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Ingeniería Mecánica: El sellado de ejes en bombas centrífugas.

Una de las tareas mas habituales en el mantenimiento de bombas centrífugas consiste en limitar dentro de un rango aceptable las fugas de líquido bombeado producidas entre la carcasa de la bomba y el eje de accionamiento del impulsor. Este límite o grado de aceptación será distinto para cada aplicación en concreto y así usaremos un método de sellado del eje u otro. En esta entrada quiero mostraros algunos de los métodos de sellado de ejes que podemos encontrar en las bombas centrífugas, sus ventajas e inconvenientes y el mantenimiento asociado a ellos. Con esta información avanzaremos en el conocimiento de este tipo de equipos y, al final, estaremos en mejores condiciones a la hora de la elaboración de un plan de mantenimiento completo sobre los mismos.

La transformación de la energía mecánica en energía interna del líquido, en forma de velocidad y/o presión, se consigue gracias a la rotación de un impulsor dentro de la carcasa de la bomba. Esta rotación se produce mediante un eje sobre el que va montado el impulsor y que atraviesa, con alguna excepción que os mostraré mas adelante, la carcasa de la bomba para apoyarlo sobre rodamientos y poder acoplarlo a la fuente de energía mecánica, ya sea un motor eléctrico, de explosión, turbina, etc. El punto en el cual el eje atraviesa la carcasa de la bomba debe ser sellado para evitar, primero las fugas del líquido bombeado y segundo la entrada de aire cuando la zona del cierre se encuentre en presión negativa. Es evidente, por tanto, que el sellado del eje es de vital importancia para un funcionamiento seguro de la bomba y para asegurar la protección del medio ambiente.

Zona de sellado del eje en una bomba Sulzer

En general son tres los tipos de sello que habitualmente podemos encontrar en bombas centrifugas: sello de tipo radial o empaquetadura, sello de tipo axial, más conocido como cierre mecánico y, por último, cierres dinámicos.

Sellos radiales o empaquetaduras

Se trata de un cierre radial de contacto muy extendido en todo tipo de bombas centrífugas. Lo forman unos anillos de material especial, fabricados en base a hilo trenzado sin amianto, ya sea algodón, sintético, grafitado o de PTFE, y que son introducidos en una caja cilíndrica y prensados axialmente con una brida o prensaestopas hasta formar el cierre sobre el eje de la bomba o sobre el casquillo protector del eje (elemento de desgaste).

Diversos tipos de empaquetaduras

Dependiendo de la presión de sellado podemos encontrar entre 4 y 6 anillos de empaquetadura dentro de la caja. Si el líquido alcanza una temperatura de hasta 110ºC no será necesario refrigerar la empaquetadura, hasta una temperatura en torno a 210ºC tendremos que considerar el uso de un anillo de refrigeración o anillo de linterna introducido en la caja de empaquetaduras junto con una recirculación de agua para su refrigeración y sellado. Existen empaquetaduras para aplicaciones muy especiales que pueden llegar a funcionar en equipos rotativos con temperaturas alrededor de 600ºC.

Disposición de los anillos de empaquetadura

Caja de empaquetadura de una bomba de cámara partida de Scanpump

Este tipo de sellado es de contacto y por tanto existe una fricción en el eje o sobre el casquillo de protección del eje. Para evitar que la empaquetadura tenga una vida reducida y el excesivo desgaste en la camisa del eje, la empaquetadura debe ser lubricada con el mismo líquido bombeado (si se trata de líquido limpio) o con agua procedente del exterior (en caso de bombeo de fluidos contaminados o con partículas en suspensión) a una presión de 1 bar por encima de la presión de sellado como poco. Por tanto, es un sellado con fuga en forma de un goteo necesario para la lubricación de la empaquetadura. Un goteo correcto es aquel que se encuentra entre 25 y 50 gotas por minuto (más para líquidos calientes). Si no es así, por ejemplo por un excesivo apriete del prensaestopas, la empaquetadura se calentará y el eje o su camisa de protección se desgastará en exceso. En el caso de tener una presión de sellado negativa, por ejemplo en bombas de aspiración negativa (aspiración por debajo del nivel de la bomba), se hace necesario también una conexión externa de agua de sellado de la empaquetadura para evitar la entrada de aire a través de ella.

En cuanto al mantenimiento de este tipo de sellos, debemos verificar la empaquetadura una o dos veces por semana, en caso de excesivo goteo, hay que reapretar el prensaestopas mientras éste lo permita y volver a verificar al cabo de 10 min. Cuando el prensaestopas llegue al final de su recorrido tendremos que volver a empaquetar la bomba en parada.

Sus ventajas frente a otros tipos de sellado es su sencillez, economía y facilidad de mantenimiento. Su inconveniente es claro, es imposible su uso con líquidos peligrosos para las personas o el medio ambiente.

Sellos axiales o cierres mecánicos

Un cierre mecánico es un dispositivo de sellado consistente en dos anillos en contacto axial a través de sus caras anulares, uno estacionario, fijo a la carcasa de la bomba, y el otro giratorio, solidario con el eje de rotación de la misma. Este contacto se produce sobre las caras axiales mecanizadas con una gran precisión en cuanto a su planitud y un excelente acabado superficial (muy baja rugosidad). Aún siendo un sistema que no debe gotear bajo un funcionamiento normal, el cierre mecánico no es un dispositivo de sellado totalmente estanco, puede gotear unos pocos centímetros cúbicos al día que se evaporarán o transportarán con el líquido sellador. El cierre mecánico precisa generalmente de refrigeración externa para eliminar el calor generado por la fricción de una cara sobre la otra aunque, dependiendo del material con las que se fabrican ambas, existen cierres mecánicos libres de refrigeración.

