Causas de falla del sello del empacador

1. Procedimientos de instalación

• Daños por almacenamiento: envejecimiento (calor, luz solar o radiación); distorsión (mal soporte, cargas pesadas).
• Daños por fricción: rodamiento o torsión no uniforme, o abrasión por deslizamiento sin lubricación.
• Corte por bordes afilados: conicidad inadecuada en las esquinas, bordes afilados en los puertos, ranuras de sellado, etc.
• Falta de lubricación.
• Presencia de suciedad.
• Uso de herramientas de instalación incorrectas.

2. Factores operativos

• Definición de servicio inadecuada: Composición de los fluidos, condiciones normales de trabajo o condiciones transitorias.
• Desprendimiento del sello debido al rodamiento localizado al cambiar la presión.
• Extrusión por expansión del sello (hinchamiento, descompresión térmica, explosiva) o por compresión.
• Tiempos de descompresión demasiado cortos que provocan ampollas.
• Desgaste por lubricación insuficiente.
• Daños por desgaste debido a fluctuaciones de presión.

3. Vida útil

Durante el funcionamiento normal, la vida útil de un sello polimérico está limitada por el envejecimiento y el desgaste. La temperatura, las presiones de funcionamiento, el número de ciclos (rotaciones, deslizamientos, tensiones mecánicas) y el entorno influyen en la vida útil total. El envejecimiento puede ser un fenómeno físico como una deformación permanente, o puede deberse a una reacción con sustancias químicas del medio ambiente. El desgaste puede deberse al roce de la junta contra otra superficie en aplicaciones dinámicas o a fuertes fluctuaciones de presión en aplicaciones estáticas. La resistencia al desgaste aumenta normalmente al aumentar la dureza del material de sellado. La corrosión de las piezas metálicas y la falta de lubricación de la superficie aumentan la tasa de desgaste.

4. Temperatura mínima y máxima

La capacidad de sellado de los elastómeros disminuye fuertemente si la temperatura es inferior a las recomendadas, debido a una pérdida de elasticidad. Las propiedades a baja temperatura pueden desempeñar un papel importante en el proceso de selección de sellos elastoméricos para aplicaciones submarinas en océanos fríos. A altas temperaturas se produce un envejecimiento acelerado. La temperatura máxima para los elastómeros varía entre 100 y 300°C. Los elastómeros que pueden funcionar a alrededor de 300°C tienden a tener una resistencia general deficiente y una resistencia al desgaste deficiente. En el diseño del sello, se debe reservar espacio para permitir la expansión del elastómero debido al aumento de temperatura (la expansión térmica de los materiales del sello es aproximadamente un orden de magnitud mayor que la de los aceros).

5. Presión

La presión ejercida sobre el sello puede provocar una deformación permanente del mismo (juego de compresión). El juego de compresión debe limitarse para garantizar un funcionamiento sin fugas. Otro problema que puede surgir a altas presiones es el hinchamiento (10-50%) del volumen del elastómero por absorción de los fluidos del pozo del medio ambiente. La hinchazón limitada es aceptable si el diseño del sello lo permite.

6. Diferenciales de presión

El elastómero debe tener una excelente resistencia a la extrusión si existe un gran diferencial de presión sobre el sello. La extrusión es la causa más común de falla en sellos de alta presión a altas temperaturas. La resistencia a la extrusión de un sello se puede aumentar aumentando su dureza. Los sellos más duros necesitan mayores fuerzas de interferencia y ensamblaje para un sellado efectivo. El espacio sellado debe hacerse lo más pequeño posible, lo que requiere tolerancias estrechas durante la fabricación.

