Tipos
Selos Únicos
Os selos mecânicos simples consistem em um único par de faces de vedação – uma rotativa e outra estacionária – pressionadas juntas por molas ou foles para formar uma folga estreita que fornece uma única barreira pressurizada contra vazamento de fluido. Esta configuração depende do próprio fluido do processo para lubrificação e resfriamento das faces, tornando-a particularmente adequada para aplicações que envolvem fluidos limpos, não abrasivos e com baixa pressão de vapor, como água ou hidrocarbonetos leves.[27]
O design mais simples de vedações simples oferece vantagens, incluindo custos iniciais mais baixos e manutenção mais fácil em comparação com arranjos de vedações múltiplas, embora as economias exatas variem de acordo com a aplicação e o fabricante. No entanto, eles apresentam limitações, como maior suscetibilidade ao funcionamento a seco se a lubrificação falhar, o que pode levar ao desgaste rápido da face, e limites típicos de pressão operacional de até 20 bar para projetos desequilibrados.[28][27][29]
Variantes comuns incluem configurações montadas internamente e externamente. Nas vedações montadas internamente, o conjunto de vedação é posicionado dentro da câmara de vedação do equipamento, com o fluido do processo atuando no diâmetro interno das faces, permitindo um resfriamento eficaz, mas exigindo um alinhamento cuidadoso durante a instalação. As vedações montadas externamente estão localizadas externamente à câmara, com pressão de fluido no diâmetro externo, o que facilita o acesso para inspeção e substituição, mas pode limitar o manuseio da pressão em algumas configurações. Além disso, selos únicos estão disponíveis como cartuchos ou tipos de componentes; as vedações de cartucho vêm pré-montadas em uma luva com todos os elementos (incluindo bucim e molas) integrados para instalação rápida e sem erros, enquanto as vedações de componentes envolvem a montagem de peças individuais no local, oferecendo maior flexibilidade, mas exigindo mão de obra mais qualificada.[30][31]
As características de desempenho das vedações simples enfatizam o vazamento mínimo e a carga frontal controlada. As taxas de vazamento típicas são inferiores a 0,5 ml/hora em condições normais de operação, muitas vezes chegando a 0,05 ml/hora por 25 mm de diâmetro do eixo, dependendo da largura da folga e das propriedades do fluido. As vedações simples balanceadas incorporam uma relação de equilíbrio de 0,6 a 0,8, definida como a razão entre a área carregada hidraulicamente e a área total da face deslizante, o que reduz a força de fechamento nas faces e prolonga a vida útil em ambientes de pressão moderada.[28][27][32]
Vedações Duplas e Tandem
As vedações pressurizadas duplas consistem em duas vedações mecânicas independentes dispostas em uma configuração costas com costas ou face a face, com um fluido de barreira limpo circulando entre elas para lubrificar e resfriar as vedações internas e externas.[33] O fluido de barreira é mantido a uma pressão superior à do fluido de processo na câmara de vedação, normalmente 1,4 a 2 bar acima dela, para evitar que qualquer meio de processo vaze através da vedação interna para a atmosfera ou ambiente.[33] Este arranjo, classificado como API 682 Arranjo 3 e frequentemente apoiado pelo Plano 53A, usa um reservatório pressurizado externo - normalmente fornecido com nitrogênio ou outro gás inerte - para garantir que a pressão do fluido de barreira permaneça estável e exceda a pressão da câmara de vedação.[34] O sistema evita que fluidos de processo perigosos ou tóxicos escapem, a menos que a pressão do reservatório seja perdida, proporcionando maior contenção para aplicações exigentes.[33]
Em contraste, as vedações tandem, conhecidas como API 682 Arranjo 2, apresentam duas vedações em série dentro da mesma câmara de vedação, com um fluido tampão entre elas que opera à pressão atmosférica ou baixa, abaixo da pressão da câmara de vedação (normalmente inferior a 2,8 bar).[35] A vedação interna lida principalmente com o fluido do processo, enquanto a vedação externa atua como um backup, lubrificada e resfriada pelo fluido tampão para conter qualquer vazamento da vedação interna.[35] Esta configuração dupla não pressurizada, comumente suportada pelo API Plan 52, depende de um reservatório não pressurizado para circulação do fluido tampão, onde o fluido do processo pode migrar para o tampão se a vedação interna vazar, mas a vedação externa evita a liberação para a atmosfera.[36] Os modos de falha em arranjos tandem incluem perda de pressão entre vedações, indicada pelo aumento dos níveis do reservatório devido a vazamento interno ou queda dos níveis devido a vazamento externo, o que pode levar à contaminação do fluido tampão e à redução da eficácia da vedação.[35]
