Já alguma vez se perguntou como é que o equipamento crítico em ambientes de alta pressão mantém um funcionamento fiável? As vedações secas de gás são os heróis anónimos que garantem o bom funcionamento e evitam fugas. Neste artigo, vamos mergulhar no mundo das vedações secas de gás, explorando os seus princípios de funcionamento, vantagens e aplicações. O nosso engenheiro mecânico especialista irá guiá-lo através desta tecnologia fascinante, fornecendo informações valiosas e exemplos do mundo real. Prepare-se para descobrir como os selos secos a gás estão a revolucionar várias indústrias!
A vedação a gás seco é um novo tipo de vedação de veio sem contacto desenvolvido a partir da base de rolamentos lubrificados a gás no final dos anos 60, sendo as vedações de ranhuras em espiral o exemplo mais típico.
Após anos de investigação, a John Crane Company, nos Estados Unidos, foi a primeira a introduzir produtos de vedação a gás seco para utilização industrial.
A prática tem demonstrado que os selos secos de gás oferecem muitas vantagens em relação aos selos mecânicos de contacto convencionais. São utilizados principalmente em condutas, plataformas offshore, refinarias e na indústria petroquímica, sendo adequados para qualquer sistema de transporte de gás.
Como os selos secos de gás são selos sem contacto, não limitados pelo valor PV, são especialmente adequados para grandes compressores centrífugos em condições de alta velocidade e alta pressão. O advento dos selos secos a gás representa um avanço revolucionário na tecnologia de vedação, resolvendo os desafios da vedação a gás sem as limitações do óleo lubrificante do selo.
Além disso, os seus sistemas de controlo de gás necessários são muito mais simples do que os sistemas de óleo das juntas de película.
Além disso, o surgimento de vedantes de gás seco alterou os conceitos tradicionais de vedação, integrando organicamente a tecnologia de vedante de gás seco com os princípios de vedante de barreira.
O novo conceito de "utilização de gás como vedante" substitui o conceito tradicional de "vedantes líquidos, gás ou líquido", garantindo uma fuga zero de qualquer meio de vedação. Isto torna os vedantes secos a gás amplamente aplicáveis no domínio dos vedantes do veio da bomba.
A tabela seguinte compara as taxas de fuga das vedações secas de gás do compressor com outras vedações comuns:
| Tipo de vedação | parâmetro | Taxa de fuga (Nm3/min) | ||
| Vedante de lubrificação a gás | Vedação de gás seco | Profundidade da ranhura 5 µm | 0.025 | |
| Anel de vedação em carbono | Quatro grupos, com 10 mm de largura e um intervalo de 0,05 mm | 0.37 | ||
| Selo de labirinto | Número de dentes 15 | 1.82 | ||
| Vedante de película de óleo | Quantidade de fugas de óleo de vedação | |||
| Fim do meio (L/min) | Fim da atmosfera (L/min) | |||
| Anel de vedação flutuante | 2 grupos, cada um com 20 mm de largura, com um intervalo de 0,05 mm | 0.12 | 0.6 | |
| vedação mecânica | Espessura da película de óleo 1 µm | 0.0012 | 0.0017 | |
Condições de teste para a unidade experimental: diâmetro do eixo de 140mm, velocidade de 5000rpm, pressão do gás de processo de 0.6MPa, e pressão do óleo de vedação (gás) de 0.75MPa.
Em comparação com os vedantes mecânicos de contacto convencionais, os vedantes secos a gás oferecem as seguintes vantagens principais:
Em comparação com outros selos mecânicos, os selos secos a gás são fundamentalmente semelhantes em termos de estrutura. A principal diferença reside no facto de um anel de vedação de uma junta de estanquidade rotativa a gás seca ter ranhuras pouco profundas distribuídas uniformemente. Estas ranhuras permitem que o vedante funcione sem contacto, gerando um efeito de pressão dinâmica do fluido durante a rotação, separando as superfícies de vedação.
As formas das ranhuras na face da extremidade de vedação dos vedantes secos de gás são principalmente classificadas em tipos unidireccionais e bidireccionais.
As ranhuras unidireccionais são as mais utilizadas nas unidades de compressão actuais. Só podem ser utilizadas em unidades com rotação unidirecional, gerando força de abertura na direção pretendida; se invertida, a força de abertura negativa pode danificar o vedante.
No entanto, em comparação com as ranhuras bidireccionais, podem gerar maiores forças de abertura e rigidez da película de gás, oferecendo uma maior estabilidade e uma prevenção mais fiável do contacto com a extremidade, sendo assim utilizáveis a velocidades muito baixas e sob vibrações significativas.
