Tecnologia de selos de face de bombas centrífugas: comparação de sistemas simples, duplos e de cartucho

1. Introdução

Eficiência e confiabilidade na operação de bombas centrífugas em empresas industriais da Ucrânia dependem criticamente do estado dos conjuntos de vedação do eixo. Vazamento do meio de trabalho através das mangas de vedação ou construções obsoletas causa paradas de emergência, multas ambientais e perdas significativas de produtividade. De acordo com os dados da nossa prática engenheira na UNITEC-D GmbH, mais de 40% das manutenções não programadas do equipamento de bombas nas indústrias química, metalúrgica e energética estão relacionadas especificamente ao falimento das vedações de extremidade. A escolha correta da construção — simples, dupla ou cartucho — define o índice MTBF (tempo médio entre falhas), que para sistemas modernos deve exceder 25 000 horas de operação contínua.

2. Princípios Fundamentais

A operação do selo de face baseia-se na criação de um selo hermético entre duas superfícies planas que giram uma em relação à outra. Uma das pares de faces está fixada no eixo (elemento anular rotativo), enquanto a outra está no corpo da bomba (anel fixo, estacionário). A hermeticidade é alcançada graças à força axial criada pelo bloco de mola e pela pressão hidráulica do meio.

O processo físico principal é a formação de uma película de líquido entre as superfícies de atrito (face gap). A espessura dessa película geralmente varia entre 0,5 e 3 micrômetros. Se a película for muito fina, ocorre atrito seco, sobrecarga térmica e degradação do carbeto de silício ou do grafite. Se for muito espessa, aumenta o vazamento volumétrico do meio. O cálculo dos parâmetros de atrito baseia-se no coeficiente hidrodinâmico de carga ($K$), que é determinado pela fórmula:

K = (P_3 - P_b) / (P_s - P_b)

de $P_3$ — pressão na câmara de vedação, $P_b$ — pressão nas superfícies de atrito (equilíbrio), $P_s$ — pressão ambiente.

3. Especificações técnicas e padrões

Projeto e fabricação de selos de extremidade são regidos por padrões internacionais e nacionais que garantem intercambiabilidade e segurança:

• ISO 2858 — Dimensões terminais e características nominais para bombas centrífugas com sucção axial (classe PN 16).
• ISO 21049 / API 682 — Condições técnicas para sistemas de vedação de eixos de bombas centrífugas e de rotação. Define a classificação de construções (Categorias 1, 2, 3) e os tipos de planos de limpeza (Plan 11, 32, 53A etc.).
• DIN 24960 — Norma alemã para dimensões e classificação de rodas fixas e girantes.
• DSTU ISO 5199 — Requisitos técnicos para bombas centrífugas. Classe II.
• ДСТУ EN 809 — Bombas e agregados bomba para líquidos. Requisitos gerais de segurança.

Certificação conforme os padrões CE e UkrSEPRO é obrigatória para fornecimento de equipamentos no mercado ucraniano, garantindo a conformidade com as normas de segurança industrial NПАОП 0.00-1.59-18.

4. Escolha e seleção: Sistemas únicos, duplos e de cartucho

O projeto técnico do selo baseia-se nas propriedades físico-químicas do meio transportado (temperatura, viscosidade, toxicidade, presença de abrasivo), bem como na pressão de trabalho e na velocidade de rotação do eixo.

5. Melhores práticas de montagem e colocação em operação

Erros durante a montagem são a causa de 50% das falhas prematuras de vedação. O cumprimento do regulamento garante o recurso projetado:

1. Verifique o play radial do eixo na zona do anel de vedação. Ele não deve exceder 0,05 mm para velocidades até 3000 rpm.
2. Realize o deslocamento axial do eixo (jogo axial) — o valor permitido não deve exceder 0,13 mm.
3. Limpe as posições de montagem. Utilize óleos neutros para facilitar a montagem dos anéis O-ring (não utilizar óleos minerais com elastômeros de etileno-propileno EPDM).
4. Ao instalar o selo de cartucho, aperte os parafusos da junta de forma uniforme (em cruz) com o momento de aperto especificado.
5. Após a fixação do selo no eixo, é obrigatório remover as clipe de montagem (setting clips), caso contrário, inevitavelmente ocorrerá danos mecânicos às superfícies durante a partida.
6. Realize a pré-pressão e encha a câmara de selagem com líquido. O arranque "a seco" mesmo por 3 segundos causa choque térmico e destruição dos anéis de carvão grafitado.

6. Modos de falha e análise de causa raiz (RCA)

O visual inspection das superfícies de atrito após a desmontagem permite determinar com precisão a causa da falha:

• Choque térmico (Thermal Stress): Fissuras radiais nos anéis rígidos (carbeto de silício SiC, carbeto de tungstênio WC). Causa: operação sem líquido de resfriamento ou deslocamento do fluxo de lavagem.
• Desgaste abrasivo (Abrasive Wear): Desgaste uniforme das extremidades com formação de sulcos profundos. Causa: alto teor de partículas duras no meio, ausência de separador ciclônico (Plano 31) ou filtro.
• Corrosão química (Chemical Attack): Inchaço, amolecimento ou degradação de vedações secundárias (elastômeros). Causa: escolha incorreta do material (por exemplo, uso de Viton em ambientes com amônia ou cetonas).
• Erosão por cavitação (Cavitation Erosion): Ocasões de erosão superficial (pitting) em peças metálicas e de carbono. Causa: operação da bomba fora das curvas características de trabalho (Q-H), baixo índice de cavitação ($NPSH_a < NPSH_r$).

7. Manutenção prevista e monitoramento do estado

Para prevenir acidentes em agregados de bombas críticos das empresas ucranianas, utilizam-se métodos modernos de diagnóstico:

• Análise de vibração: Medição de vibrações de alta frequência (análise espectral pelo método de demodulação/HFE) permite detectar desbalanceamento, cavitação e a fase inicial de oscilações autônomas do selo.
• Termometria: Controle contínuo da temperatura na câmara de vedação (ou do líquido de barreira). Aumento da temperatura acima de +85°C em ambientes aquáticos indica piora da lubrificação ou sujeira nas linhas de lavagem.
• Monitoramento de vazamentos: Para selos duplos — controle do nível e da pressão do fluido de buffer no tanque do sistema de alimentação (Plano 53A). A queda de pressão indica danos no selo interno ou externo.

8. Matriz comparativa de configurações

9. Conclusão

A escolha da tecnologia de vedação de extremidade para bombas centrífugas é uma solução de engenharia que diretamente influencia na segurança e na economia da produção. A transição de selos para sistemas modernos balanceados e de cartucho reduz o consumo de energia devido ao atrito e elimina totalmente os vazamentos não controlados. Os engenheiros da UNITEC-D GmbH estão prontos para fornecer suporte especializado na seleção de componentes ótimos, no cálculo de sistemas de API 682 e no fornecimento de peças de reposição originais para sua empresa.

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10. Referência

• ISO 21049:2004 — Bombas — Sistemas de vedação de eixo para bombas centrífugas e rotativas.
• API Standard 682 — Sistemas de Selagem de Eixo para Bombas Centrífugas e de Movimento Rotatório, 4ª Edição.
• DIN EN 12756 — Selos mecânicos — Dimensões principais, designação e códigos de materiais.
• DSТU ISO 5199-2001 — Bombas centrífugas. Classe II. Requisitos técnicos.
• Whitepapers Técnicos & Diretrizes de Engenharia, Arquivos do Laboratório da UNITEC-D GmbH, Augsburg, 2023.