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Estoperos El estopero es una de las partes más importantes de una bomba centrífuga. Aun pequeños defectos en su arreglo o condición pueden evitar la operación correcta de la bomba. Los estoperos tienen la función principal de proteger la bomba contra escurrimiento en el punto en el que la flecha atraviesa la cubierta de la bomba. Sin embargo, esta función varía tanto en sí misma como en la forma en que se ejecuta. Por ejemplo, si la bomba maneja una elevación de succión y si la presión en el interior del estopero es inferior del estopero es inferior a la atmosférica, la función del estopero es evitar que entre aire a la bomba. Si esta presión es superior a la atmosférica, la función es evitar el escurrimiento de líquido fuera de la bomba.
Para bombas de servicio general, un estopero generalmente toma la forma de un hueco cilíndrico que aloja varios anillos de de empaquetadura alrededor de la flecha o del manguito de la flecha. Si se desea sella el estopero, se usa un anillo farol (anillo de linterna), o jaula de sello que separa los anillos de empaque en secciones aproximadamente iguales. La empaquetadura está comprimida para dar el ajuste deseado en la flecha o manguito por medio de un cuello o casquillo del prensaestopas, que puede ajustarse en dirección axial. El fondo o extremo interior de la caja del estopero puede estar formado por la propia cubierta de la bomba, un buje de garganta, o un anillo de base.
Por razones de fabricación, los bujes de garganta se usan mucho en bombas pequeñas con cubiertas axialmente dividas. Al maquinar las fundiciones para estas bombas, el diámetro de un cuello de estopero formado integralmente limitaría el tamaño de la barra taladradora a un diámetro imprácticamente pequeño. Los bujes de garganta son siempre sólidos en vez de divididos. El buje se sostiene para que no gire por medio de una junta machihembrada fija a la mitad inferior de la cubierta.
Jaula de sello
Cuando una bomba opera con altura de succión negativa, el extremo interior del estopero está sujeto al vacío y el aire tiende a meterse dentro de la bomba. Para este tipo de servicio, la empaquetadura generalmente está dividida en dos secciones por un farol o jaula de sello hidráulico. Se introduce a presión agua o algún otro líquido de sello en el espacio, originando flujo del líquido obturador en ambas direcciones axiales. Esta construcción es útil para bombas que manejan líquidos inflamables o químicamente activos y peligrosos ya que evita el flujo hacia el exterior del líquido bombeado. Las jaulas de sello, por lo general, están divididas axialmente para facilitar su ensamble.
Algunas instalaciones están sujetas a condiciones de succión variables, operando la bomba una parte del tiempo con carga en la succión y otra parte del tiempo con elevación de succión. Cuando la presión de operación dentro de la bomba excede a la atmosférica, la jaula de sello líquido deja de operar (excepto para lubricación). Sin embargo, se mantiene en servicio de modo que cuando la bomba se ceba al arrancar, se pueda excluir todo el aire.
Distribución del líquido de sello
Cuando una bomba maneja agua fresca y limpia, los sellos del estopero están, generalmente, conectados a la descarga de la bomba, o, en bombas de varios pasos, a un paso intermedio. Un abastecimiento independiente de agua de sello deberá proveerse si existe cualquiera de las siguientes condiciones:
1. Una elevación de succión de más de 5 m.
2. Una presión de descarga de menos de 0,7 kg/cm2 (o 7,01 m de altura de elevación).
3. Agua caliente (más de 121,1 ºC) que se maneja sin enfriamiento adecuado (excepto pata bombas de alimentación de calderas, en las que no se usan jaulas de sello)
4. Si se maneja agua lodosa, arenosa o con arenisca.
5. Para todas las bombas de pozo caliente.
6. Si el líquido que se maneja es otro que no sea agua - como ácido, jugos, melazas o líquidos pegajosos- sin provisión especial en el diseño del estopero por la naturaleza del líquido.
