Diagnóstico de fallas en sellos de gas seco de compresores centrífugos

La falla de los sellos de gas seco en compresores centrífugos obliga a realizar paradas no planificadas, activa secuencias de despresurización de emergencia y expone al personal a liberaciones de gases inflamables. La falla de un solo sello puede detener un tren de compresión completo durante días mientras se adquieren sellos de repuesto y se inspeccionan las trayectorias de gas caliente en busca de daños secundarios. Para los operadores que ejecutan servicios de servicio continuo —levantamiento por gas, refrigeración, transporte por ductos— la capacidad de diagnosticar la degradación incipiente del sello antes de una falla catastrófica determina directamente si el mantenimiento ocurre durante una parada de planta planificada o como una llamada de emergencia.

Los sellos de gas seco han reemplazado en gran medida a los sellos de película de aceite en nuevas instalaciones y modernizaciones porque eliminan la contaminación por aceite del gas de proceso, reducen las pérdidas de potencia parásitas y simplifican los sistemas auxiliares. Sin embargo, su funcionamiento sin contacto depende de mantener un espesor de película de gas preciso bajo condiciones dinámicas. Cualquier perturbación que cierre el espacio o altere el equilibrio de presión resulta en contacto, generación de calor y destrucción mecánica rápida de las caras del sello.

Contexto de normas y requisitos

API 617 se centra principalmente en compresores centrífugos y proporciona requisitos generales para su diseño y operación, mientras que API 692 aborda específicamente los sistemas de sellos de gas seco, incluidos los instrumentos y el equipo de soporte auxiliar. API 692 trata los sistemas de sellos de gas seco específicamente, brindando orientación sobre el acondicionamiento del gas de sello, la filtración, el diseño del panel de control y la instrumentación para monitorear el desempeño del sello.

La serie ISO 10816 establece criterios de severidad de vibración para maquinaria rotativa, lo cual puede ser relevante para evaluar la salud general del equipo rotativo, pero no aborda específicamente la relación entre la vibración y el deterioro del sello de gas seco. El equipo que opera dentro de la Zone A o Zone B se considera aceptable; la operación sostenida en la Zone C o Zone D indica un daño progresivo que eventualmente afectará a los sellos, cojinetes e impulsores.

Las actividades de mantenimiento y diagnóstico que impliquen la apertura de las carcasas de los sellos o la despresurización de los suministros de gas de sello deben seguir los procedimientos de trabajo en caliente, aislamiento y área clasificada específicos del sitio, de acuerdo con el estándar de clasificación de áreas eléctricas aplicable y las regulaciones locales.

Principios de funcionamiento y modos de falla de los sellos de gas seco

Cómo funcionan los sellos de gas seco

Un conjunto típico de sello de gas seco consiste en un anillo rotativo acoplado al eje del compresor y un anillo primario estacionario sostenido en un cartucho. El gas de sello limpio y filtrado, a una presión superior a la del gas de proceso, ingresa a la interfaz del sello. Unas ranuras en espiral poco profundas mecanizadas en una cara generan sustentación hidrodinámica a medida que el eje gira, creando una película de gas de varios micrómetros de espesor que evita el contacto entre las caras.

El sello opera en tres regímenes distintos. Durante el arranque y la parada por inercia por debajo de la velocidad de sustentación, las caras hacen contacto y un sello de nariz secundario evita la fuga de gas de proceso. Una vez que la velocidad de rotación genera suficiente presión hidrodinámica, las caras se separan y funcionan en modo sin contacto. En la parada, el sello vuelve al modo de contacto hasta que el eje se detiene.

Principales mecanismos de falla

El ingreso de contaminación es la causa principal de daños en las caras del sello. Las partículas, el arrastre de líquidos o los hidrocarburos polimerizados ingresan al suministro de gas de sello o migran desde el lado del proceso, se alojan entre las caras y rayan las superficies de sellado. Una vez que comienza el rayado, las ranuras pierden su capacidad de generar una sustentación uniforme, lo que provoca un contacto intermitente, generación de calor y desgaste acelerado.

La distorsión térmica ocurre cuando las temperaturas de las caras exceden los límites de diseño de los materiales de carbono o carburo de silicio. El calor excesivo hace que las caras se deformen, alterando la geometría paralela requerida para un espesor de película estable. Las fuentes de calor incluyen un flujo de gas de sello inadecuado, una alta temperatura del gas de proceso conducida a través de la carcasa del sello o el calentamiento por fricción debido al contacto por roce.

