Los sellos de aire para bombas de refuerzo dobles, adaptados de la tecnología de sellos de aire para compresores, son cada vez más comunes en la industria de sellos para ejes. Estos sellos evitan la descarga del líquido bombeado a la atmósfera, reducen la resistencia por fricción en el eje de la bomba y funcionan con un sistema de soporte más sencillo. Estas ventajas se traducen en un menor costo total del ciclo de vida de la solución.
Estos sellos funcionan introduciendo una fuente externa de gas a presión entre las superficies de sellado interna y externa. La topografía particular de la superficie de sellado ejerce una presión adicional sobre el gas barrera, lo que provoca la separación de la superficie de sellado y su posterior flotación en la película de gas. Las pérdidas por fricción son mínimas, ya que las superficies de sellado dejan de estar en contacto. El gas barrera atraviesa la membrana a un caudal bajo, consumiéndose en forma de fugas, la mayoría de las cuales se filtran a la atmósfera a través de las superficies de sellado externas. El residuo se filtra en la cámara de sellado y finalmente es arrastrado por la corriente del proceso.
Todos los sellos herméticos dobles requieren un fluido presurizado (líquido o gas) entre las superficies interna y externa del conjunto del sello mecánico. Se requiere un sistema de soporte para suministrar este fluido al sello. En cambio, en un sello doble a presión lubricado con líquido, el fluido de barrera circula desde el depósito a través del sello mecánico, donde lubrica las superficies del sello, absorbe calor y regresa al depósito para disipar el calor absorbido. Estos sistemas de soporte para sellos dobles a presión de fluido son complejos. Las cargas térmicas aumentan con la presión y la temperatura del proceso y pueden causar problemas de fiabilidad si no se calculan y ajustan correctamente.
El sistema de soporte de doble sello neumático ocupa poco espacio, no requiere agua de refrigeración y necesita poco mantenimiento. Además, cuando se dispone de una fuente fiable de gas de protección, su fiabilidad es independiente de la presión y la temperatura del proceso.
Debido a la creciente adopción en el mercado de sellos de aire para bombas de doble presión, el Instituto Americano del Petróleo (API) añadió el Programa 74 como parte de la publicación de la segunda edición de la norma API 682.
74 Un sistema de soporte del programa consiste típicamente en un conjunto de manómetros y válvulas montados en panel que purgan el gas de barrera, regulan la presión aguas abajo y miden la presión y el flujo de gas hacia los sellos mecánicos. Siguiendo el recorrido del gas de barrera a través del panel Plan 74, el primer elemento es la válvula de retención. Esto permite aislar el suministro de gas de barrera del sello para el reemplazo del elemento filtrante o el mantenimiento de la bomba. A continuación, el gas de barrera pasa a través de un filtro coalescente de 2 a 3 micrómetros (µm) que atrapa líquidos y partículas que pueden dañar las características topográficas de la superficie del sello, creando una película de gas sobre dicha superficie. Posteriormente, se encuentran un regulador de presión y un manómetro para ajustar la presión del suministro de gas de barrera al sello mecánico.
Los sellos de gas para bombas de doble presión requieren que la presión de suministro del gas de barrera alcance o supere una presión diferencial mínima por encima de la presión máxima en la cámara de sellado. Esta caída de presión mínima varía según el fabricante y el tipo de sello, pero suele ser de aproximadamente 30 libras por pulgada cuadrada (psi). El interruptor de presión se utiliza para detectar cualquier problema con la presión de suministro del gas de barrera y activar una alarma si la presión cae por debajo del valor mínimo.
El funcionamiento del sello se controla mediante el flujo del gas de barrera utilizando un caudalímetro. Las desviaciones en los caudales de gas de sellado reportados por los fabricantes de sellos mecánicos indican una reducción en el rendimiento del sellado. La disminución del flujo del gas de barrera puede deberse a la rotación de la bomba o a la migración del fluido hacia la superficie del sello (proveniente del gas de barrera contaminado o del fluido del proceso).
