Las empaquetaduras de cordón son una forma tradicional y aún popular de resolver construcciones de sellado dinámico. Este tipo de sello amortigua las fugas entre la parte móvil y la carcasa y es esencial para la eficiencia de mezcladores, bombas, válvulas y otros equipos industriales en movimiento rotativo.
Durante décadas, el material de sellado era simplemente una fibra vegetal saturada de grasa colocada en una prensaestopa entre la carcasa de la bomba y el eje giratorio. La ventaja de esta solución sigue siendo la simplicidad de la construcción y la señalización gradual del desgaste mediante el aumento de las fugas.
Los sistemas de bombeo modernos tienen una amplia gama de materiales para satisfacer los altos requisitos en términos de resistencia química, velocidad del eje, presión y temperatura. ¿Qué empaquetadura es la más adecuada para cumplir con las expectativas del usuario en determinadas condiciones de operación? ¿Cuál será la más económica? ¿Y cuál es la posibilidad de un trabajo largo e ininterrumpido? A continuación describimos brevemente los sellantes de alto rendimiento actuales que deben considerarse para la mayoría de las aplicaciones, así como los criterios de selección que deben aplicarse para tomar la mejor decisión posible.
Principales criterios de selección
Existen cuatro criterios principales para la selección de empaquetaduras: resistencia química o nivel de pH, velocidad lineal del eje, presión en el sistema de flujo, temperatura del medio. La empaquetadura está diseñada para compensar radialmente el espacio en el eje giratorio, controlando así las fugas del medio y previniendo la pérdida de fluidos procesados valiosos y emisiones innecesarias al medio ambiente. Un criterio adicional a considerar es el movimiento rotacional del eje. La rotación del eje genera cantidades significativas de calor debido a la fricción y puede causar un desgaste excesivo de los componentes de la caja de empaquetadura. Es importante seleccionar el tipo de empaquetadura que pueda soportar las condiciones de trabajo requeridas y sea resistente químicamente al medio de trabajo.
Temperatura máxima
En el caso de los sellos dinámicos, la consideración de la temperatura máxima es esencial para el rendimiento del sellante. La mayoría de los materiales tienen un coeficiente de fricción positivo de temperatura, lo que significa que cuando se supera una temperatura crítica, la fricción comienza a aumentar exponencialmente. Este fenómeno suele provocar sobrecalentamiento y quemado de las piezas de la máquina y, en el caso de los sellos, carbonización y pérdida de propiedades de sellado. La temperatura del medio tampoco es la misma que la temperatura de la empaquetadura, ya que la prensaestopa opera a una temperatura más alta debido a la fricción. Se asume un margen de seguridad de al menos +50°C para bombas centrífugas que operan sin un sistema de enfriamiento adicional. Una buena solución es el uso de materiales resistentes al quemado, basados en grafito y fibras de carbono. El problema de la temperatura también puede resolverse estructuralmente mediante un sistema adicional de enjuague de sellado. Sin embargo, no cambia el hecho de que la selección de la empaquetadura en términos de rango de temperatura es de importancia clave y su omisión puede llevar a una falla inmediata del dispositivo.
Presión y el coeficiente pV
La estructura suave del material de sellado no se degrada bajo la influencia de un solo factor, es decir, la presión. En sellantes dinámicos, es decir, sellos de prensaestopa de bomba y válvula, el desgaste del sellante se debe generalmente a la fricción. Esta fricción es el resultado de la acción simultánea del movimiento y la presión en el punto de trabajo. Con cierta aproximación, podemos suponer que la tasa de desgaste del sello dinámico es directamente proporcional al producto de la velocidad lineal VL y la presión del medio p e inversamente proporcional a un cierto factor de carga dinámica pV, característico para un material dado. El factor pV es el producto de la presión y la velocidad lineal que pueden ocurrir simultáneamente en un sello que utiliza este material. El parámetro pV caracteriza los materiales de sellado en términos de resistencia a la abrasión y generalmente no especifica los rangos de presión permisibles, que dependen en gran medida del diseño de las prensaestopas mismas, pero indica en qué presiones p y velocidades del eje V el material de sellado tendrá una vida útil comparable. Por lo tanto, al evaluar la idoneidad de una empaquetadura para aplicaciones dinámicas, es bueno comparar los factores de carga dinámica - pV - y no solo las presiones de funcionamiento permisibles.