La pérdida de presión o flujo de suministro de gas de sello colapsa la película de gas. Si la presión de suministro cae por debajo de la presión del proceso más el diferencial requerido, el gas de proceso fluye de regreso hacia el sello, trayendo consigo contaminantes y componentes potencialmente condensables. Si el caudal cae por debajo del mínimo requerido para eliminar el calor por fricción, las temperaturas de las caras aumentan incluso sin contacto.

El daño mecánico por vibración o excursiones del eje rompe la delicada geometría de las caras. La vibración axial o radial excesiva hace que las caras del sello oscilen, lo que provoca un contacto intermitente. Los disparos del rotor, los eventos de surge o las fallas de los cojinetes pueden generar desplazamientos del eje que exceden la capacidad del sello para seguirlos, lo que resulta en un contacto duro y una destrucción inmediata.

Los errores de instalación representan una proporción significativa de las fallas en la etapa inicial de vida. El torque inadecuado de los pernos del cartucho del sello, la contaminación introducida durante el montaje, la compresión incorrecta del resorte o la desalineación entre la carcasa del sello y el eje pueden evitar que el sello logre alguna vez una operación estable sin contacto.

Seal gas vent flow

El flujo de venteo del gas de sello es el indicador principal de la condición de la cara del sello. En un sello que funciona correctamente, un flujo pequeño y estable escapa a través de la cara del sello primario hacia el sistema de venteo. Este flujo depende del diseño del sello, las propiedades del gas y la presión de operación, pero se mantiene constante para un conjunto dado de condiciones.

Una tendencia creciente en el flujo de venteo indica un aumento en la holgura entre las caras, lo que sugiere desgaste o distorsión térmica. Un cambio repentino de nivel indica un evento discreto como una excursión térmica, un incidente de contaminación o una fractura de la cara. Por el contrario, una disminución del flujo de venteo puede indicar una restricción en la línea de venteo, la obstrucción de las ranuras de la cara del sello o la formación de hielo en el sistema de venteo si hay humedad presente.

El flujo de venteo debe monitorearse continuamente y compararse con la línea base de puesta en marcha. Cualquier desviación sostenida justifica una investigación, incluso si los valores absolutos permanecen dentro de los límites especificados por el proveedor, porque la tasa de cambio a menudo proporciona una advertencia más temprana que el exceso de un umbral.

Seal gas supply pressure and differential pressure

La presión de suministro debe permanecer por encima de la presión del proceso por un margen suficiente para asegurar el flujo hacia adentro a través de la cara del sello primario bajo todas las condiciones de operación, incluyendo transitorios. El monitoreo de la presión diferencial entre el suministro de gas de sello y el gas de proceso revela si se mantiene la fuerza motriz requerida.

La pérdida de presión diferencial permite que el gas de proceso migre hacia la cavidad del sello, introduciendo contaminantes y componentes potencialmente condensables. Si el gas de proceso contiene gotas de líquido, estas pueden llegar a las caras del sello y causar daños inmediatos.

Seal housing temperature

Los termopares o detectores de temperatura por resistencia montados en la carcasa del sello proporcionan una medición indirecta de la temperatura de la cara. Aunque la temperatura de la carcasa va a la zaga de la temperatura de la cara, el seguimiento de tendencias revela estrés térmico antes de una falla catastrófica.

Un aumento gradual de la temperatura puede sugerir un incremento de la fricción por contacto parcial o un flujo de enfriamiento inadecuado, pero también podría ser resultado de otros factores como cambios en la temperatura ambiente o variaciones en las condiciones del proceso. Un pico rápido de temperatura indica una transición a un contacto de roce total. Si la temperatura de la carcasa se aproxima al límite de diseño de los materiales del sello, se debe iniciar una parada de planta para evitar daños secundarios en el muñón del eje del compresor, los cojinetes y el impulsor.

Vibration monitoring

La vibración axial y radial en la ubicación del sello refleja tanto la condición del sello como la salud mecánica del sistema del rotor. El aumento de la vibración puede causar la falla del sello, y la degradación del sello puede generar o amplificar la vibración a través de fuerzas de gas desequilibradas o contacto por roce.