As ranhuras bidireccionais também são comuns. Este tipo de ranhura não tem requisitos direccionais, sendo adequado tanto para rotações para a frente como para trás sem danificar a vedação. A sua gama de aplicações é mais vasta do que a das ranhuras unidireccionais, mas a sua estabilidade e resistência às interferências são inferiores.
Através de experiências repetidas e estudos comparativos sobre vários tipos de ranhuras de vedantes secos de gás, confirmou-se que o design de ranhura helicoidal oferece a maior rigidez da película de gás com uma fuga mínima, alcançando o melhor rácio de fuga. Segue-se uma introdução pormenorizada a este tipo de ranhura.
O diagrama abaixo ilustra um vedante de gás seco típico com ranhuras helicoidais na superfície de vedação, com uma profundidade inferior a 10 micrómetros. Quando o vedante funciona, o gás vedado é tangencialmente arrastado para as ranhuras helicoidais, movendo-se radialmente do diâmetro exterior para o centro (ou seja, o lado de baixa pressão), impedido pela barragem de vedação de fluir para o lado de baixa pressão.
O gás é comprimido à medida que se desloca ao longo da secção transversal variável das ranhuras helicoidais, criando uma área de alta pressão localizada na raiz da ranhura, separando as faces finais por alguns micrómetros para formar uma película de gás de determinada espessura.
Com esta espessura de película de gás, a força de abertura gerada pela ação da película de gás equilibra-se com a força de fecho gerada pelas forças da mola e do meio, permitindo que o vedante funcione sem contacto. A película de gás formada entre as superfícies de vedação do selo seco a gás tem uma certa rigidez positiva, garantindo a estabilidade do funcionamento do selo. Para obter o necessário efeito de pressão dinâmica do fluido, as ranhuras de pressão dinâmica devem estar localizadas no lado de alta pressão.
O diagrama acima mostra as forças que actuam sobre um selo seco de gás com ranhura helicoidal, ilustrando como a rigidez da película de gás assegura a estabilidade do funcionamento do selo. Em condições normais, a força de fecho do vedante é igual à força de abertura.
Quando ocorrem perturbações externas (por exemplo, flutuações operacionais ou de processo), que conduzem a uma diminuição da espessura da película de gás, a força de cisalhamento viscosa do gás aumenta, reforçando o efeito de pressão dinâmica do fluido gerado pelas ranhuras helicoidais, aumentando assim a pressão da película de gás e a força de abertura para manter o equilíbrio de forças e repor a junta na sua abertura original; inversamente, se a junta for perturbada e a espessura da película de gás aumentar, o efeito de pressão dinâmica gerado pelas ranhuras helicoidais enfraquece, reduzindo a pressão da película de gás e a força de abertura, permitindo que a junta regresse à sua abertura original.
Por conseguinte, desde que se encontre dentro da gama de conceção, quando as perturbações externas são eliminadas, o vedante pode sempre regressar ao seu intervalo de funcionamento concebido, o que significa que o vedante seco a gás tem uma função de auto-ajuste que garante um funcionamento estável e fiável.
O principal indicador da estabilidade do vedante é a rigidez da película de gás gerada, que é o rácio entre a variação da força da película de gás e a variação da espessura da película de gás. Quanto maior for a rigidez da película de gás, maior será a resistência à interferência do vedante e mais estável será o seu funcionamento.
Existem diferentes formas estruturais gerais de vedantes secos de gás adequadas a várias condições de trabalho. Na prática, as vedações secas de gás utilizadas nos compressores centrífugos incluem principalmente as quatro estruturas seguintes:
O vedante de face única é utilizado principalmente para gases não perigosos, ou seja, situações em que é permitida uma pequena fuga do gás médio para a atmosfera. O gás utilizado para a vedação é o próprio gás de processo. Este tipo é normalmente utilizado em unidades importadas internamente, como os compressores de dióxido de carbono.
O vedante de gás seco em tandem é uma estrutura de vedação com elevada fiabilidade operacional, normalmente aplicada onde é permitida uma pequena fuga do gás médio para a atmosfera. É amplamente utilizado nas unidades introduzidas de empresas petroquímicas.
Uma vedação de gás seca em tandem pode ser considerada como dois ou mais conjuntos de vedações de gás secas ligadas na mesma direção de ponta a ponta. À semelhança da estrutura de face única, o gás de vedação é o próprio gás de processo. Normalmente, é utilizada uma estrutura de duas fases em que a primeira fase (vedante primário) suporta a carga total e a outra fase serve de vedante de reserva sem suportar a queda de pressão.
O gás de processo que vaza do selo primário é introduzido num flare para combustão. Uma quantidade muito pequena de gás de processo não queimado vaza através do selo secundário e é ventilada com segurança.