Nivel de pH
Para asegurar que la empaquetadura no se degrade debido a la acción química del medio bombeado o los fluidos utilizados para el enjuague o la limpieza del sistema, se debe determinar el rango de pH máximo al que la empaquetadura puede estar expuesta. Como sabemos, los materiales de fibra, especialmente las fibras naturales, se degradan rápidamente bajo la influencia de líquidos corrosivos, es decir, en ambientes ácidos o alcalinos. Por lo tanto, determinar el rango de pH al que estará expuesto el sello es crucial para su durabilidad. Es una buena práctica utilizar materiales con un rango completo de pH de 0 a 14, lo que excluye las fibras naturales, por supuesto, pero aún deja mucho espacio de material para elegir y garantiza un gran margen de seguridad.
Velocidad del eje
El movimiento entre el eje y la empaquetadura puede provocar desgaste de dos formas; por abrasión del material sellante y por la generación de calor por fricción y, por lo tanto, degradación térmica de la empaquetadura. Estos fenómenos se intensifican con el aumento de la velocidad lineal del eje; por lo tanto, es de suma importancia determinar las condiciones de trabajo de la empaquetadura. La mayoría de los fabricantes de bombas y equipos especifican la velocidad del eje en movimiento rotativo, determinando el número de revoluciones por minuto (rpm). Para calcular la velocidad lineal entre el eje y la empaquetadura, utilice esta fórmula simple: diámetro del eje x 3.14 x rpm; para obtener un resultado conforme al SI en m/s, los valores en metros deben usarse para el cálculo y el resultado debe dividirse por 60.
El calor de fricción se genera cuando el sello se presiona contra la superficie externa de la camisa del eje giratorio para formar un sello. La mayor velocidad lineal permitida de la empaquetadura se debe a su menor coeficiente de fricción y buena impregnación, así como a una mayor resistencia térmica de la empaquetadura en sí misma. Además, los materiales homogéneos como el grafito expandido y el PTFE son mejores para mantener la película lubricante en la superficie de la camisa que los materiales fibrosos. En el caso de los prensaestopas de válvulas, el parámetro de velocidad lineal no es muy importante, mientras que en las bombas, especialmente en las bombas centrífugas, es crucial para la vida útil del sello. Por lo tanto, al evaluar la empaquetadura para bombas, se debe prestar especial atención a este parámetro, cuanto mejor sea, más larga se puede esperar que sea la operación de la empaquetadura. Se puede suponer que la empaquetadura de prensaestopas destinada a bombas centrífugas debe cumplir con la condición de la velocidad lineal en el nivel de 15 m/s.
Criterios secundarios
Desafortunadamente, estos no son todos los criterios que deben considerarse antes de elegir la empaquetadura de glándula adecuada. Todavía hay temas importantes a considerar en relación con el estado y el diseño del equipo a sellar, condiciones higiénicas, riesgo de contaminación del medio y cuestiones económicas.
Estado del equipo
Se debe prestar atención a cualquier deficiencia de las piezas mecánicas. Los problemas más comunes son el desgaste y la desviación del eje, pero también se debe inspeccionar la glándula para ver su condición superficial y corrosión. La condición y suavidad de la superficie del eje es de suma importancia para el funcionamiento adecuado de la empaquetadura y permite lograr una estanqueidad satisfactoria incluso a presiones más bajas de la glándula, lo que tiene un impacto clave en el nivel de fricción en la brecha de trabajo, la temperatura y la tasa de desgaste de la empaquetadura.
Sistema de enjuague o flushing
El diseño de la propia prensaestopas, como la presencia de anillos de espaciado, sistemas de enjuague, sistemas de refrigeración o líquidos de barrera, también es un tema importante en la selección de empaquetaduras. Estos sistemas protegen el sello contra partículas abrasivas, reducen la fricción y la temperatura y, por lo tanto, prolongan la vida útil del sello varias veces. El uso de una empaquetadura de alto rendimiento también ahorra una cantidad significativa de agua de enjuague utilizada en estos sistemas. Las prensaestopas con un anillo de espaciado pueden incluso funcionar sin fugas, siempre que se seleccione adecuadamente la presión intermedia y se aplique una empaquetadura de grafito desde el lado atmosférico.
Cuestiones económicas
La variedad de materiales que se pueden utilizar en la construcción de empaquetaduras es enorme, al igual que la gran dispersión de precios de estos materiales. La empaquetadura hecha de cuerda de cáñamo saturada de grasa puede ser 10 veces más barata que la empaquetadura basada en fibras de carbono de alta calidad. Sin duda, el éxito está garantizado por la elección correcta de la empaquetadura en términos de condiciones de trabajo, pero también es necesario tener conocimiento y experiencia propia sobre cómo funcionan las soluciones individuales en una aplicación determinada. Un material más caro no garantizará una vida útil más larga del sello, la base es realizar una prueba práctica. Ciertamente, el cálculo debe tener en cuenta los costos de tiempo de inactividad y reemplazo de la empaquetadura, que a menudo pueden superar el costo de compra incluso de la empaquetadura de cordón.
