O que é um selo mecânico de alta pressão

O que é um selo mecânico de alta pressão

Um selo mecânico de alta pressão é um componente crítico em máquinas que operam sob condições de pressão extrema, normalmente acima de 50 bar (725 psi). Estes vedantes são concebidos para evitar fugas de fluidos ou gases do equipamento, ao mesmo tempo que suportam as imensas forças geradas por ambientes de alta pressão.

A principal função de um selo mecânico de alta pressão é manter uma barreira segura entre o fluido do processo e a atmosfera, mesmo sob as condições mais exigentes. Estes vedantes são constituídos por dois componentes principais: uma parte estacionária (estator) e uma parte rotativa (rotor), que são pressionadas em conjunto por uma combinação de forças hidráulicas e de molas. As faces de vedação são normalmente feitas de materiais duros e resistentes ao desgaste, como carboneto de silício, carboneto de tungsténio ou cerâmica, que podem suportar as elevadas pressões e temperaturas encontradas nestas aplicações.

Como funcionam os selos mecânicos de alta pressão

O princípio de funcionamento dos selos mecânicos de alta pressão baseia-se na criação de uma fina película de fluido entre as faces estacionárias e rotativas do selo. À medida que o eixo roda, os anéis de vedação são pressionados em conjunto por uma combinação de força de mola e pressão hidráulica do fluido do processo. Esta pressão faz com que uma pequena quantidade do fluido do processo vaze entre as faces do selo, criando uma película de fluido fina e estável que lubrifica e resfria as faces, evitando mais vazamentos.

A película de fluido entre as faces do vedante é mantida por um equilíbrio delicado entre a pressão hidráulica, a força da mola e a geometria precisa das faces do vedante. As faces do vedante são polidas com uma planicidade muito elevada, normalmente dentro de 2-3 bandas de luz de hélio (0,22-0,33 ¦Ìm), para assegurar um contacto uniforme e minimizar as fugas. O anel de vedação rotativo é normalmente montado no eixo com um fole flexível ou outro elemento de vedação secundário, que acomoda pequenos desalinhamentos do eixo e movimentos axiais, mantendo a vedação.

Que tipo de vedante mecânico é utilizado para aplicações de alta pressão

Cara a cara

Numa disposição face-a-face, dois selos mecânicos são instalados com as suas faces de vedação orientadas uma para a outra. Esta disposição é normalmente utilizada em aplicações de alta pressão porque equilibra as forças hidráulicas que actuam nas faces do vedante, reduzindo a força de fecho líquida e a geração de calor. Os selos face-a-face também proporcionam um grau de redundância, uma vez que o segundo selo pode atuar como reserva se o selo primário falhar.

De trás para a frente

Os selos back-to-back são dispostos com as suas faces de vedação orientadas para longe uma da outra, com o espaço entre os selos tipicamente preenchido com um fluido tampão a uma pressão superior à do fluido do processo. Esta disposição é utilizada quando o fluido do processo é perigoso, tóxico ou sensível ao ambiente, uma vez que qualquer fuga do vedante primário é contida pelo fluido tampão e pelo vedante secundário. Os selos back-to-back requerem um sistema de fluido tampão separado e tubagem e instrumentação adicionais.

Tandem (ou frente a frente)

Os selos tandem, ou face-to-back, combinam elementos de arranjos face-to-face e back-to-back. Nesta configuração, dois selos são instalados com suas faces orientadas em direções opostas, com o selo primário voltado para o fluido do processo e o selo secundário voltado para fora. O espaço entre os selos é normalmente ventilado para um local seguro ou ligado a um sistema de fluido tampão a uma pressão inferior à do fluido do processo. Os selos em tandem oferecem os benefícios de equilíbrio de pressão dos selos face a face e as caraterísticas de segurança e contenção dos selos costas com costas.

Factores que afectam o desempenho dos selos mecânicos de alta pressão

Pressão do fluido de processo nas faces da vedação

À medida que a pressão do fluido aumenta, a força de fecho nas faces do vedante também aumenta, levando a cargas mais elevadas nas faces, maior geração de calor e desgaste potencialmente mais rápido. Para contrariar estes efeitos, os vedantes de alta pressão incorporam frequentemente caraterísticas como orifícios de equilíbrio, ranhuras ou orifícios nas faces do vedante para reduzir a força de fecho efectiva e manter uma película de fluido estável.

