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¿Por qué los enfoques estáticos para la gestión de juntas empernadas pueden no ser suficientes?

Las ensamblajes de juntas de brida empernadas (BFJA) son conexiones críticas de límites de presión en tuberías, recipientes a presión e intercambiadores de calor. La confiabilidad de estas juntas depende no solo del diseño ingenieril, sino también de qué tan bien se seleccionan, ensamblan y mantienen los materiales.

La relajación de la junta y los pernos es un componente crítico de esa confiabilidad. Si no se maneja, la relajación puede llevar a un rendimiento de sellado comprometido y a la integridad de la junta a largo plazo. Para mejorar la confiabilidad de las BFJA, es vital entender cómo se comportan los materiales de la junta bajo carga, cómo cambia el estrés del perno con el tiempo y cuándo aplicar procedimientos de retorqueo.

¿Cuándo Ocurre la Relajación?

Las juntas de lámina (por ejemplo, politetrafluoroetileno [PTFE] desbastado) típicamente experimentan relajación a temperaturas ambientales. Sin embargo, las juntas semimetálicas (por ejemplo, juntas espirales [SWG]) no son tan susceptibles a la relajación. Las juntas semimetálicas a menudo son culpadas de la relajación, pero cuando el perno ve temperaturas más altas, aproximadamente 500 °F (260 °C), se relajará y eso disminuirá el estrés de la junta.

Consideraciones sobre el Material de la Junta

Para las juntas basadas en polímeros, particularmente las hechas de PTFE, el comportamiento mecánico bajo carga varía según el tipo de material y la calidad del procesamiento. El PTFE desbastado o moldeado virgen ofrece una excelente resistencia química, pero puede sufrir de baja resistencia mecánica y alto flujo viscoso bajo carga.

Esto lleva a una mayor relajación de la junta y a la pérdida de estrés de sellado con el tiempo. En cambio, el PTFE reestructurado (rPTFE) y el PTFE expandido (ePTFE) utilizan resinas de mayor calidad y microestructuras diseñadas, reduciendo significativamente el flujo viscoso y mejorando la resistencia. rPTFE también puede tener rellenos inorgánicos, como microesferas de vidrio hueco, sulfato de bario y sílice, para mejorar propiedades específicas. Estos materiales generalmente ofrecen un mejor rendimiento en juntas de brida y son útiles en aplicaciones críticas donde se requiere estabilidad dimensional.

Cuando se requiere mayor resistencia a la compresión, las juntas semimetálicas, como las SWG y las juntas kammprofile, pueden ofrecer una mejor retención de carga y mínima relajación bajo condiciones dinámicas.

Selección del Material de la Junta

Dadas las diferencias en el comportamiento de los materiales, la selección del material de la junta debe guiarse por los requisitos específicos de la aplicación, que incluyen:  Temperatura y presión operativa, Compatibilidad química, Movimiento esperado de la brida, vibración o ciclos térmicos, Retención de estrés a largo plazo

IMAGEN 1: Banco de pruebas (Cortesía de Teadit®)

Después de la selección de materiales para la junta, asegurar la integridad de la junta a largo plazo requiere adherirse a los protocolos de ensamblaje establecidos, particularmente aquellos que rigen la aplicación de carga en los pernos y el tiempo de espera, tal como se establece en normas como la American Society of Mechanical Engineers (ASME) PCC-1 Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly. El subcomité de ASME responsable de PCC-1 está trabajando actualmente en la expansión de la norma para abordar tanto la relajación de juntas como la de pernos. La próxima edición se publicará en 2026. Dado que aún no se ha publicado, no es posible incluir el material en este artículo, pero a continuación se presenta una lista de buenas prácticas sobre las que se basará la actualización.

Mejores Prácticas de Ensamblaje

1. Tiempo de Espera

El tiempo de espera para materiales de juntas de lámina permite que las juntas se relajen después de la carga inicial. Esta pausa ayuda a garantizar que cualquier pérdida temprana de precarga en los pernos se aborde antes de aplicar un "paso de relajación" para recuperar cualquier estrés de junta que pueda haberse perdido por relajación.

Nota: Un paso de relajación utiliza el valor final de torque en un paso circular alrededor de la brida a temperatura ambiente. Un retorqueo de arranque (PCC-1) es un paso de relajación, pero cuando hay temperatura o proceso en el recipiente.

