Junta de estanqueidad mecánica con estabilidad de las caras mejorada.

Un conjunto (10) de estanqueidad para su uso con un árbol (18) rotatorio,

comprendiendo el conjunto (10) deestanqueidad:

un anillo (14) de estanqueidad que define una superficie (53) anular que se extiende axialmente y una cara (52) deestanqueidad, presentando el anillo (14) de estanqueidad un área en sección transversal con un centro de gravedad(CG); y

una carcasa (12) de anillo de estanqueidad que presenta una porción (30) de pie que define una superficie (32) deencaje que se extiende axialmente para su encaje mediante el ajuste de interferencia con dicha superficie (53)anular de dicho anillo (14) de estanqueidad, incluyendo así mismo dicha carcasa (12) de anillo de estanqueidad unaporción (48) de jamba baja que se extiende radialmente conectada a dicha porción (30) de pie y situadaradialmente en el exterior de dicha porción (30) de pie, presentando dicha porción (30) de pie, en su superficie (32)de encaje, una longitud (Lf) mayor que la longitud (Ls) axial de dicha porción (48) de jamba baja ; caracterizadoporque el anillo (14) de estanqueidad encaja con la formación (30) de pie en una posición, de manera que la presiónejercida por el encaje de ajuste de interferencia entre el anillo (14) de estanqueidad y la formación (30) de pieofrecerá un momento próximo al cero alrededor del centro de gravedad (CG).

Junta de estanqueidad mecánica con estabilidad de las caras mejorada Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a unos conjuntos de estanqueidad mecánicos de caras terminales. Más concretamente, se refiere a unos conjuntos de estanqueidad indicados para aplicaciones en una amplia gama de entornos operativos de temperaturas y presiones.

Las bombas, especialmente las de las refinerías y las plantas químicas, a menudo utilizan líquidos difíciles de cerrar de forma estanca, incluyendo el propano, el butano y otros líquidos inestables como combustibles o tóxicos. Estos líquidos pueden provocar el acortamiento de la duración de la junta de estanqueidad y la no deseable fuga del producto, dando lugar a la promulgación de normativas estatales sobre la salud y la seguridad de la emisión de las bombas.

Son conocidos los conjuntos de estanqueidad mecánicos de caras terminales y representan una solución satisfactoria a la fuga del producto. Los conjuntos de estanqueidad mecánicos de caras terminales encuentran amplias aplicaciones en el cierre estanco de líquidos existentes en bombas que presentan una carcasa y un árbol rotatorio extendido. Los conjuntos de estanqueidad por lo general incluyen un par de anillos de estanqueidad anulares que definen un par de caras de estanqueidad anulares relativamente radiales forzadas una contra otra para definir una superficie de contacto de estanqueidad. Estos anillos de estanqueidad son soportados sobre el árbol y la carcasa por los componentes del conjunto. Un anillo de estanqueidad, el anillo primario, puede ser desplazado axialmente y es forzado mediante un muelle de compresión o un fuelle metálico formando un contacto cara con cara con el otro anillo de estanqueidad, el anillo de acoplamiento, el cual está fijado contra el movimiento axial. El conjunto de estanqueidad puede incluir, o bien una junta de estanqueidad única o una junta de estanqueidad doble de forma que una presión de un fluido de amortiguación es suministrada a una presión más alta que el fluido del proceso que va a ser cerrado de forma estanca con el fin de impedir las fugas del fluido del proceso a través de la cara del anillo de estanqueidad. Dichas juntas de estanqueidad mecánicas son disponibles en John Crane, Inc. y se divulgan en las Patentes estadounidenses Nos. 5, 901, 965 y 5, 954, 341. La presente invención representa un perfeccionamiento de las juntas de estanqueidad mecánicas del tipo de las Patentes estadounidenses Nos. 5, 901, 965 y 5, 954, 341.