Cuando el agua de sello se toma de la descarga de la bomba, se puede hacer una conexión externa con tubo de pequeño diámetro o conductos internos. En algunas bombas, estas conexiones están arregladas de modo que un líquido obturador puede introducirse dentro del espacio de la empaquetadura a través de un conducto interior taladrado ya sea de la cubierta de la bomba o de una fuente exterior.
A veces es conveniente localizar la jaula para sello con más empaquetadura en un lado. Por ejemplo, en servicio de agua arenosa, la colocación de la jaula para sello distribuiría una mayor porción de líquido obturador hacia adentro de la bomba evitando en esa forma que la arena entre al estopero.
Si no se dispone de agua limpia y fresca (como en las bombas de drenaje, de irrigación y de albañal) con frecuencia se usan sellos de grasa o aceite. La mayoría de las bombas para servicio de albañal tienen un solo estopero sujeto a la presión de descarga y están colocadas con una succión inundada. Por ello no es necesario sellar esas bombas contra la entrada de aire, pero forzando grasa en el espacio obturador y la empaquetadura ayuda a excluir arenisca.
Un obturador automático de aceite que ejerce presión de descarga en un cilindro a un lado del émbolo, con aceite o grasa delgada en el otro lado, puede aplicarse en servicio de albañal. La línea de aceite o grasa se conecta a la conexión del sello que está a presión cercana a la de descarga. Como el extremo interior del estopero estaría al 80% de la presión de descarga, hay un flujo lento de grasa o aceite dentro de la bomba cuando la unidad está en operación. No hay ningún flujo cuando la bomba está fuera de servicio.
Algunas bombas manejan agua en la cual hay sólidos pequeños y aun microscópicos. Si se usa agua de esta clase como líquido obturador se introducen los sólidos en el trayecto del escurrimiento acortando la vida de la empaquetadura y de los manguitos. A veces es posible eliminar estos sólidos instalando pequeños filtros a presión en la tubería de agua de sello de la voluta al estopero.
Estoperos enfriados con agua
Las altas temperaturas o presiones complican el problema de mantener la empaquetadura de los estoperos. Las bombas en estos servicios más difíciles generalmente están provistas con estoperos enchaquetados enfriados con agua. El agua de enfriamienmiento quita calor al líquido que escurre por estopero y el calor generado por la fricción en la caja mejorando así las condiciones de servicio de la empaquetadura. En algunos casos especiales se puede usar aceite o gasolina en vez de agua en las chaquetas de enfriamiento. Se dispone de dos diseños de estoperos enfriados con agua. El primero tienen conductos taladrados en el material de la cubierta. Estos conductos que rodean el estopero están arreglados con conexiones de entrada y salida. El segundo tipo usa una cámara separada de enfriamiento combinada con el estopero propiamente dicho, insertándose todo el conjunto y atornillándose a la cubierta de la bomba. La selección etre estos dos se basa en preferencias de fabricantes.
Condiciones de presión y temperatura
En los últimos años, un conocimiento más completo de la interrelación de las presiones de los estoperos, velocidades de frotación y temperaturas de escurrimiento, ha conducido a un diseño mejorado de enfriado con agua. Las cajas ahora se han construido para temperaturas hasta de 204,4ºC y presiones en el estopero hasta de 35 kg/cm2, sin secciones reductoras de presión ni laberintos. Para mayor eficiencia de enfriamiento, la diferencia de temperatura entre el líquido enfriador y el escurrimiento por la caja debe mantenerse a un máximo en todos los puntos. En este diseño, el agua de enfriamiento se introduce más cerca del exterior del estopero. Antes de moverse axialmente hacia el interior de la bomba, el agua de enfriamiento se circula completamente alrededor de esa porción del estopero que rodea la empaquetadura. Se provee un conjunto taladrado de esta cámara anular hacia el interior de la bomba. El agua de enfriamiento circula luego en una cámara anular secundaria que se prolonga dentro de la bomba más allá de la empaquetadura. Esto permite el preenfriamiento del escurrimiento del estopero antes de que llegue a la empaquetadura. El agua de enfriamiento escapa entonces a través de un segundo conducto taladrado a la salida de la cámara de enfriamiento. En este diseño el agua de enfriamiento más fría está adyacente al escurrimiento más frío. Habiendo recogido algo de calor, el agua de enfriamiento fluye al interior de la bomba a una temperatura más alta y enfría un escurrimiento de temperatura también mas alta. Una de esas unidades ha operado continuamente durante más de un año sin renovar la empaquetadura, en una condición de operación del estopero de 22,75 kg/cm2 y 204,4ºC. El diámetro de la flecha en el estopero era 10,16 cm y la velocidad de operación 3600 r.p.m.