A menudo, tras estos eventos, se producen daños en las superficies de sellado, lo que provoca un aumento del flujo de gas de barrera. Las sobrepresiones en la bomba o la pérdida parcial de la presión del gas de barrera también pueden dañar la superficie de sellado. Se pueden utilizar alarmas de alto flujo para determinar cuándo es necesario intervenir para corregir un flujo de gas elevado. El punto de ajuste para una alarma de alto flujo suele estar entre 10 y 100 veces el flujo normal de gas de barrera, y generalmente no lo determina el fabricante del sello mecánico, sino que depende de la cantidad de fuga de gas que la bomba puede tolerar.
Tradicionalmente se han utilizado caudalímetros de área variable, y es común conectar en serie caudalímetros de rango bajo y alto. En el caudalímetro de rango alto se puede instalar un interruptor de alto caudal para activar una alarma. Los caudalímetros de área variable solo se pueden calibrar para ciertos gases a determinadas temperaturas y presiones. En otras condiciones, como fluctuaciones de temperatura entre verano e invierno, el caudal mostrado no se considera un valor exacto, aunque se aproxima al valor real.
Con la publicación de la cuarta edición de la norma API 682, las mediciones de caudal y presión han pasado de analógicas a digitales con lecturas locales. Los caudalímetros digitales pueden utilizarse como caudalímetros de área variable, que convierten la posición del flotador en señales digitales, o como caudalímetros másicos, que convierten automáticamente el caudal másico en caudal volumétrico. La característica distintiva de los transmisores de caudal másico es que proporcionan salidas que compensan la presión y la temperatura para ofrecer un caudal real en condiciones atmosféricas estándar. La desventaja es que estos dispositivos son más caros que los caudalímetros de área variable.
El problema al usar un transmisor de flujo radica en encontrar uno capaz de medir el flujo del gas de barrera durante el funcionamiento normal y en los puntos de alarma de flujo elevado. Los sensores de flujo tienen valores máximos y mínimos que se pueden leer con precisión. Entre el flujo cero y el valor mínimo, la lectura del flujo de salida puede no ser precisa. El problema es que, a medida que aumenta el caudal máximo de un modelo de transductor de flujo en particular, también aumenta el caudal mínimo.
Una solución consiste en utilizar dos transmisores (uno de baja frecuencia y otro de alta frecuencia), pero esta opción es costosa. El segundo método consiste en utilizar un sensor de flujo para el rango de flujo operativo normal y un interruptor de alto flujo con un caudalímetro analógico de alto rango. El último componente por el que pasa el gas de barrera es la válvula de retención antes de que el gas de barrera salga del panel y se conecte al sello mecánico. Esto es necesario para evitar el reflujo del líquido bombeado hacia el panel y daños al instrumento en caso de perturbaciones anormales del proceso.
La válvula de retención debe tener una presión de apertura baja. Si la selección es incorrecta, o si el sello de aire de la bomba de doble presión tiene un flujo de gas de barrera bajo, se puede observar que la pulsación del flujo de gas de barrera es causada por la apertura y el cierre de la válvula de retención.
Generalmente, el nitrógeno de planta se utiliza como gas de protección debido a su fácil disponibilidad, inercia y a que no provoca reacciones químicas adversas en el líquido bombeado. También se pueden utilizar gases inertes no disponibles, como el argón. En los casos en que la presión del gas de protección requerida sea mayor que la del nitrógeno de planta, un presurizador puede aumentar la presión y almacenar el gas a alta presión en un depósito conectado a la entrada del panel Plan 74. No se recomienda el uso de botellas de nitrógeno, ya que requieren el reemplazo constante de cilindros vacíos por llenos. Si la calidad del sello se deteriora, la botella puede vaciarse rápidamente, lo que provoca la parada de la bomba para evitar daños mayores y la falla del sello mecánico.
