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Juntas Tóricas

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¿Qué son las Juntas Tóricas?

Una junta tórica, también conocida como junta de estanqueidad o anillo de goma, es una junta mecánica en forma de toro (geometría). Es un bucle de elastómero con una sección transversal redonda, diseñado para asentarse en una ranura y comprimirse durante el ensamblaje entre dos o más partes, creando un sello en la interfaz.

La junta tórica se puede utilizar en aplicaciones estáticas o en aplicaciones dinámicas donde existe un movimiento relativo entre las partes y la junta tórica.

Ejemplos dinámicos incluyen ejes de bomba rotativos y pistones de cilindros hidráulicos. Las aplicaciones estáticas de las juntas tóricas pueden incluir aplicaciones de sellado de fluidos o gases en las que:

  1. La junta tórica se comprime dando como resultado un espacio libre cero
  2. El material de la junta tórica es sólido vulcanizado de manera que sea impermeable al fluido o gas
  3. El material de la junta tórica es resistente a la degradación por el fluido o el gas

Las juntas tóricas son uno de los sellos más comunes utilizados en el diseño de máquinas porque son económicos, fáciles de hacer, fiables y tienen requisitos de montaje simples. Han sido probados para sellar hasta 5000 psi (35 megapascales) de presión.

La presión máxima recomendada de un sello de junta tórica depende de la dureza del sello y el espacio libre del prensaestopas.

La selección de la junta tórica se basa en la compatibilidad química, la temperatura de aplicación, la presión de sellado, los requisitos de lubricación, el durómetro, el tamaño y el coste.

Junta Tórica de Goma de Nitrilo
Junta Tórica de Goma de Nitrilo

Usos

Las juntas tóricas se pueden fabricar por extrusión, moldeo por inyección, moldeo a presión o moldeo por transferencia.

Las juntas tóricas están disponibles en varios tamaños estándar métricos y en pulgadas. Los tamaños se especifican por el diámetro interior y el diámetro de la sección transversal (grosor). Dependiendo del país existen diferentes especificaciones de tamaños estándar más utilizados, aunque también existen numerosas especificaciones de tamaño según los usos.

Estándar

El diseño exitoso de la junta tórica requiere un montaje mecánico rígido que aplique una deformación predecible a la junta tórica. Esto introduce una tensión mecánica calculada en las superficies de contacto de la junta tórica.

Mientras la presión del fluido contenido no exceda la tensión de contacto de la junta tórica, no se pueden producir fugas. La presión del fluido contenido se transfiere a través del material de la junta tórica esencialmente incompresible, y la tensión de contacto aumenta con el aumento de la presión.

Por esta razón, una junta tórica puede sellar fácilmente la alta presión siempre que no falle mecánicamente. El fallo más común es la deformación a través de las partes de acoplamiento.

El sello está diseñado para tener un punto de contacto entre la junta tórica y las caras de sellado. Esto permite un alto estrés local, capaz de contener alta presión, sin exceder el estrés de fluencia del cuerpo de la junta tórica.

La naturaleza flexible de los materiales de juntas tóricas acomoda imperfecciones en las piezas de montaje. Pero aún es importante mantener un buen acabado de la superficie de esas piezas de acoplamiento, especialmente a bajas temperaturas donde el caucho de sellado alcanza su temperatura de transición vítrea y se vuelve cada vez más cristalino.

El acabado superficial también es especialmente importante en aplicaciones dinámicas. Un acabado superficial que sea demasiado rugoso desgastará la superficie de la junta tórica, y una superficie que sea demasiado lisa no permitirá que el sello sea lubricado adecuadamente por una película de fluido.

Vacío

En aplicaciones de vacío, la permeabilidad del material hace que los puntos de contacto sean inutilizables. En cambio, se usan fuerzas de montaje más altas y el anillo llena toda la ranura. Además, se utilizan anillos de respaldo redondos para salvar el anillo de una deformación excesiva.