Se o vedante primário falhar, o vedante secundário actua como um vedante de segurança auxiliar, evitando fugas maciças do fluido do processo para a atmosfera.
Quando não são permitidas fugas do fluido do processo para a atmosfera, nem fugas de gás-tampão para o fluido do processo, pode ser adicionado um vedante de labirinto intermédio entre as duas fases de uma estrutura em tandem.
Esta estrutura é utilizada para gases inflamáveis, explosivos e perigosos, sem fugas para o exterior. Os exemplos incluem compressores de H2, compressores de gás natural com elevado teor de H2S, compressores de etileno, propileno e amoníaco.
Além do gás de processo, esta estrutura também requer uma via adicional de gás nitrogénio como gás de selagem para o selo secundário. O gás de processo que escapa do vedante primário é totalmente introduzido num queimador para combustão com gás nitrogénio.
Todos os gases que saem para a atmosfera através do vedante secundário são azoto. Se o selo primário falhar, o selo secundário também serve como selo de segurança auxiliar. Esta estrutura é relativamente complexa, mas devido à sua elevada fiabilidade, tornou-se a configuração padrão em vedantes de veio de compressores centrífugos de média e alta pressão.
O vedante de dupla face é equivalente a dois vedantes de face simples dispostos frente a frente, por vezes partilhando um anel rotativo. É adequado para condições sem sistemas de alargamento, em que é permitida uma pequena fuga de gás de vedação para o fluido do processo. A introdução de gás nitrogénio entre os dois conjuntos de vedantes forma um sistema de vedação de bloqueio fiável.
A pressão do gás nitrogénio é controlada para manter sempre um nível ligeiramente superior à pressão do gás de processo (0,2-0,3 MPa), assegurando que a direção da fuga de gás é sempre em direção ao meio de processo e à atmosfera, impedindo assim a fuga do gás de processo para a atmosfera. A estrutura de vedação de dupla face é utilizada principalmente para gases tóxicos, inflamáveis e explosivos de baixa pressão.
As vedações secas de gás funcionam com faces sem contacto durante o funcionamento, mas ocorre um breve contacto durante as fases de arranque e de paragem, o que exige a utilização de materiais resistentes ao desgaste para as superfícies de contacto.
Os materiais para os pares de fricção em vedantes secos de gás incluem normalmente materiais com baixos coeficientes de expansão térmica, elevado módulo de elasticidade, resistência à tração, condutividade térmica e dureza, tais como SiC ou carboneto cimentado para a face dura e grafite impregnada ou SiC para a face macia. As ranhuras dinâmicas são geralmente maquinadas na superfície do anel dinâmico.
Uma vez que a estrutura dos selos secos a gás não é significativamente diferente da dos selos mecânicos convencionais, o projeto dos selos secos a gás centra-se principalmente nos parâmetros das formas das ranhuras nas faces do selo. A fundamentação teórica dos selos secos a gás baseia-se nos princípios dos rolamentos axiais com ranhuras em espiral, seguindo a equação de Reynolds e as equações de Navier-Stokes.
A nossa empresa utiliza o método dos elementos finitos para cálculos numéricos, com software próprio desenvolvido internamente para calcular a distribuição da pressão da película de gás na superfície de vedação com ranhuras em espiral, determinando ainda a capacidade de carga, a rigidez da película de gás e a taxa de fuga de gás da vedação de gás seco.
A estabilidade e a fiabilidade do funcionamento da vedação de gás seco dependem da rigidez da película de gás na superfície de vedação. O impacto dos parâmetros do processo e dos parâmetros estruturais da ranhura em espiral no desempenho da vedação reflecte-se principalmente no seu efeito na rigidez da película de gás; quanto maior for a rigidez, melhor será a estabilidade da vedação.
Para além de considerar a rigidez da película de gás, a nossa empresa também se concentra na taxa de fuga do vedante, tendo como objetivo a maior relação possível entre rigidez e fuga. Isto significa que o vedante possui simultaneamente uma elevada rigidez e baixas taxas de fuga. Apenas os selos secos a gás com a máxima relação rigidez-fuga e uma rigidez significativa da película de gás podem garantir um funcionamento ideal, estável e a longo prazo.
Os parâmetros estruturais das ranhuras em espiral que afectam a rigidez da película de gás incluem a profundidade da ranhura, o ângulo da espiral, o número de ranhuras, a relação entre a largura da ranhura e a largura do açude e a relação entre o comprimento da ranhura e o comprimento da barragem, exigindo uma otimização através de software especializado. Os parâmetros do processo que afectam a rigidez da película de gás incluem:
Para garantir a fiabilidade das operações de vedação de gás seco, cada conjunto está equipado com um sistema de monitorização e controlo correspondente. Este sistema mantém o vedante a funcionar no seu estado de conceção ideal. Se o vedante falhar, o sistema acciona rapidamente um alarme, permitindo que o pessoal de manutenção resolva o problema prontamente.