La Figura 1 muestra un conjunto 510 de anillo primario convencional (técnica anterior) de una junta de estanqueidad mecánica. El conjunto 510 de anillo primario de la junta de estanqueidad mecánica incluye un anillo 514 primario ajustado contra una carcasa 512 del anillo primario utilizando un ajuste a presión o una técnica de ajuste por contracción térmica, y un fuelle 516 fijado a un lado de la carcasa 512 del anillo primario. El ajuste a presión o el ajuste por contracción térmica proporcionan un ajuste de interferencia muy firme entre el anillo 514 primario y la carcasa 512 del anillo primario, en el que el anillo 514 primario está fijado radial y axialmente a la carcasa 512 del anillo primario. En el ajuste a presión, las piezas de acoplamiento, en las cuales la dimensión exterior del miembro interior es la misma o ligeramente mayor que la dimensión interior del miembro exterior, son forzadas una contra otra. En el ajuste en caliente, las piezas son unidas mediante contracción (encogimiento) de la pieza interior mediante enfriamiento e insertando la pieza interior dentro de la pieza exterior. La posterior expansión de la pieza interior mediante su retorno a la temperatura ambiente asegura un ajuste firme. Como alternativa, las piezas son unidas mediante la expansión de la pieza exterior mediante su calentamiento y la inserción de la pieza interior dentro de la pieza exterior. La contracción subsecuente de la pieza exterior mediante su retorno a la temperatura ambiente asegura un ajuste firme.

El ajuste de interferencia entre el anillo 514 primario y la carcasa 512 del anillo primario, actúa como una junta de estanqueidad estática secundaria impidiendo que se fugue el fluido del proceso cerrado de forma estanca entre el anillo 514 primario y la carcasa 512 del anillo primario. Así mismo, la fricción de contacto entre el anillo 514 primario y la carcasa 512 del anillo primario provocada por el ajuste de interferencia impide el movimiento circunferencial relativo del anillo 514 primario con respecto a la carcasa 512 del anillo primario.

Otras juntas de estanqueidad de la técnica anterior se divulgan en los documentos US-A-3560004, US-A-294182S, US-A-3131941, US-A-12002074732 y US-A-4335888.

La cantidad de interferencia para un tamaño de junta de estanqueidad determinado depende del diámetro nominal de la interferencia, de los coeficientes de expansión térmicos diferenciales, de los materiales de construcción de la carcasa y del anillo primario, y de la temperatura máxima operativa. Los valores representativos del coeficiente de expansión térmica y de algunos típicos materiales de la carcasa y del anillo de estanqueidad se representan en la Tabla 1.

Tabla 1 Coeficientes típicos de expansión térmica (10-6 nm / mm ºC)

Materiales de la Carcasa Materiales del Anillo Primario

Aleación 718 Aleación 42 Carbono WC SiC

12, 8 4, 3 4, 5 5, 2 4, 3

La Aleación 718 y la Aleación 42, posibles materiales para la formación de la carcasa, son aleaciones sobradamente conocidas y comercialmente disponibles en diversos suministradores de materiales. Tal y como puede apreciarse, la Aleación -42 presenta un bajo coeficiente de expansión térmica que coincide íntimamente con el de los materiales del anillo primario y, por tanto, a veces es una buena elección como material de construcción de la carcasa. Por desgracia, las aplicaciones de alta temperatura que contienen ácidos orgánicos corrosivos y compuestos con gran porcentaje de azufre tienden a corroer con facilidad la carcasa de la Aleación -42. Una práctica común en la industria consiste en aplicar un cromado al componente de la carcasa de la Aleación -42 para protegerla del ataque corrosivo. Sin embargo, dicho cromado no se considera que sea eficaz, en cuanto sirve solo para prolongar el carácter inevitable de la invasividad corrosiva.