Cierres mecánicos de cartucho John Crane

Existen diversos tipos de cierres mecánicos según la aplicación. El cierre mecánico simple no equilibrado se utiliza principalmente para líquidos limpios o apenas contaminados. El diseño estándar posee un único muelle que presiona ambos anillos de cierre entre sí, podemos igualmente encontrar diseños con múltiples muelles. Se dice que el cierre es no equilibrado o no compensado cuando, a la fuerza del muelle, debemos añadir la fuerza generada por la presión del liquido bombeado y que se ejerce en la cámara de sellado sobre la cara trasera del anillo giratorio.

Sección de un cierre mecánico Espaseme no equilibrado

Por su parte los cierres mecánicos compensados o equilibrados son aquellos en los que se elimina el esfuerzo ejercido sobre el anillo giratorio, producto de la presión de sellado de la bomba.

Cierre mecánico simple equilibrado de Espaseme

Dependiendo igualmente de la aplicación, podemos encontrar cierres mecánicos dobles. Estos poseen en su interior dos cierres orientados espalda con espalda, es decir, un doble juego de anillos. Son cierres, normalmente con conexión para agua de refrigeración, utilizados en aplicaciones críticas en las que es necesario un sellado muy preciso.

Sección del cierre mecánico doble y equilibrado SB2 de John Crane

Las ventajas del cierre mecánico son su precisión de sellado, prácticamente sin fuga y su bajo mantenimiento, limitado simplemente a una revisión periódica para detectar fugas del líquido bombeado. Estas fugas nos indicarán cuando debemos cambiar un cierre mecánico para poder regenerarlo una vez fuera mecanizando sus caras de cierre. Uno de sus inconvenientes es su coste, que nos limitará su uso sólo para aquellas aplicaciones que realmente lo requieran aunque debemos tener en cuenta que la instalación de cierres mecánicos en el conjunto de bombas centrífugas supondrá un ahorro sustancial en material de empaquetadura, horas de empaquetado, reapriete de empaquetaduras, etc.

Cierre dinámico

Está muy extendido igualmente el uso de bombas centrífugas equipadas con el llamado cierre dinámico. A diferencia de las bombas tradicionales, donde el sellado del eje se consigue generalmente por fricción, en este caso la bomba dispone de un pequeño rodete expulsor instalado detrás de la tapa de la carcasa.

Disposición de un cierre dinámico en una bomba centrífuga

Cuando se bombea el líquido, éste tiende a salir a lo largo del eje, sin embargo el expulsor lo evita bombeándolo de nuevo hacia la tapa de la carcasa. Cuando la bomba está parada, el líquido presiona un disco flexible de teflón contra un casquillo evitándose así cualquier posibilidad de fuga. Los cierres dinámicos no presentan fugas y prácticamente no necesitan un mantenimiento mas allá de cambiar el disco flexible cuando empieza a aparecer fuga de líquido con la bomba parada. No necesitan ningún aporte externo del líquido de sellado, lo que simplifica la operación de la bomba. El empleo de los cierres dinámicos elimina los problemas de fugas intermitentes o continuas que aparecen en los cierres mecánicos en puestas en marcha de nuevas plantas. Es habitual que una misma bomba centrífuga pueda ser modificada para cambiar el tipo de sellado de empaquetadura a cierre mecánico o a cierre dinámico, el fabricante suele diseñar la bomba para facilitar el cambio.

Con la bomba en marcha no llega líquido a la cámara de sellado

Con la bomba parada será el disco flexible el que cierre la salida de líquido

Hasta aquí hemos abarcado los diversos tipos de sellados de ejes que habitualmente podemos encontrar en nuestras bombas centrífugas. Existe otro tipo que, aún no siendo estrictamente un sellado del eje está empezando a extenderse por nuestras fábricas. Se trata del accionamiento de bombas centrífugas equipadas con un acoplamiento magnético. En este caso el eje no atraviesa la carcasa de la bomba, eliminando así las fugas de líquido por este motivo. Su aplicación mas inmediata es el bombeo de productos químicos.

Os animo a dejar vuestros comentarios o dudas al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
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  1. 27/11/2011 en 12:34

    Excelente reporte. Muy bien explicado y con magníficas ilustraciones.
    Enhorabuena y muchas gracias por compartirlo.

  2. raul
    18/01/2013 en 02:47

    hola amigos soy mecanico de turno y me gustaria saver mas hacerca de las empaquetaduras cuadriculadas trensadas, lei lo que sale de informacion y me parecio interesante,gracias..

  3. Cesar Riveros
    05/11/2013 en 15:38

    Excelente todo. Necesito contactarlos por sus productos
    Gracias

    • 05/11/2013 en 23:17

      Hola Cesar, gracias por el comentario. Ya siento decepcionarle pero no distribuyo ni ofrezco los productos que aparecen en el blog. Simplemente comparto mi experiencia y conocimiento en la ingeniería del mantenimiento industrial. Un saludo.

  4. hilario
    29/03/2014 en 03:01

    me gusto mucho tu blog, felicidades!!!

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