As vedações duplas pressurizadas oferecem confiabilidade superior em relação às vedações tandem não pressurizadas, especialmente em compostos orgânicos voláteis (VOC) ou serviços perigosos, pois o fluido de barreira isola ativamente o meio do processo sem permitir a entrada, alcançando o tempo médio entre falhas (MTBF) superior a 100 meses com manutenção adequada.[37] Os duais não pressurizados fornecem um mecanismo de backup confiável, mas são mais suscetíveis a emissões e falhas em aplicações tóxicas devido à potencial contaminação do buffer, resultando em menor tempo de atividade geral em comparação com sistemas pressurizados.[37] A abordagem pressurizada minimiza os riscos ambientais, garantindo vazamentos de fluido de barreira no processo, e não vice-versa, aumentando a segurança em operações críticas.[37]
Os anéis de bombeamento são integrados em projetos de vedação dupla para facilitar a barreira ou a circulação de fluido tampão sem bombas externas, promovendo o fluxo através da câmara de vedação por meio da rotação do eixo. Esses dispositivos, geralmente do tipo de fluxo radial ou axial, geram circulação ao transmitir velocidade ao fluido na folga anular entre o anel e o eixo. A vazão aproximada QQQ fornecida por um anel de bombeamento pode ser estimada usando a equação:
onde DDD é o diâmetro do anel de bombeamento, bbb é a folga radial e vvv é a velocidade periférica do eixo (normalmente v=πDN/60v = \pi D N / 60v=πDN/60, com NNN em rpm).[38] Essa circulação interna mantém o controle da temperatura do fluido e remove o calor das faces da vedação, com taxas típicas de 0,5 a 1,5 galões por minuto por polegada do tamanho da vedação, dependendo do projeto e da velocidade do sistema.[39]
Variantes Especializadas
As vedações a gás secas representam uma variante sem contato das vedações mecânicas projetadas principalmente para equipamentos rotativos de alta velocidade, como compressores, onde as vedações lubrificadas com líquido tradicionais são inadequadas devido à necessidade de operação a seco. Essas vedações utilizam um anel giratório gravado com ranhuras em espiral que geram sustentação hidrodinâmica ao bombear uma fina película de gás inerte entre as faces da vedação, evitando o contato direto e minimizando o desgaste durante a operação. A profundidade do sulco está normalmente na faixa de 5 a 10 μm, o que facilita a criação de uma espessura de filme de gás de 3 a 8 μm, enquanto a decolagem - o ponto em que as faces se separam - ocorre em velocidades periféricas superiores a 10 m/s, geralmente em torno de 27,5 m/s para aplicações padrão. Este projeto garante vedação confiável em ambientes secos, com aplicações que se estendem a compressores centrífugos e axiais no processamento de hidrocarbonetos.[40][41][42]
As vedações bipartidas oferecem uma configuração bipartida axial que permite instalação e substituição sem desmontar o eixo ou componentes associados, tornando-as particularmente vantajosas para bombas grandes onde o tempo de inatividade deve ser minimizado. Neste projeto, todos os elementos de vedação são divididos em metades superior e inferior, permitindo a montagem em torno do eixo in situ, o que é essencial para equipamentos como bombas de carcaça bipartida em ambientes industriais. No entanto, o alinhamento preciso é fundamental, com desafios de tolerância que exigem que o desvio do eixo e o alinhamento da face sejam mantidos dentro de ±0,05 mm para evitar carregamento irregular e falha prematura. Esta variante aumenta a eficiência da manutenção em instalações confinadas ou de serviço pesado.[43][44][45]
As vedações de fole incorporam um elemento de fole de metal ou elastomérico enrolado que serve tanto como uma vedação dinâmica quanto como um mecanismo de mola, substituindo efetivamente os anéis de vedação tradicionais para acomodar o movimento axial e, ao mesmo tempo, fornecer vedação secundária. Variantes de foles metálicos, muitas vezes construídos a partir de ligas como Inconel ou Hastelloy, são adequadas para ambientes de alta temperatura superiores a 200°C e meios corrosivos, como em processamento químico ou fluidos de transferência de calor, onde suportam temperaturas de até 400°C sem degradação. Os foles elastoméricos, normalmente feitos de materiais como PTFE, oferecem flexibilidade para corrosivos moderados, mas são limitados a extremos mais baixos em comparação com seus equivalentes metálicos. Este projeto garante conformidade com deflexões do eixo axial de até 1,5 mm, mantendo a integridade da vedação em condições agressivas.[46][47][48]