Las limitaciones de presión y temperatura del estopero varían ampliamente con el tipo de bomba, porque generlamente no es económico usar una construcción cara de estopero para apliaciones poco frecuentes de alta temperatura o presión. Por lo tanto, siempre que se exceden las limitaciones del fabricante de un estopero para una bomba dada, la única solución es la apliacación de dispositivos reductores de presión antes del estopero.
Dispositivos reductores de presión
Esencialmente, los dispositivos reductores de presión consisten de un buje o de de un laberinto enrejado, que termina en una cámara de alivio localizada entre el interior de la bomba y el estopero. La cámara de alivio está conectada a un punto apropiado de baja presión en la instalación y el escurrimiento que pasa por el dispositivo reductor de presión en la instalación, y el escurrimiento que pasa por el dispositivo reductor de presión se regresa a este punto. El único incoveneiente a la aplicación de estos dispositivos es la necesidad de descargar una parte de la capacidad efectiva de la bomba de retorno a un nivel de presión más bajo, y la reducción de la eficiencia en la instalación. Si se debe recuperar el líquido bombeado, como con agua tratada de alimentación, se regresa al ciclo de bombeo. Si el líquido se desperdicia, la cámara de alivio puede conectarse a un drenaje. Hay muchos diseños diferentes de dispositivos reductores de presión.
Empaquetadura del estopero
Básicamente, la empaquetadura del estopero es un dispositivo de abatimiento de presión. La empaquetadura debe ser algo plástica de modo que pueda ajustarse para la operación para la operación adecuada. También debe absorber energía sin dañar la flecha o el manguito o inutilizarlos. En un abatimiento de esta naturaleza se libera energía de fricción. esta genera calor que debe disiparse en el líquido que fluye por el abatimiento o por medio de agua de enfriamiento en chaquetas o por ambos.
Hay muchos materiales para empaquetadura de estoperos, cada uno adaptable a alguna clase especial de servicio. Algunos de los tipos principales son los siguientes:
1. Empaquetadura de asbesto comparativamente suave y apropiada para la aplicaciones de agua fría y caliente en el campo de baja temperaturas. Es el material de empaque más común para servicio general a presiones normales. Para presiones arriba de 14 kg/cm2 esta empaquetadura sólo puede usarse a velocidades de frotamiento muy reducidas. La empaquetadura de asbesto está prelubricada, ya sea con grafito o algún aceite inerte.
2. Empaquetadura metálica compuesta de cordones metálicos o lámina delgada con grafito o aceite lubricante impregnados y con un núcleo de asbesto o plástico. La impregnación hace esta empaquetadura autolubricada para el periodo de arranque. Las láminas se hacen de varios metales como babbit, aluminio y cobre. La laminilla de babbit se usa en servicios de agua y aceite para temperaturas bajas y medianas (hasta de 232 ºC) y presiones medias a altas. El cobre se usa para temperaturas y presiones medianas a altas con agua y aceite de bajo contenido de azufre. El aluminio se usa principalmente, en servicio de aceite y para temperaturas y presiones medianas a altas
Muchos otros tipos de empaquetadura se suministran regularmente para ajustarse a las especificaciones especiales de los clientes, por ejemplo, el tipo de cáñamo en cuerda o trenza, loneta, tipo chevrón, y otros demasiado numerosos para mencionarlos.