Debido a que el anillo siente la presión ambiental y la presión parcial de los gases solo en el sello, sus gradientes serán pronunciados cerca del sellado y poco profundo a granel (opuesto al gradiente de la tensión de contacto.

Los sistemas de alto vacío por debajo de 10 −9 Torr usan cobre o juntas tóricas de níquel. Además, los sistemas de vacío que deben sumergirse en nitrógeno líquido usan juntas tóricas de indio, porque el caucho se vuelve duro y quebradizo a bajas temperaturas.

Alta Temperatura

En algunos usos de alta temperatura, las juntas tóricas pueden necesitar montarse en un estado comprimido tangencialmente, para compensar el efecto Gow-Joule.

Fallos

Los materiales de las juntas tóricas pueden estar sujetos a temperaturas altas o bajas, ataque químico, vibración, abrasión y movimiento. Los elastómeros se seleccionan según la situación.

Existen materiales para juntas tóricas que pueden tolerar temperaturas tan bajas como -200 C o tan altas como 250+ C. En el extremo inferior, casi todos los materiales de ingeniería se vuelven rígidos y no se sellan. En el extremo superior, los materiales a menudo se queman o se descomponen.

El ataque químico puede degradar el material, iniciar grietas frágiles o hacer que se hinche. Por ejemplo, los sellos NBR pueden agrietarse cuando se exponen al gas ozono a concentraciones muy bajas, a menos que estén protegidos.

El hinchamiento por contacto con un fluido de baja viscosidad provoca un aumento de las dimensiones y también disminuye la resistencia a la tracción del caucho. Otros fallos pueden ser causados al usar el tamaño incorrecto del anillo para una pieza específica, lo que puede causar la extrusión (deformación) del caucho.

Los elastómeros son sensibles a la radiación ionizante. En usos estándar, las juntas tóricas están bien protegidas de la radiación menos penetrante, como los rayos X ultravioleta y blando, pero la radiación más penetrante, como los neutrones, puede causar un rápido deterioro. En tales entornos, se utilizan sellos de metal blando.

Existen algunas razones comunes para que se produzca un fallo de la junta tórica:

  1. Daño en la instalación: esto se debe a una instalación incorrecta de la junta tórica.
  2. Fallo en espiral: se encuentra en sellos de pistón de carrera larga y, en menor grado, en sellos de vástago. El sello se «cuelga» en un punto de su diámetro (contra la pared del cilindro) y se desliza y rueda al mismo tiempo. Esto tuerce la junta tórica a medida que el dispositivo sellado se cicla y finalmente provoca una serie de cortes en espiral profundos (generalmente en un ángulo de 45 grados) en la superficie del sello.
  3. Descompresión explosiva: una embolia de junta tórica, también llamada ruptura de expansión de gas, ocurre cuando el gas de alta presión queda atrapado dentro del elemento de sello elastomérico. Esta expansión provoca ampollas y rupturas en la superficie del sello.

Historia

La primera patente para la junta tórica está fechada el 12 de mayo de 1896 como una patente sueca. JO Lundberg, el inventor de la junta tórica, recibió la patente.

La patente estadounidense para la junta tórica fue presentada en 1937 por un maquinista danés de 72 años, Niels Christensen. En su solicitud presentada anteriormente en 1933, dando como resultado la Patente 2115383, comienza diciendo: «Esta invención se refiere a mejoras nuevas y útiles en los frenos hidráulicos y más particularmente a un sello mejorado para los pistones de los cilindros de transporte de potencia».

Describe «un anillo de sección circular … hecho de caucho sólido o composición de caucho», y explica, «este deslizamiento o rodamiento parcial del anillo … amasa o trabaja el material del anillo para mantenerlo vivo y flexible sin dañarlo. Los efectos de las raspaduras son causados ​​por el deslizamiento puramente estático del caucho sobre una superficie. Por esta ligera acción de giro o amasado, la vida útil del anillo se prolonga».