Controlo da temperatura na câmara de selagem

As temperaturas elevadas podem provocar a expansão térmica dos componentes do vedante, levando a um aumento das cargas e do desgaste da face. O calor excessivo também pode degradar as propriedades de lubrificação da película de fluido, aumentando o atrito e o risco de falha do selo. Para mitigar estes problemas, os vedantes de alta pressão incorporam frequentemente camisas de arrefecimento, permutadores de calor ou sistemas de termossifão para remover o calor da câmara de vedação e manter temperaturas de funcionamento estáveis.

Lubrificação e arrefecimento adequados das faces dos vedantes

A película de fluido entre as faces do vedante actua como lubrificante e refrigerante, transportando o calor de fricção e evitando o contacto direto entre as faces. Para assegurar uma lubrificação e refrigeração adequadas, os vedantes de alta pressão podem incorporar caraterísticas como ranhuras em espiral, ranhuras radiais ou microestruturas nas faces do vedante para promover a circulação do fluido e a dissipação do calor. A seleção de materiais para as faces dos vedantes com boa condutividade térmica e propriedades auto-lubrificantes, como o carboneto de silício ou materiais com carga de grafite, também pode melhorar o desempenho da lubrificação e do arrefecimento.

Sistemas de suporte para aplicações de vedação mecânica de alta pressão

Os selos mecânicos de alta pressão requerem sistemas de suporte especializados para garantir um desempenho e uma longevidade óptimos. Esses sistemas ajudam a manter condições operacionais estáveis, evitam falhas nos selos e prolongam a vida útil dos selos. Um componente crucial é o Plano 52 da API, que utiliza um reservatório de fluido tampão para fornecer um ambiente limpo, frio e pressurizado para os selos.

O sistema API Plan 52 faz circular um fluido tampão compatível, como glicol ou óleo, através de uma câmara de vedação a uma pressão superior à do fluido do processo. Este diferencial de pressão positiva impede que o fluido do processo entre na câmara de vedação, minimizando a contaminação e prolongando a vida útil da vedação. O sistema também ajuda a dissipar o calor gerado pelos selos, mantendo uma temperatura de funcionamento estável.

Outros sistemas de apoio essenciais para vedantes mecânicos de alta pressão incluem:

1. Lubrificação correta da face do vedante: Uma lubrificação adequada é fundamental para reduzir o atrito e o desgaste nas faces do vedante. Isto pode ser conseguido através da utilização de fluidos de barreira, tais como óleo ou massa lubrificante, ou através da incorporação de caraterísticas de lubrificação na conceção do vedante.
2. Controlo da temperatura: A manutenção de uma temperatura consistente na câmara de vedação é crucial para evitar a distorção térmica e garantir o alinhamento correto da face de vedação. Isto pode ser conseguido através da utilização de camisas de arrefecimento, permutadores de calor ou unidades de controlo de temperatura.
3. Controlo da pressão: A monitorização contínua da pressão na câmara de vedação ajuda a detetar quaisquer anomalias ou fugas, permitindo uma manutenção atempada e evitando falhas catastróficas.

Aplicações da vedação mecânica de alta pressão

• Bombas centrífugas: Os vedantes mecânicos de alta pressão são utilizados em bombas centrífugas que manuseiam fluidos de alta pressão, tais como bombas de água para alimentação de caldeiras, bombas para condutas e bombas de injeção em poços de petróleo e gás.
• Compressores: Os empanques mecânicos são utilizados em compressores de alta pressão para gases como o hidrogénio, o gás natural e o dióxido de carbono, bem como em compressores de refrigeração que utilizam refrigerantes de alta pressão.
• Turbinas: Os vedantes de alta pressão são utilizados nas turbinas a vapor e a gás para evitar fugas de vapor a alta pressão ou de gases de combustão da caixa da turbina.
• Reactores e recipientes sob pressão: Os selos mecânicos são utilizados em agitadores, misturadores e outros equipamentos rotativos em reactores de alta pressão e vasos de pressão nas indústrias de processamento químico e petroquímico.
• Equipamento submarino: As vedações de alta pressão são componentes críticos em equipamentos submarinos de produção de petróleo e gás, como bombas submarinas, compressores e válvulas, onde devem suportar pressões extremas e condições ambientais adversas.
• Sistemas de água a alta pressão: Os selos mecânicos são utilizados em bombas e válvulas de água de alta pressão em aplicações como a dessalinização por osmose inversa, a limpeza a alta pressão e o corte por jato de água.

FAQs

Qual é o limite de pressão dos selos mecânicos?

Em geral, os selos mecânicos padrão podem lidar com pressões de até cerca de 20 bar (290 psi), enquanto os selos de alta pressão são projetados para pressões que variam de 20 a 200 bar (290 a 2.900 psi) ou mais.