Los fluidos refractarios requieren materiales de sellado no convencionales

Los fluidos hidráulicos a base de agua se usan ampliamente en petróleo y gas, minería, trenes de laminación en caliente y aplicaciones similares donde el potencial de incendio puede tener consecuencias catastróficas. La Organización Internacional de Normalización (ISO) clasifica los fluidos hidráulicos a base de agua resistentes al fuego en cuatro categorías:

  • Los HFAE, incluidas las emulsiones de aceite en agua, suelen contener más del 80 % de agua;
  • Los HFAS, es decir, los fluidos sintéticos a base de agua, suelen contener más del 80 % de agua;
  • HFB, una emulsión de agua en aceite, que generalmente contiene más del 40% de agua;y
  • Los HFC (también conocidos como soluciones de glicol, soluciones de polialquilenglicol y glicoles de agua), incluidas las soluciones acuosas de polímeros, suelen contener más del 35 % de agua.

Los fluidos HFC (glicol de agua) son los fluidos hidráulicos resistentes al fuego más utilizados y reemplazan cada vez más a los fluidos hidráulicos HLP en aplicaciones de fluidos hidráulicos y gases con alto riesgo de incendio. Ciertos materiales de sellado están probados y se usan tradicionalmente con fluidos HLP. Sin embargo, las diferentes composiciones químicas de los fluidos HFC y HLP significan que las propiedades de sellado de los dos fluidos no son necesariamente las mismas.

Las pruebas realizadas en Trelleborg han demostrado que los materiales de sellado que se utilizan normalmente con los medios HLP presentan un desgaste significativamente mayor en los fluidos HFC. Además, seleccionar el material de sellado correcto se vuelve más complicado debido al contenido variable de agua en el fluido HFC.

La mezcla de agua y glicol complica el sellado

En comparación con otros aceites hidráulicos, los fluidos HFC compuestos por agua y glicol tienen temperaturas de ignición significativamente más altas debido a su composición de agua y glicol. Esto los hace adecuados (a veces obligatorios) para aplicaciones con alto riesgo de incendio.

El contenido de agua de los fluidos HFC puede variar del 35 % al 50 %, y las propiedades tribológicas del fluido varían según el contenido de agua. Este hecho conduce a problemas fundamentales en la especificación de sistemas de sellado adecuados que cumplan con los criterios de rendimiento de por vida.

Las aplicaciones hidráulicas hidroneumáticas a menudo implican mucho movimiento, como los cilindros de compensación de tiro. Debido a la carrera larga, el sistema de sellado puede estar sujeto a un desgaste severo. La base de agua de los fluidos HFC tiene una resistencia a la abrasión limitada en comparación con los fluidos HLP a base de aceite. Dado que las aplicaciones de petróleo y gas utilizan cada vez más fluidos HFC y requieren una mayor vida útil de los sellos, hemos realizado una investigación sobre los mejores materiales de sellado para fluidos HFC.

Proceso de prueba

Realizamos una serie de pruebas en varios materiales para estudiar los diversos efectos en los sistemas que utilizan fluidos HFC y sus efectos sobre la fricción, la resistencia al desgaste y las fugas. El fluido HFC seleccionado para la prueba es uno que ha funcionado con éxito en aplicaciones críticas de petróleo y gas.

El diseño del sello del vástago sigue siendo el mismo en todos los materiales probados, incluidos los materiales patentados a base de politetrafluoroetileno (PTFE) y varios rellenos, polietileno patentado y poliuretano patentado. Medimos la reducción en la sección transversal radial del anillo de sello (medida w) y el cambio en el peso para determinar la tasa de desgaste.

Se utilizaron dos equipos de prueba, uno para medir el desgaste y el otro para medir la fricción. En las posiciones 1 y 4, la presión hidráulica en función de la dirección del vástago del pistón se invierte para replicar lo que sucedería en un sello de vástago en un cilindro diferencial. Las posiciones 2 y 3 se comportan igual que el sello del vástago en el cilindro del émbolo.

Las posiciones 2 y 3 y las posiciones 1 y 4 se ven afectadas de manera diferente por la presión relativa a la dirección de movimiento del vástago del pistón. Esto da como resultado diferencias en el espesor de la película lubricante, lo que puede tener un impacto significativo en las tasas de desgaste. Estas relaciones se confirmaron cuando se observó la pérdida de peso junto con las dimensiones del perfil del sello. Las desviaciones dimensionales de desgaste son mayores para los materiales a base de PTFE.

Los dos materiales con menor pérdida de peso (desgaste) son los compuestos patentados Zurcon Z80 y Zurcon Z13. La medición de la fuga del cilindro muestra que la fuga medible tiende a aumentar en las posiciones 1 y 4. Solo los sellos fabricados con Zurcon Z80 y Zurcon Z13 no tuvieron fugas apreciables.

La inspección visual mostró que los mejores resultados se obtuvieron con Zurcon Z13. Mientras que el Zurcon Z80 mostró una ligera contracción después de 1 millón de ciclos de trabajo, no se observaron anomalías en el Zurcon Z13 con la misma geometría de sello. El material a base de PTFE se desgasta significativamente después de 200 000 ciclos.

Resumen y Outlook

Durante las pruebas, se observó que el comportamiento del sello en relación con la fricción y el desgaste tuvo un gran efecto. Debido a las fluctuaciones significativas en el fluido HFC y la relación de mezcla (agua/glicol) en funcionamiento, el comportamiento confiable del sistema de sellado solo se puede predecir de forma limitada.

Para garantizar la vida útil y el rendimiento del sello en un sistema hidráulico, conocer el tipo específico de fluido hidráulico en uso y usar los resultados de las pruebas y la experiencia puede hacer coincidir el material de sello correcto con el fluido hidráulico.

Aunque los materiales a base de PTFE se han utilizado con éxito en fluidos HFC, los materiales de sellado alternativos, como Zurcon Z80 y especialmente Zurcon Z13, pueden proporcionar una mejor resistencia al desgaste para una vida útil más prolongada.

Dra. Mandy Wilke, tecnóloga europea de energía de fluidos

Holger Jordan, director de división de Fluid Power Europe

Soluciones de sellado de Trelleborg , Sutergart, Alemania.

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