Su solicitud presentada en 1937 dice que «es una continuación en parte de mi solicitud en tramitación con número de serie 704.463 para frenos hidráulicos, presentada el 29 de diciembre de 1933, ahora patente de Estados Unidos número 2.115.383 otorgada el 26 de abril de 1938».

Poco después de emigrar a los Estados Unidos en 1891, patentó un sistema de frenos de aire para tranvías. A pesar de sus esfuerzos legales, sus derechos de propiedad intelectual pasaron de una compañía a otra hasta que terminaron en Westinghouse.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el gobierno de los EE.UU. Se apoderó de la patente de la junta tórica como un elemento crítico relacionado con la guerra y otorgó el derecho de fabricación a otras organizaciones. Christensen recibió un pago global de 75.000 $ por sus esfuerzos. El litigio resultó en un pago de 100.000 $ a sus herederos en 1971, 19 años después de su muerte.

Transbordador Espacial Challenger
Transbordador Espacial Challenger (NASA)

El Desastre del Transbordador Espacial Challeger

Se determinó que el fallo de un sello de junta tórica fue la causa del desastre del Transbordador Espacial Challenger el 28 de enero de 1986. Un factor crucial fue el clima frío antes del lanzamiento. Esto fue demostrado en televisión por el profesor de física de Caltech, Richard Feynman, cuando colocó una pequeña junta tórica en agua helada y, posteriormente, mostró su pérdida de flexibilidad ante un comité de investigación.

El material de la junta tórica fallida fue FKM, que fue especificado por el contratista del motor del transbordador, Morton-Thiokol. Cuando una junta tórica se enfría por debajo de su T g (temperatura de transición vítrea), pierde su elasticidad y se vuelve quebradiza.

Más importante aún, cuando una junta tórica se enfría cerca, pero no más allá, de su T g, la junta tórica fría, una vez comprimida, tardará más de lo normal en volver a su forma original. Las juntas tóricas (y todos los demás sellos o juntas) funcionan creando presión positiva contra una superficie, evitando así las fugas.

La noche anterior al lanzamiento, se registraron temperaturas del aire extremadamente bajas. Debido a esto, los técnicos de la NASA realizaron una inspección. La temperatura ambiente estaba dentro de los parámetros de lanzamiento, y se permitió que la secuencia de lanzamiento continuara. Sin embargo, la temperatura de las juntas tóricas de goma permaneció significativamente más baja que la del aire circundante.

Durante su investigación de las imágenes del lanzamiento, Feynman observó un pequeño evento de emisión de gases del Solid Rocket Booster (SRB) en la unión entre dos segmentos en los momentos inmediatamente anteriores al desastre. Esto se atribuyó a una junta tórica fallida. El escape de gas a alta temperatura incidió en el tanque externo, y como resultado se destruyó todo el vehículo.

La industria del caucho evolucionó en la fabricación de juntas después del accidente. Muchas juntas tóricas ahora vienen con codificación de fecha de lote y fabricación, como en la industria de la medicina, para rastrear y controlar con precisión la distribución.

Para aplicaciones aeroespaciales y militares / de defensa, las juntas tóricas generalmente se empaquetan y etiquetan individualmente con el material, la fecha de fabricación y la información del lote. Las juntas tóricas pueden, si es necesario, retirarse de los establecimientos. Además, las juntas tóricas y otros sellos se someten a pruebas rutinarias por lotes para el control de calidad por parte de los fabricantes, y a menudo se someten a pruebas por los distribuidores y los usuarios finales.

En cuanto a los propios SRB, la NASA y Morton-Thiokol los rediseñaron con un nuevo diseño de junta, que ahora incorpora tres juntas tóricas en lugar de dos, con las mismas juntas con calentadores integrados que se pueden encender cuando las temperaturas caen por debajo de 10 ° C. No se han producido problemas con las juntas tóricas desde Challenger, y no jugaron ningún papel en el desastre del transbordador espacial Columbia de 2003.

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