Así mismo, hay algunos problemas difíciles asociados con la construcción de la carcasa a partir de la Aleación -718 cuando se utiliza con un diseño convencional de anillo primario de ajuste de interferencia. La Figura 2 muestra un diagrama de un diseño convencional (técnica anterior) , el cual presenta una carcasa 514 de una sola pieza del anillo primario. Una típica distribución PDZ de distribución de la presión para dicha junta de estanqueidad convencional se muestra, así mismo, en la Figura 2. Tal y como se aprecia en la Figura 2, la extensión del contacto está confinada a una zona bastante estrecha cerca del talón 540 de la porción 530 del pie de encaje. Esta zona de contacto estrecha crea un espacio libre 543 pequeño cerca de la puntera 542 de la porción 530 del pie de encaje. La Figura 3 muestra la distribución PDOD de la presión de contacto sometida a una temperatura operativa completa y a una presión externa aplicada sobre el anillo 514 primario mediante un líquido del proceso -barrera. La Figura 4 muestra la distribución PDID de la presión de contacto sometida a una temperatura y a una presión interna operativas completas aplicadas sobre el anillo primario por parte del líquido del proceso / barrera.

Otro problema asociado con la disposición de la carcasa 512 de una sola pieza del anillo primario, tal y como se muestra en la Figura 1, es que durante el ajuste de interferencia del anillo 514 primario con la carcasa 512 del anillo primario, se crean grandes esfuerzos y momentos de flexión en el área de la bisagra 513 de la carcasa 512. Estos grandes esfuerzos de flexión pueden provocar que la carcasa 512 se apriete o fracture al nivel de la bisagra 513 durante el proceso de ajuste de interferencia.

Breve descripción de los dibujos La Fig. 1 es una vista en sección transversal de un conjunto de anillo primario convencional (técnica anterior) de una junta de estanqueidad mecánica de fuelle.

La Fig. 2 es un diagrama de sólido aislado en sección transversal del conjunto del anillo primario convencional (técnica anterior) de la Fig. 1, que muestra la distribución de la presión de contacto bajo temperatura ambiente sin que se aplique un diferencial de presión sobre el anillo primario por parte del líquido del proceso / barrera.

La Fig. 3 es un diagrama de sólido aislado en sección transversal del conjunto del anillo primario convencional... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto (10) de estanqueidad para su uso con un árbol (18) rotatorio, comprendiendo el conjunto (10) de estanqueidad:

un anillo (14) de estanqueidad que define una superficie (53) anular que se extiende axialmente y una cara (52) de estanqueidad, presentando el anillo (14) de estanqueidad un área en sección transversal con un centro de gravedad (CG) ; y

una carcasa (12) de anillo de estanqueidad que presenta una porción (30) de pie que define una superficie (32) de encaje que se extiende axialmente para su encaje mediante el ajuste de interferencia con dicha superficie (53) anular de dicho anillo (14) de estanqueidad, incluyendo así mismo dicha carcasa (12) de anillo de estanqueidad una porción (48) de jamba baja que se extiende radialmente conectada a dicha porción (30) de pie y situada radialmente en el exterior de dicha porción (30) de pie, presentando dicha porción (30) de pie, en su superficie (32) de encaje, una longitud (Lf) mayor que la longitud (Ls) axial de dicha porción (48) de jamba baja ; caracterizado porque el anillo (14) de estanqueidad encaja con la formación (30) de pie en una posición, de manera que la presión ejercida por el encaje de ajuste de interferencia entre el anillo (14) de estanqueidad y la formación (30) de pie ofrecerá un momento próximo al cero alrededor del centro de gravedad (CG) .

2. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha porción (30) de pie incluye así mismo una porción (34) de pie interna que se extiende axialmente desde la conexión de dicha porción (30) de pie con dicha porción (48) de jamba baja .

3. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dicha porción (34) de pie interna se extiende axialmente desde la conexión de dicha porción (30) de pie con dicha porción (48) de jamba baja en una dirección alejada de dicha cara (52) de estanqueidad de dicho anillo (14) de estanqueidad.

4. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado porque dicha porción (34) de pie interna, en su superficie (53) de encaje, presenta una longitud (Lh) axial, la relación de la longitud (Lh) de la porción (34) de pie interna, en su superficie (32) de encaje, con respecto a la longitud (Lf) de la porción (30) de pie, en su superficie (32) de encaje, es mayor de 0, 5.

5. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la relación de la longitud (Lh) de la porción (34) de pie interna, en su superficie (32) de encaje, con respecto a la longitud (Lf) de la porción (30) de pie, en su superficie (32) de encaje, oscila entre 0, 556 y 0, 625.

6. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque dicha porción (30) de pie incluye así mismo una porción (38) de pie externa que se extiende axialmente desde la conexión de dicha porción (30) de pie con dicha porción (48) de jamba baja en una dirección alejada de dicha porción (34) de pie interna.

7. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha carcasa (12) de anillo de estanqueidad presenta una pieza (22) frontal y una pieza (24 trasera fijadas entre sí.

8. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque dicha carcasa (12) de anillo de estanqueidad incluye así mismo una junta soldada que fija dicha pieza (22) frontal a dicha pieza (24) trasera.

9. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha carcasa (12) de anillo de estanqueidad incluye así mismo una porción (44) de jamba alta que se extiende axialmente conectada a dicha porción (48) de jamba baja y situada radialmente hacia fuera de dicha porción (48) de jamba baja .

10. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque dicha pieza (24) trasera está fijada a dicha porción (44) de jamba alta .

11. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con las reivindicaciones 9 o 10, caracterizado porque dicha carcasa (12) de anillo de estanqueidad incluye así mismo un cubo (50) que se extiende radialmente hacia fuera desde la conexión de dicha porción (48) de jamba baja con dicha porción (44) de jamba alta .

12. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con las reivindicaciones 7, 8 u 11 que comprende así mismo un fuelle (16) fijado a dicha pieza (24) trasera de dicha carcasa (12) .

13. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha anillo (14) de estanqueidad es un anillo primario que puede ser desplazado axialmente con un árbol (18) comprendiendo así mismo dicha junta de estanqueidad un anillo (74) coincidente fijado contra el movimiento axial y una carcasa (72) del anillo coincidente, definiendo dicho anillo (74) coincidente una cara (102) de estanqueidad para su encaje con dicha cara (52) de estanqueidad de dicho anillo (14) primario, presentando dicha carcasa (72) de anillo coincidente una poción (82) de pie que define una superficie (84) de encaje para su encaje por ajuste de interferencia con dicho anillo (74) coincidente, incluyendo así mismo dicha carcasa (72) de anillo coincidente una porción (100) de jamba baja conectada a dicha porción (82) de pie y situada radialmente hacia fuera de dicha porción (82) de pie, incluyendo dicha porción (82) de pie de dicha carcasa (72) de anillo coincidente una porción (86) de pie interna que se extiende axialmente desde la conexión de dicha porción (82) de `pie con dicha porción (100) de jamba baja .

14. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque dicha porción (82) de pie de dicha carcasa (72) de anillo coincidente incluye así mismo una porción (90) de pie externa que se extiende axialmente desde la conexión de dicha porción (72) de pie con dicha porción (100) de jamba baja en una dirección alejada de dicha porción (86) de pie interna de dicha carcasa (72) de anillo coincidente.

15. Un conjunto (10) de estanqueidad para su uso con un árbol (18) rotatorio, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo así mismo el conjunto (10) de estanqueidad:

un fuelle (16) que define un diámetro eficaz a la presión diferencial cero aplicada sobre dicho anillo de estanqueidad (EdZ) dicha superficie de contacto de dicha porción (30) de pie con dicho anillo (14) de estanqueidad define un diámetro de interferencia (Ds) , situándose el diámetro de interferencia (Ds) , entre los márgenes de + 10% y -10% de dicho diámetro eficaz de dicho fuelle a la presión diferencial cero (Edz) .

16. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque el diámetro de interferencia ( Ds) se sitúa dentro de los márgenes de + 6% y de -6% de dicho diámetro eficaz de dicho fuelle a la presión diferencial cero (Edz) .

17. El conjunto (10) de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha carcasa (12; 72) de anillo de estanqueidad está formada por la Aleación 718.