IMAGEN 2: Interfaz de software. El banco de pruebas utilizado para el estudio se muestra en la Imagen 1 y consta de dos bridas ciegas ASME B16.5 NPS 4 pulgadas, clase de presión 150, equipadas con ocho pernos de 5/8 pulgadas instrumentados con galgas de deformación para medir el estrés del perno a lo largo del tiempo. El material de la brida es ASTM A105, y para los pernos es SAE Grado (resistencia a la tracción de 180 kilolibras por pulgada cuadrada [ksi]). La brida superior tiene un orificio que conduce a una cámara interna, que puede ser presurizada. Para esta investigación, esta característica no se utilizó.

Según la creencia estándar de la industria, se recomienda esperar varias horas o días antes de aplicar un paso de relajación. Sin embargo, investigaciones han demostrado que los tiempos de espera más cortos, tan breves como 15 minutos, ofrecen un compromiso práctico entre el tiempo necesario para realizar el retorqueo y la capacidad de la junta para retener el estrés. El tiempo de espera óptimo depende de factores como el tipo de junta y las condiciones operativas específicas. Por lo tanto, debe validarse a través de experiencia en campo o siguiendo las pautas del fabricante.

2. Técnicas de Aplicación de Torque

Un patrón de torque controlado y consistente (a menudo el patrón en estrella) es esencial para una compresión uniforme de la junta. Las pautas de aplicación enfatizan aplicar el torque en un patrón en estrella de múltiples pasos y un patrón circular final, utilizando herramientas calibradas para asegurar una carga precisa. El paso de relajación después del tiempo de espera es para restaurar la precarga perdida por relajación. Algunos usuarios finales están comenzando a registrar los valores de estrés de los pernos utilizando herramientas de verificación de torque ultrasónicas o digitales cuando sea posible.

Si bien un ensamblaje adecuado establece la base para la integridad de la junta, mantener esa integridad con el tiempo requiere monitoreo proactivo y procedimientos de seguimiento.

Mantenimiento y Monitoreo

Para abordar la pérdida de estrés de los pernos y el flujo viscoso de la junta con el tiempo, se emplean dos procedimientos críticos: pasos de relajación y retorqueo de arranque.

1. Pasos de relajación: Un paso de relajación es el proceso de reaplicar torque a todos los pernos con el mismo valor inicial, típicamente a temperatura ambiente, después de permitir un corto período de espera para que la junta se asiente y se produzca cualquier pérdida de precarga inicial en los pernos. Esto restaura la precarga perdida por el asentamiento inicial de la junta y el flujo viscoso a corto plazo.
2. Retorqueo de arranque (anteriormente conocido como "torque caliente"): Todas las juntas de brida empernadas experimentan algún grado de relajación de la junta después del ajuste inicial, independientemente de si el sistema opera a temperaturas elevadas o no. Por eso, siempre se recomienda un retorqueo estándar como parte del proceso de instalación.

Sin embargo, para sistemas que se calientan durante la operación, ocurre relajación adicional durante la expansión térmica y la deformación de la junta. En estos casos, se recomienda un retorqueo de arranque para restaurar la carga adecuada de los pernos y asegurar el rendimiento del sellado a largo plazo.

Para sistemas a alta temperatura, es ideal realizar este retorqueo mientras la instalación todavía esté por debajo de 450 °F (232 °C). Por encima de este umbral, la degradación del lubricante y los cambios en el coeficiente de fricción (factor K) pueden afectar significativamente la precisión del torque, lo que hace que los cálculos de estrés sean poco confiables.

Por lo tanto, si se espera que la brida alcance altas temperaturas, el retorqueo debe planearse durante la fase de calentamiento antes de que estos efectos adversos se manifiesten (1). Es importante notar que el término "torque caliente" ha sido reemplazado por "retorqueo de arranque" por ASME PCC-1 para evitar confusión con el "reemplazo de perno único".

Este es un procedimiento de mantenimiento planificado, no una actividad de reparación en línea. Si bien estos procedimientos se basan en buenas prácticas y normas industriales, su efectividad puede variar dependiendo del material de la junta y las condiciones de la aplicación. Las pruebas en campo y la validación basada en datos son esenciales para afinar las estrategias de retorqueo y garantizar la confiabilidad a largo plazo de las juntas.