A diferencia de los sistemas de barrera líquida, los sistemas de soporte Plan 74 no requieren proximidad a los sellos mecánicos. La única salvedad reside en la sección alargada del tubo de pequeño diámetro. Durante periodos de alto caudal (degradación del sello), puede producirse una caída de presión entre el panel Plan 74 y el sello en la tubería, lo que reduce la presión de barrera disponible para el sello. Aumentar el diámetro de la tubería puede solucionar este problema. Por lo general, los paneles Plan 74 se montan en un soporte a una altura conveniente para controlar las válvulas y leer los instrumentos. El soporte puede montarse en la placa base de la bomba o junto a ella sin interferir con la inspección y el mantenimiento de la misma. Evite riesgos de tropiezo en las tuberías que conectan los paneles Plan 74 con los sellos mecánicos.
Para bombas con cojinetes internos y dos sellos mecánicos, uno en cada extremo, no se recomienda usar un solo panel y una salida de gas de barrera independiente para cada sello. La solución recomendada es usar un panel Plan 74 independiente para cada sello, o un panel Plan 74 con dos salidas, cada una con su propio conjunto de caudalímetros e interruptores de flujo. En zonas con inviernos fríos, puede ser necesario proteger los paneles Plan 74 durante el invierno. Esto se hace principalmente para proteger el equipo eléctrico del panel, generalmente encerrándolo en un gabinete y agregando elementos calefactores.
Un fenómeno interesante es que el caudal del gas de barrera aumenta al disminuir la temperatura de suministro de dicho gas. Esto suele pasar desapercibido, pero puede hacerse evidente en lugares con inviernos fríos o grandes diferencias de temperatura entre verano e invierno. En algunos casos, puede ser necesario ajustar el punto de ajuste de la alarma de alto caudal para evitar falsas alarmas. Los conductos de aire del panel y las tuberías de conexión deben purgarse antes de poner en servicio los paneles Plan 74. Esto se logra fácilmente añadiendo una válvula de ventilación en la conexión del sello mecánico o cerca de ella. Si no se dispone de una válvula de purga, el sistema puede purgarse desconectando la tubería del sello mecánico y volviéndola a conectar después de la purga.
Tras conectar los paneles del Plan 74 a los sellos y comprobar que no haya fugas en todas las conexiones, se puede ajustar el regulador de presión a la presión establecida para la aplicación. El panel debe suministrar gas barrera presurizado al sello mecánico antes de llenar la bomba con el fluido de proceso. Los sellos y paneles del Plan 74 están listos para funcionar una vez finalizados los procedimientos de puesta en marcha y purga de la bomba.
El elemento filtrante debe inspeccionarse después de un mes de funcionamiento o cada seis meses si no se detecta contaminación. El intervalo de reemplazo del filtro dependerá de la pureza del gas suministrado, pero no debe exceder los tres años.
Durante las inspecciones rutinarias, se deben verificar y registrar los caudales de gas de barrera. Si la pulsación del flujo de aire de barrera causada por la apertura y el cierre de la válvula de retención es lo suficientemente grande como para activar una alarma de alto caudal, es posible que sea necesario aumentar estos valores de alarma para evitar falsas alarmas.
Un paso importante en el desmantelamiento es que el aislamiento y la despresurización del gas de protección deben ser el último paso. Primero, aísle y despresurice la carcasa de la bomba. Una vez que la bomba esté en condiciones seguras, se puede cortar la presión de suministro del gas de protección y eliminar la presión del gas de la tubería que conecta el panel Plan 74 con el sello mecánico. Drene todo el fluido del sistema antes de comenzar cualquier trabajo de mantenimiento.
Los sellos neumáticos de bomba de doble presión combinados con los sistemas de soporte Plan 74 proporcionan a los operadores una solución de sellado de ejes de cero emisiones, una menor inversión de capital (en comparación con los sellos con sistemas de barrera líquida), un coste de ciclo de vida reducido, un tamaño compacto del sistema de soporte y requisitos mínimos de mantenimiento.
Cuando se instala y se opera de acuerdo con las mejores prácticas, esta solución de contención puede proporcionar fiabilidad a largo plazo y aumentar la disponibilidad de los equipos rotativos.
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Mark Savage es gerente de grupo de productos en John Crane. Savage es licenciado en Ingeniería por la Universidad de Sídney, Australia. Para más información, visite johncrane.com.
Fecha de publicación: 8 de septiembre de 2022