confiabilidad de las operaciones de sellado de gas seco, cada conjunto está equipado con un sistema de monitoreo y control correspondiente. Este sistema mantiene el sello funcionando en su estado ideal de diseño. Si el sello falla, el sistema activa rápidamente una alarma, lo que permite al personal de mantenimiento resolver el problema de inmediato.

Aquí presentaremos un sistema típico de sellado de gas seco en tándem.

El siguiente diagrama esquemático ilustra el sistema. En condiciones normales, se toma un flujo de gas desde la salida de la unidad, pasando por dos etapas de filtración (con una precisión de 3μm), dando como resultado un gas seco y limpio. Este gas sirve como amortiguador para el sello de gas seco, ingresando a la cámara del sello.

La presión se controla para que esté ligeramente por encima de la presión del gas de proceso de referencia durante las operaciones normales (normalmente 50 KPa), evitando que impurezas como el polvo y el aceite condensados ​​en el gas de proceso sin refinar entren en la cara del sello, lo que podría afectar negativamente el rendimiento del sello de gas seco. El sistema emplea un transmisor de presión diferencial para medir la diferencia de presión entre el gas tampón y el gas de referencia.

La señal controla una válvula reguladora de diafragma neumática ubicada en la entrada del gas buffer, ajustando la presión de entrada para mantener una presión diferencial constante con el gas de referencia. La mayor parte del gas amortiguador que ingresa a la cámara de sellado regresa al gas de proceso a través de un sello laberíntico.

Sistema de control de sello de gas seco

Una pequeña porción se escapa a través del sello de gas seco de la primera etapa, lo que se conoce como fuga de gas de la primera etapa. La mayor parte se quema de forma segura en una bengala.

Una película de gas estable, esencial para un funcionamiento óptimo a largo plazo, sólo puede formarse bajo la diferencia de presión correcta. El sistema logra esto instalando una válvula de mariposa en la salida de gas de fuga de la primera etapa, ajustando la apertura de la válvula para generar la contrapresión adecuada. Esta válvula también sirve para limitar las fugas si falla el sello de la primera etapa.

Además, se introduce gas nitrógeno como gas aislante a través de un filtro y una válvula reductora de presión en una junta laberíntica posterior. Su presión es ligeramente mayor que la presión de aceite de la carcasa del cojinete (generalmente presión atmosférica), lo que crea un sistema de sello de bloqueo confiable.

Esto garantiza que el aceite lubricante de la carcasa del cojinete no entre en el sello de gas seco y evita que el gas de proceso residual contamine el aceite lubricante en el área del cojinete.

Una porción del gas aislante ingresa a la carcasa del cojinete, mientras que el resto se mezcla con la pequeña cantidad de gas de proceso no quemado del gas de fuga de la primera etapa, conocido como gas de fuga de la segunda etapa. Este puede liberarse de forma segura a la atmósfera como un gas inofensivo para el medio ambiente.

El método principal para determinar si el sello funciona correctamente es monitorear la fuga de gas de la primera etapa. Si ocurre una anomalía, la presión y el flujo del sello de gas seco de la primera etapa aumentarán significativamente.

Si alcanza un valor de alarma alto predeterminado, un transmisor de presión envía una señal a la sala de control, lo que activa una señal de alarma. Esto alerta a los operadores para que verifiquen que la presión del sistema de control esté dentro del rango de diseño.

Cuando la cantidad de fuga de gas alcanza un valor de alarma extremadamente alto, indica que el sello de gas seco ha fallado, lo que provoca que el sistema se apague para evitar daños al equipo.

SIERRA. Precauciones de instalación del sello de gas seco

Los sellos de gas seco son componentes de alta precisión que requieren especial atención durante la instalación, desmontaje y uso. Generalmente se recomiendan las siguientes precauciones:

  1. Los fabricantes no especializados no deben desmontar los sellos debido a sus complejas relaciones de montaje, altos requisitos de limpieza, herramientas de montaje especializadas y necesidad de un equilibrio dinámico preciso.
  2. El transporte, instalación y desmontaje requieren el uso de placas de posicionamiento.
  3. La posición relativa de la cavidad y el eje requiere una gran precisión; Confirme las dimensiones relevantes de antemano y ajústelas con cuñas si es necesario.
  4. Durante la instalación, mantenga la concentricidad del rotor y la carcasa asegurando el rotor en su lugar.
  5. Normalmente, comience instalando el extremo de la placa de empuje para garantizar un posicionamiento preciso del sello en el otro extremo.
  6. Limpie minuciosamente la cámara de sellado y todas las tuberías de entrada y salida, asegurando un mayor nivel de limpieza que las tuberías de aceite.
  7. No utilice grasa para lubricación; use grasa de silicona en su lugar.
  8. Después de instalar el sello en la unidad y retirar las placas de posicionamiento, asegúrese de que el desplazamiento axial del rotor no supere los 2 mm.

VII. Mantenimiento durante la operación del sello de gas seco

Los sellos de gas seco, diseñados para una amplia gama de aplicaciones, normalmente no requieren mantenimiento en condiciones normales.

Sin embargo, es esencial controlar diariamente las fugas en los sellos. Un aumento en las fugas puede indicar una posible falla del sello y se debe prestar atención a los siguientes aspectos:

  1. Los sellos de gas seco con ranura helicoidal están diseñados para rotación unidireccional, por lo que se debe evitar la rotación inversa. Además, operar a bajas velocidades, por debajo de 5 metros por segundo, durante períodos prolongados puede dañar el sello.
  2. Asegure un flujo estable de gas sellador. Mantener un flujo de gas de sellado constante e ininterrumpido es crucial para el funcionamiento normal de los sellos de gas secos.
  3. Evite operar el sello bajo presión negativa. La presión negativa en los sellos de doble cara puede aumentar significativamente las fugas en condiciones estáticas y dañar las caras de sellado en condiciones dinámicas. En el caso de los sellos en tándem, esto puede provocar contaminación por gas de proceso sin filtrar, lo que provoca una rápida falla del sello.
  4. Monitorear los cambios en las fugas del sello. Las variaciones de las fugas reflejan directamente el estado operativo del sello de gas seco. Factores como las fluctuaciones en el gas de proceso, el movimiento del eje, las oscilaciones y los cambios de presión, temperatura y velocidad pueden afectar las fugas. El funcionamiento normal está indicado por tasas de fuga estables; una tendencia ascendente sugiere un mal funcionamiento del sello.
  5. Cuando la presión diferencial del filtro alcance el valor de alarma, cambie los filtros y reemplace el elemento filtrante inmediatamente.
  6. Al arrancar la unidad, espere hasta que el gas de barrera del sistema de control del sello de gas seco haya acumulado suficiente presión antes de arrancar el sistema de lubricación con aceite.
  7. Al apagar la unidad, espere hasta que la unidad se haya detenido por completo y durante más de 10 minutos después de que el sistema de aceite se haya detenido antes de apagar el sistema de control del sello de gas seco.

VIII. Condiciones requeridas para aplicaciones de modernización de sellos de gas seco

Después de extensas investigaciones y pruebas, los sellos de gas seco se han adoptado ampliamente en aplicaciones industriales. Las crecientes demandas de eficiencia energética, reducción del consumo y protección ambiental de la industria moderna han hecho que la confiabilidad, las fugas mínimas, la longevidad y el funcionamiento estable de los sellos del eje en los compresores centrífugos, que transportan grandes volúmenes de gases peligrosos, sean una necesidad.

En comparación con los sellos de contacto mecánicos convencionales, los sellos de gas seco ofrecen ventajas incomparables: mayor vida útil, ausencia de fugas del medio de proceso y menores costos de mantenimiento. Estos beneficios están en línea con los objetivos que persiguen los distintos tipos de sellos de eje.

Los sellos de gas seco se pueden adaptar y aplicar con éxito a compresores centrífugos, bombas centrífugas, reactores y otros equipos, siempre que se cumplan las dos condiciones siguientes:

  1. El requisito básico para el funcionamiento de los sellos de gas secos es la disponibilidad de una fuente de gas en el sitio. La fuente de gas puede ser un gas de proceso o un gas inerte respetuoso con el medio ambiente, como el nitrógeno, procedente del interior de la planta o de un generador de nitrógeno exclusivo.
  2. El lugar de instalación del sello del eje debe tener suficiente espacio axial y radial y aberturas adecuadas.

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