Validación a través de Pruebas en Campo

Recientemente se realizó una prueba controlada durante varias semanas sobre una variedad de materiales de juntas para comprender mejor cómo responden diferentes clases de juntas a la carga de compresión y la relajación de estrés con el tiempo. El estudio analizó las juntas a temperatura ambiente y buscó evaluar si el tiempo de espera de cuatro horas comúnmente recomendado antes del retorqueo es universalmente necesario para todos los tipos de juntas o si intervalos más cortos podrían ofrecer un rendimiento de sellado similar con menor tiempo de inactividad (2).

Hallazgos clave incluyen:

• Las juntas semimetálicas, como los estilos SWG y Camprofile, exhibieron una pérdida de estrés de perno excepcionalmente baja en todos los intervalos de tiempo de espera probados. Incluso sin retorqueo, estas juntas retuvieron la mayor parte de su carga inicial. Por ejemplo, la pérdida de estrés para las SWGs cambió solo aproximadamente un 1.6% entre sin retorqueo y un período completo de 24 horas. Esto sugiere que, para las juntas semimetálicas, el beneficio de retorquear después de varias horas es marginal.
• Las juntas de PTFE mostraron una mayor variación en el comportamiento de relajación, lo que refuerza la necesidad de estrategias de perno específicas para el material:
• ePTFE mostró una pérdida temprana de estrés, con un 12.6% de relajación después de 20 horas sin retorqueo. Un retorqueo solo 15 minutos después de la instalación redujo la pérdida de estrés casi a la mitad, a un 7.5%, con solo una mejora marginal a una hora (7.0%), cuatro horas (5.9%) y 24 horas (3.0%). Esto sugiere que la mayoría del beneficio se puede lograr con un tiempo de espera corto, mientras que los retrasos más largos ofrecen rendimientos decrecientes.
• rPTFE mostró tendencias similares de relajación. La pérdida de estrés bajó del 12.5% sin retorqueo al 7.8% a los 15 minutos, 6.6% a una hora, 5.3% a las cuatro horas y 4.4% a las 24 horas. Aunque se observó cierta mejora con tiempos de espera extendidos, la mayor parte del beneficio se realizó dentro de la primera hora.
• El PTFE desbastado (sPTFE) tuvo un rendimiento significativamente peor, mostrando la mayor pérdida de estrés de todos los materiales probados: 20.0% cuando no se retorqueó. Aunque se estabilizó relativamente rápido (bajando a 12.3% a los 15 minutos), permaneció en 11.7% a la hora y 11.3% a las cuatro horas, mostrando una pérdida residual consistentemente alta. Incluso después de 24 horas, tenía una pérdida de estrés de 8.0%, considerablemente más alta que ePTFE o rPTFE. Esto indica que, aunque el sPTFE llega a estabilizarse rápido, su relajación absoluta es considerablemente mayor, lo que lo hace menos confiable para sellado a largo plazo en aplicaciones exigentes.

Conclusión:

Aunque siempre es preferible permitir el mayor tiempo posible de espera antes del retorqueo, el estudio demuestra que no todos los materiales de junta requieren el mismo tratamiento. Un enfoque de "talla única" no refleja el verdadero comportamiento de los diferentes tipos de juntas. Si existen limitaciones de tiempo, las juntas semimetálicas pueden no necesitar retorqueo en absoluto en ciertas aplicaciones, dada su mínima relajación. En contraste, las juntas basadas en PTFE se benefician del retorqueo temprano, a menudo mucho antes del estándar de cuatro horas.

Dependiendo del material, gran parte de la pérdida de estrés es recuperable en tan solo 15 a 60 minutos. Estos hallazgos permiten a los equipos de mantenimiento tomar decisiones más informadas y específicas según el material, optimizando los procedimientos de perno para mejorar el rendimiento de sellado mientras minimizan el tiempo de inactividad innecesario.

Fuente:

23/07/2025

¿Por qué los enfoques estáticos para la gestión de juntas empernadas pueden no ser suficientes?

Por:  ANGELICA PAJKOVIC & SCOTT HAMILTON | Teadit®