Los espectros de vibración proporcionan información de diagnóstico. La vibración síncrona a la velocidad de funcionamiento sugiere desequilibrio, desalineación o flexión del eje. Los componentes subsíncronos pueden indicar inestabilidad inducida por fluidos o desgaste de cojinetes. El contenido de alta frecuencia a menudo se correlaciona con roces, cavitación o problemas de engranaje en unidades integradas de caja de engranajes y compresor.

Seal leakage to atmosphere

El sello secundario evita que el gas de proceso escape a la atmósfera a lo largo del eje. Una fuga visible, detectable por monitores de gas portátiles o sistemas de detección fijos, indica una falla del sello secundario. Esta condición requiere una parada de planta inmediata porque presenta un riesgo de liberación de gas inflamable y confirma que el sello primario ya ha fallado o ha sido puenteado.

Diagnostic workflow and decision logic

Cuando un sello de gas seco muestra signos de distrés, un enfoque de diagnóstico sistemático evita diagnósticos erróneos y guía las decisiones de intervención.

Paso 1: Verificar la integridad de la instrumentación. Antes de atribuir las tendencias a la degradación del sello, confirme que los transmisores funcionen, las líneas de impulso estén despejadas y el acondicionamiento de la señal sea correcto. Un termopar fallido o una línea de venteo obstruida pueden imitar los síntomas de falla del sello.

Paso 2: Correlacionar parámetros. Compare las tendencias de flujo de venteo, presión de suministro, presión diferencial, temperatura y vibración en un eje de tiempo común. Los cambios simultáneos sugieren una perturbación del proceso o un evento a nivel del sistema. Los cambios aislados en los parámetros apuntan a fallas específicas de componentes.

Paso 3: Revisar el historial operativo. Identifique eventos recientes que podrían estresar el sello: surge del compresor, parada de emergencia, cambios en la composición del proceso, interrupciones de servicios públicos o actividades de mantenimiento en el equipo de acondicionamiento de gas de sello.

Paso 4: Inspeccionar el acondicionamiento del gas de sello. Verifique la presión diferencial del filtro, la operación del drenaje del separador y la calidad del gas en la entrada del compresor. Los eventos de contaminación a menudo se originan aguas arriba en el sistema de suministro de gas de sello.

Paso 5: Evaluar la gravedad y el tiempo hasta la falla. Determine si la condición permite continuar la operación con un monitoreo incrementado, requiere una parada de planta controlada en la próxima oportunidad o exige un disparo inmediato. Este juicio depende de la tasa de cambio, los valores absolutos de los parámetros y la proximidad a los umbrales de falla conocidos.

Escenario ilustrativo de diagnóstico

El siguiente es un ejemplo ilustrativo construido para demostrar el razonamiento diagnóstico, no un informe de un incidente real.

Un compresor de inyección de gas en servicio continuo mostró un aumento gradual en el flujo de venteo del sello durante un período de 2 semanas. La presión de suministro y la presión diferencial se mantuvieron estables. La temperatura de la carcasa del sello aumentó ligeramente pero permaneció dentro del rango normal. Los niveles de vibración no cambiaron.

El equipo de mantenimiento revisó el historial reciente y encontró que se había cambiado un elemento filtrante del gas de sello 1 semana antes de que comenzara el aumento del flujo de venteo. La inspección de la carcasa del filtro reveló que el nuevo elemento no se había asentado correctamente, permitiendo una ruta de derivación para el gas sin filtrar. Partículas sólidas alcanzaron las caras del sello e iniciaron el rayado.

Debido a que la tasa de aumento del flujo de venteo fue gradual y otros parámetros se mantuvieron estables, el equipo optó por continuar la operación hasta la parada de planta programada 3 semanas después. El flujo de venteo y la temperatura se monitorearon continuamente. Tras el desmontaje, las caras del sello mostraron un rayado ligero consistente con la contaminación por partículas, pero sin daños térmicos ni fracturas. Se reemplazaron los sellos, se modificó la carcasa del filtro para evitar un asentamiento incorrecto y la unidad volvió al servicio.

Este escenario ilustra la importancia de correlacionar los cambios en el rendimiento del sello con las actividades de mantenimiento recientes y el valor de analizar las tendencias de múltiples parámetros para evaluar la gravedad.