7. Ciclos de presión

Los ciclos de presión pueden conducir a la degradación del elastómero por descompresión explosiva. La gravedad del daño al elastómero dependerá de la composición de los gases presentes en el material del sello y de qué tan rápido cambie la presión. Los materiales elastoméricos más homogéneos (por ejemplo, Viton) son más resistentes a la descompresión explosiva que los elastómeros (como Kalrez y Aflas), que normalmente contienen muchas cavidades pequeñas. La descompresión ocurre predominantemente en aplicaciones de elevación por gas. Si se producen ciclos de presión, es deseable un casquillo de sellado hermético porque limita el inflado del sello durante la descompresión. Este requisito entra en conflicto con la necesidad de tener espacio para la expansión térmica y el hinchamiento del sello. En aplicaciones dinámicas, un casquillo de sellado hermético puede provocar desgaste o atascamiento del elastómero.

8. Aplicaciones dinámicas

En aplicaciones dinámicas, la fricción del sello con el eje giratorio o alternativo (deslizante) puede causar desgaste o extrusión del elastómero. En el caso de un eje deslizante también puede producirse un rodamiento de la junta, lo que puede provocar fácilmente daños. Una situación exigente es la combinación de altas presiones y una aplicación dinámica. Para mejorar la resistencia a la extrusión de una junta, a menudo se aumenta su dureza. Una mayor dureza implica también que se necesitan mayores fuerzas de interferencia y de montaje, lo que da lugar a mayores fuerzas de fricción. En aplicaciones dinámicas, el hinchamiento del sello debe limitarse al 10-20%, ya que el hinchamiento dará como resultado un aumento de las fuerzas de fricción y el desgaste del elastómero. Una propiedad importante para aplicaciones dinámicas es una alta resiliencia, es decir, la capacidad de permanecer en contacto con una superficie en movimiento.

9. Diseño del asiento del sello

El diseño del sello debe permitir un hinchamiento (10-60%) del elastómero en petróleo y gas. Si no hay suficiente espacio disponible, se producirá la extrusión del sello. Otro parámetro importante es el tamaño del espacio de extrusión. A altas presiones, sólo se permiten espacios de extrusión muy pequeños, lo que exige tolerancias estrictas. En varios casos se pueden aplicar anillos antiextrusión. El diseño del asiento también debe tener en cuenta los requisitos de instalación del sello. Durante la instalación, el alargamiento elástico (estiramiento) no debe provocar una deformación permanente y el elastómero no debe dañarse con esquinas afiladas. Vale la pena señalar que los diseños con sello de prensaestopas son inherentemente seguros, ya que el sello no se estira durante la instalación, como es el caso en un diseño de sello de pistón. Por otro lado, los diseños de sellos de prensaestopas son más difíciles de fabricar y de difícil acceso para limpieza y reemplazo de sellos.

10. Compatibilidad con hidrocarburos, CO2 y H2S

La penetración de hidrocarburos, CO2 y H2S en el elastómero provoca un hinchamiento. El hinchamiento de los hidrocarburos aumenta con la presión, la temperatura y el contenido de aromáticos. El aumento reversible de volumen va acompañado de un ablandamiento gradual del material. La hinchazón causada por gases como H2S, CO2 y O2 aumenta con la presión y disminuye ligeramente con la temperatura. Los cambios de presión después del hinchamiento del sello pueden provocar daños por descompresión en el sello. El H2S reacciona con ciertos polímeros, lo que provoca una reticulación y, por tanto, un endurecimiento irreversible del material de sellado. El deterioro de los elastómeros en las pruebas de sellado (y posiblemente también en servicio) es generalmente menor que en las pruebas de inmersión, probablemente debido a la protección que ofrece la cavidad del sello frente al ataque químico.

11. Compatibilidad con productos químicos para el tratamiento de pozos e inhibidores de corrosión.

Los inhibidores de corrosión (que contienen aminas) y los fluidos de tratamiento de terminación son muy agresivos contra los elastómeros. Debido a la compleja composición de los inhibidores de corrosión y los productos químicos para el tratamiento de pozos, se recomienda determinar la resistencia del elastómero mediante pruebas.

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