La empaquetadura se surte ya sea en espiral de rollo continuo de sección cuadrada o en anillos preformados moldeados con troquel. Cuando se usa empaquetadura de tipo de rollo espiral, se corta en tramos que formen anillos separados. Los extremos se cortan con una junta diagonal o charpada y con un pequeño espacio libre para la expansión y evitar que se tuerzan. Los anillos tienen una tendencia a hincharse por la acción del líquido y la elevación de temperatura. La junta charpada permite que los extremos se deslicen y literalmente absorban la expansión.
Es preferible, cuando es posible, usar anillos de empaquetadura moldeados con troquel que se surten en tamaño exacto y en juegos. Un anillo moldeado asegura un ajuste exacto a la flecha o manguito y al hueco del estopero y también establece igual densidad de empaque en toda la caja del estopero.
Frecuentemente, se puede lograr una vida más eficiente de la empaquetadura por la combinación de dos o más diferentes clases de empaquetadura, por ejemplo, alternando anillos suaves y duros. Estos juegos generalmente se obtienen en combinaciones de anillos formados con troquel de los fabricantes de empaques más conocidos.
Para mejores resultados, las flechas o manguitos de las flechas deberán estar en alineación perfecta, concéntrica con el eje de rotación, altamente pulidas, y deberán operar sin vibración. El material del que están hechas es también sumamente importante, porque afecta directamente la vida y mantemiento de la empaquetadura.
Prensaestopas de estopero
Los prensaestopas de estopero pueden tener varias formas, pero básicamente se puede clasificar en dos formas:
1. Prensaestopas sólidos
2. Prensaestopas divididos.
Los prensaestopas divididos están hechos en mitades de modo que se pueden sacar de la flecha sin desmantelar la bomba, dejando así más espacio libre cuando se están reempacando los estoperos. Los prensaestopas divididos son convenientes para bombas que se tienen que reempacar con frecuencia, especialmente si el espacio entre la caja y el cojinetete es restringido. Las dos mitades se mantienen juntas generalmente con tornillos, aunque también se usan otros métodos. Los prensaestopas divididos son, por lo general, un refinamiento de construcción más que una necesidad y raras veces se usan en bombas pequeñas. Generalmente se suministran para bombas grandes de un sólo paso, para algunas bombas de varios pasos y para bombas de refinería. Otro refinamiento común es el uso de tornillos de gozne en los prensaestopas de los estoperos. Estos tornillos pueden girarse a un lado, fuera del campo, cuando el estopero se está reempacando.
El escurrimiento de los estoperos a la atmósfera puede, en algunos servicios, molestar seriamente y aun poner en peligro al personal de operación, por ejemplo, cuando líquidos como los hidrocarburos se bombean a temperaturas de vaporización o a temperaturas superiores a su punto de inflamación. Como este escurrimiento no siempre puede enfriarse lo suficiente con un estopero enfriado con agua, se usan prensaestopas sofocantes. Se hace provisión en el propio prensaestopas para introducir un líquido - ya sea agua u otro hidrocarburo a baja temperatura- que se mecla íntimamente con el escurrimiento, bajando su temperatura o, si el líquido es volátil, absorbiéndolo.
Los prensaestopas de estoperos generalmente se hacen de bronce, aunque se puede usar hierro colado o acero para bombas equipadas totalmente con hierro. Los prensaestopas de hierro o acero generalmente se recubren con un material antichispa como bronce en servicio de refinerías para evitar la ignición de vapores inflamables al producir chispas los prensaestopas contra una flecha o manguito de metal ferroso.