Aqui, apresentaremos um sistema típico de vedação a gás seco em tandem.
O diagrama esquemático abaixo ilustra o sistema. Em condições normais, um fluxo de gás é retirado da saída da unidade, passando por duas fases de filtragem (com uma precisão de 3μm), resultando num gás seco e limpo. Este gás serve de tampão para o vedante de gás seco, entrando na câmara de vedação.
A pressão é controlada para estar ligeiramente acima da pressão do gás de processo de referência durante as operações normais (tipicamente 50KPa), evitando que impurezas como poeira e óleo condensado no gás de processo não refinado entrem na face do selo, o que poderia afetar negativamente o desempenho do selo seco de gás. O sistema utiliza um transmissor de pressão diferencial para medir a diferença de pressão entre o gás tampão e o gás de referência.
O sinal controla uma válvula reguladora de membrana pneumática localizada na entrada do gás tampão, ajustando a pressão de entrada para manter uma pressão diferencial constante com o gás de referência. A maior parte do gás tampão que entra na câmara de selagem regressa ao gás de processo através de um selo de labirinto.
Uma pequena porção vaza através do selo seco de gás do primeiro estágio, chamada de gás de vazamento do primeiro estágio. A maior parte deste gás é queimado em segurança num flare.
Uma película de gás estável, essencial para um funcionamento ideal a longo prazo, só se pode formar com o diferencial de pressão correto. O sistema consegue-o através da instalação de uma válvula de estrangulamento na saída do gás de fuga da primeira fase, ajustando a abertura da válvula para gerar a contrapressão adequada. Esta válvula também serve para limitar as fugas se o vedante da primeira fase falhar.
Além disso, o gás nitrogénio é introduzido como gás de isolamento através de um filtro e de uma válvula de redução de pressão num vedante de labirinto subsequente. A sua pressão é ligeiramente superior à pressão do óleo da caixa de rolamentos (normalmente à pressão atmosférica), criando um sistema de vedação de bloqueio fiável.
Isto assegura que o óleo de lubrificação da caixa de rolamentos não entra na vedação de gás seco e evita que o gás residual do processo contamine o óleo de lubrificação na área dos rolamentos.
Uma parte do gás de isolamento entra na caixa de rolamentos, enquanto o restante se mistura com a pequena quantidade de gás de processo não queimado do gás de fuga da primeira fase, denominado gás de fuga da segunda fase. Este pode ser ventilado em segurança para a atmosfera como um gás inofensivo para o ambiente.
O principal método para determinar se o vedante está a funcionar corretamente é através da monitorização do gás de fuga da primeira fase. Se ocorrer uma anomalia, a pressão e o caudal do vedante de gás seco da primeira fase aumentarão significativamente.
Se atingir um valor de alarme elevado pré-determinado, um transmissor de pressão envia um sinal para a sala de controlo, accionando um sinal de alarme. Isto alerta os operadores para verificarem se a pressão do sistema de controlo está dentro do intervalo previsto.
Quando a quantidade de fuga de gás atinge um valor de alarme extremamente elevado, indica que o vedante de gás seco falhou, accionando uma paragem do sistema para evitar danos no equipamento.
As vedações de gás seco são componentes de alta precisão que requerem atenção especial durante a instalação, desmontagem e uso. Normalmente, são aconselhadas as seguintes precauções:
Os vedantes de gás seco, concebidos para uma vasta gama de aplicações, normalmente não necessitam de manutenção em condições normais.
No entanto, é essencial monitorizar diariamente a fuga de vedantes. Um aumento da fuga pode indicar uma potencial falha do vedante, pelo que se deve prestar atenção aos seguintes aspectos:
Após extensa investigação e ensaios, os selos secos a gás têm sido amplamente adoptados em aplicações industriais. As crescentes exigências da indústria moderna em termos de eficiência energética, redução do consumo e proteção ambiental tornaram a fiabilidade, o mínimo de fugas, a longevidade e o funcionamento estável dos vedantes de veio em compressores centrífugos, que transportam grandes volumes de gases perigosos, uma necessidade.
Em comparação com os selos mecânicos de contacto convencionais, os selos secos a gás oferecem vantagens inigualáveis: vida útil mais longa, sem fugas do meio de processo e custos de manutenção mais baixos. Estes benefícios alinham-se com os objectivos pretendidos por vários tipos de vedantes de veio.
As vedações secas de gás podem ser adaptadas e aplicadas com sucesso a compressores centrífugos, bombas centrífugas, reactores e outros equipamentos, desde que sejam cumpridas as duas condições seguintes:
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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