Lista de verificación diagnóstica práctica

Utilice esta lista de verificación al investigar una presunta degradación del sello mecánico de gas:

  • Verificación de instrumentación: Confirmar que todos los transmisores relacionados con el sello funcionen y estén calibrados; verificar si hay líneas de impulso obstruidas o sensores fallidos.
  • Revisión de tendencias: Graficar el flujo de venteo, la presión de suministro, la presión diferencial, la temperatura y la vibración en un eje de tiempo común que cubra al menos el último mes.
  • Comparación con la línea base: Comparar los valores actuales de los parámetros con los datos de puesta en marcha y los puntos de referencia post-mantenimiento.
  • Correlación de eventos operativos: Identificar disparos recientes del compresor, eventos de surge, perturbaciones del proceso o interrupciones de servicios auxiliares.
  • Inspección del sistema de gas de sello: Verificar la presión diferencial del filtro, la operación del separador, la temperatura del gas y el punto de rocío en la entrada del compresor.
  • Análisis del espectro de vibración: Revisar el contenido de frecuencia en busca de firmas de roce, componentes subsíncronos o cambios en los picos de resonancia.
  • Estudio de detección de fugas: Utilizar detectores de gas portátiles para verificar fugas atmosféricas en la ubicación del sello secundario.
  • Consulta al proveedor: Contactar al fabricante del sello si las tendencias son ambiguas o están fuera de la experiencia documentada.
  • Evaluación de riesgos: Evaluar las consecuencias de continuar la operación frente a una parada controlada; considerar la criticidad del proceso, la capacidad de reserva y el tiempo hasta la próxima parada de planta programada.

Inspección y confirmación de la causa raíz

Cuando se requiere el reemplazo del sello, el desmontaje proporciona la única confirmación definitiva del modo de falla. Antes de abrir la carcasa del sello, el compresor debe aislarse de todas las fuentes de presión, despresurizarse y verificarse en energía cero. Se deben aplicar los procedimientos de bloqueo y etiquetado (LOTO), y obtener permisos de trabajo en caliente si la unidad ha contenido gas inflamable. Se debe utilizar detección de gas portátil y el área de trabajo debe estar clasificada apropiadamente para la área clasificada correspondiente.

Examine las caras del sello bajo aumento en busca de rayaduras, decoloración térmica, grietas o astillamiento. Los patrones de rayado indican contaminación; el daño térmico aparece como decoloración o alabeo; las grietas sugieren choque mecánico o ciclos térmicos más allá de los límites del material.

Inspeccione los elementos filtrantes del gas de sello, los separadores y la tubería de suministro en busca de fuentes de contaminación. Mida la presión diferencial del elemento filtrante antes y después del reemplazo. Drene e inspeccione los separadores en busca de acumulación de líquidos o depósitos sólidos.

Revise la composición del gas de sello y el punto de rocío para confirmar que no haya ocurrido condensación en el sistema de suministro. Si la fuente del gas de sello es gas de proceso, verifique que el sistema de acondicionamiento esté eliminando líquidos y partículas de manera efectiva.

Conclusión y próximos pasos

El diagnóstico eficaz de fallas en sellos mecánicos de gas depende del monitoreo continuo del flujo de venteo, la presión de suministro, la presión diferencial, la temperatura y la vibración, combinado con una correlación sistemática de tendencias y eventos operativos. La detección temprana de la degradación permite una intervención planificada antes de que una falla catastrófica obligue a una parada de emergencia.

Establezca valores de línea base durante la puesta en marcha y después de cada reemplazo de sello. Implemente tendencias y alertas automatizadas para los parámetros clave. Capacite al personal de operaciones y mantenimiento para reconocer las señales de advertencia temprana y ejecutar el flujo de trabajo diagnóstico.

Cuando se confirme el deterioro del sello, evalúe la gravedad y la criticidad temporal para determinar si se requiere una parada inmediata o si es aceptable continuar la operación con monitoreo mejorado hasta una parada de planta programada. Involucre siempre al proveedor del sello cuando las tendencias sean ambiguas o estén fuera de la experiencia documentada.

Priorice el análisis de causa raíz durante cada reemplazo de sello. La mayoría de las fallas de sellos son prevenibles mediante una filtración mejorada, un acondicionamiento adecuado del gas de sello, control de vibraciones o calidad de la instalación. Capturar y actuar sobre los datos del modo de falla genera un conocimiento institucional que reduce las fallas repetitivas y extiende la vida útil del sello.

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