Mantenimiento de estoperos
El mantenimiento de los estoperos consiste principalmente en reponer las empaquetaduras. Aunque esto parece sencillo, deberá hacerse correctamente, o la operación de la bomba no será satisfactoria. Se debe seguir el siguiente procedimiento para reemplazar un estopero:
1.-Nunca traté de agregar uno o dos anillos al empaque viejo. Esto es falsa economía. Saque el empaque viejo completamente, usando un extractor de empaquetaduras, si se tiene a mano, y límpiese perfectamente la caja. Revise el manguito para asegurarse que está en condiciones aceptables. Si se pone empaquetadura nueva en una caja contra un manguito áspero o bastante desgastado no se obtendrá un servicio satisfactorio.
2. Asegúrese de que la empaquetadura nueva es de tipo adecuado para el líquido, presión y temperatura de operación. A menos que el empaque venga preformado en juegos, asegúrese de que cada anillo se corte a escuadra en un mandril de tamaño correcto.
3. Inserte cada anillo de empaquetadura por separados, empujándolo derecho dentro de la caja y asentándolo firmemente, usando anillos divididos de empuje de tamaño apropiado, que se ajusten bien a la caja. Los anillos de empaque sucesivos deberán girarse para que sus juntas queden separadas 120 o 180 grados.
4. Cuando se usa una jaula de sello, asegúrese de que se instala entre los dos anillos de empaque apropiados para que maneje correctamente el suministro de líquido obturador cuando el estopero está totalmente empacado y ajustado.
5. Después de que se han insertado todos los anillos de empaquetadura requeridos, instale el prensaestopas y apriete firmemente las tuercas del mismo. Asegúrese de que el casquillo penetra en el estopero derecho sin ladearse, para toda la periferia de la empaquetadura tenga una presión uniforme.
6. Después del primer apriete del prensaestopas, retrocédanse las tuercas hasta que sólo estén apretadas con los dedos. Arranque la bomba con el estopero flojo, de modo que haya un escurrimiento inicial excesivo. Apriétense ligeramente y parejas las tuercas del prensaestopas, a intervalos de quince a veiente minutos, de modo que el escurrimiento se reduzca a lo normal después de varias horas.
No se pretenda reducir el escurrimiento al estado de "goteo". debe ser un flujo continuo, suficiente para arrastrar el calor de fricción de la empaquetadura. A menos de que escurra suficiente líquido por la caja para eliminar el calor, la empaquetadura se quemará y se rayará el manguito. (En bombas con prensaestopas de enfriamiento, suspenda el suministro de agua de enfriamiento a intervalos y observe el escurrimiento real por el estopero, de otro modo la inspección visual no puede distinguir entre el escurrimiento por el empaque y el suministro de agua de enfriamiento).
El reempacado y ajuste de estoperos sólo deberá ejecutarlo personal experimentado. Cuando se asigne este trabajo a otros se les deberá advertir que no pongan demasiada presión en el prensaestopas. Se debe aclarar que el escurrimiento excesivo no es tan perjudicial como cuando es escaso.
La empaquetadura que se saca de un estopero cuando se reempaca, deberá examinarse con objeto de obtener toda la información que sea posible sobre la causa del desgaste del empaque. Con frecuencia las condiciones de operación susceptibles de corregirse o procedimientos de empaque inadecuados se revelan por este examen. Algunos de los síntomas más frecuentemente encontrados son los siguientes:
1. Desgaste excesivo en los anillos más cercanos al prensaestopas, mientras que los del fondo permanecen en buen estado, se debe a apriete excesivo de la empaquetadura en un ajuste o por no insertar los anillos uno a uno y empujándolos hasta su lugar antes de insertar el siguiente.
2. El carbonero o lustrado de la circunferencia interior de los anillos es causado por el calor excesivo, lubricación insuficiente, o material de empaque inadecuado para las condiciones de presión y temperatura.
3. El desgaste en la circunferencia exterior de los anillos ocurre cuando giran dentro de la caja del estopero.
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