Junta tórica

Una junta tórica , también conocida como empaquetadura o junta tórica , es una junta mecánica en forma de toro ; 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, formando un sello en la interfaz.

La junta tórica se puede utilizar en aplicaciones estáticas o dinámicas en las que existe un movimiento relativo entre las piezas y la junta tórica. Los ejemplos dinámicos incluyen ejes de bombas rotativas 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, lo que da como resultado una holgura cero, (2) el material de la junta tórica es sólido vulcanizado de modo que es impermeable al fluido o gas, y (3) el material de la junta tórica es resistente a la degradación por el fluido o gas. ^[1] La amplia gama de posibles líquidos y gases que necesitan sellarse ha hecho necesario el desarrollo de una amplia gama de materiales para juntas tóricas. ^[2]

Las juntas tóricas son uno de los sellos más comunes que se utilizan en el diseño de máquinas porque son económicas, fáciles de fabricar, confiables y tienen requisitos de montaje simples. Se han probado para sellar hasta 5000  psi (34  MPa ) de presión. ^[3] La presión máxima recomendada de un sello de junta tórica depende de la dureza del sello, el material, el diámetro de la sección transversal y el juego radial. ^[4]

Las juntas tóricas se pueden producir mediante extrusión , moldeo por inyección , moldeo por presión o moldeo por transferencia . ^[5]

La primera patente para la junta tórica está fechada el 12 de mayo de 1896, como patente sueca. JO Lundberg, el inventor de la junta tórica, recibió la patente. ^[6] La patente estadounidense ^{[7] [8]} para la junta tórica fue presentada en 1937 por un maquinista de 72 años nacido en Dinamarca , Niels Christensen . ^[9] En su solicitud presentada anteriormente en 1933, que resultó en la Patente 2115383, ^[10] comienza diciendo: "Esta invención se relaciona con mejoras nuevas y útiles en frenos hidráulicos y más particularmente con un sello mejorado para los pistones de cilindros de transporte de potencia". Describe "un anillo de sección circular  ... hecho de caucho sólido o de una composición de caucho", y explica que "este deslizamiento o rodamiento parcial del anillo  ... amasa o trabaja el material del anillo para mantenerlo vivo y flexible sin los efectos nocivos del roce que se producen por el deslizamiento puramente estático del caucho sobre una superficie. Mediante esta ligera acción de giro o amasado, se prolonga la vida del anillo". Su solicitud presentada en 1937 dice que "es una continuación parcial de mi solicitud copendiente con número de serie 704.463 para frenos hidráulicos, presentada el 29 de diciembre de 1933, ahora patente estadounidense con número 2.115.383 concedida 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, las patentes pasaron de una compañía a otra hasta que terminaron en Westinghouse . ^[9] 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 dio el derecho de fabricación a otras organizaciones. Christensen recibió un pago único de 75 000 dólares estadounidenses por sus esfuerzos. El litigio resultó en un pago de 100 000 dólares a sus herederos en 1971, 19 años después de su muerte. ^[9]

Las juntas tóricas están disponibles en varios tamaños estándar en pulgadas y en sistema métrico. Los tamaños se especifican según el diámetro interior y el diámetro de la sección transversal (espesor). En los EE. UU., los tamaños estándar en pulgadas más comunes son los que se especifican según la especificación SAE AS568C (por ejemplo, AS568-214). La norma ISO 3601-1:2012 contiene los tamaños estándar más utilizados, tanto en pulgadas como en sistema métrico, en todo el mundo. El Reino Unido también tiene tamaños estándar conocidos como tamaños BS, que suelen ir de BS001 a BS932. También existen otras especificaciones de tamaño.

El diseño exitoso de una 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 supere 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, que es esencialmente incompresible, y la tensión de contacto aumenta con el aumento de la presión. Por este motivo, una junta tórica puede sellar fácilmente a alta presión siempre que no falle mecánicamente. La falla más común es la extrusión a través de las piezas acopladas.

El sello está diseñado para tener un punto de contacto entre la junta tórica y las superficies de sellado. Esto permite una alta tensión local, capaz de contener alta presión, sin exceder la tensión de fluencia del cuerpo de la junta tórica. La naturaleza flexible de los materiales de las juntas tóricas se adapta a las imperfecciones de las piezas de montaje. Pero sigue siendo importante mantener un buen acabado superficial de las piezas de acoplamiento, especialmente a bajas temperaturas donde el caucho del sello alcanza su temperatura de transición vítrea y se vuelve cada vez más inflexible y vítreo. El acabado superficial también es especialmente importante en aplicaciones dinámicas. Un acabado superficial demasiado rugoso desgastará la superficie de la junta tórica, y una superficie demasiado lisa no permitirá que el sello se lubrique adecuadamente con una película de fluido.

En aplicaciones de vacío , la permeabilidad del material hace que los puntos de contacto sean inutilizables. En su lugar, se utilizan fuerzas de montaje más altas y el anillo llena toda la ranura. Además, se utilizan anillos de respaldo redondos para proteger el anillo de una deformación excesiva. ^{[12] [13] [14]} Debido a que el anillo está sujeto a la presión ambiental y la presión parcial de los gases solo en el sello, sus gradientes serán pronunciados cerca del sello y poco profundos en el volumen (opuesto al gradiente de la tensión de contacto ^[15] ( Ver brida de vacío n.º KF.2FQF ) . Los sistemas de alto vacío por debajo de 10 ⁻⁹ Torr utilizan juntas tóricas de cobre o níquel . Además, los sistemas de vacío que deben sumergirse en nitrógeno líquido utilizan juntas tóricas de indio , porque el caucho se vuelve duro y quebradizo a bajas temperaturas.

En algunas aplicaciones de alta temperatura, puede ser necesario montar las juntas tóricas en un estado comprimido tangencialmente para compensar el efecto Gow-Joule .

Las juntas tóricas vienen en una variedad de tamaños. La norma aeroespacial 568 (AS568) de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) ^[16] especifica los diámetros internos, las secciones transversales, las tolerancias y los códigos de identificación de tamaño (números de guión) para las juntas tóricas utilizadas en aplicaciones de sellado y para juntas de casquillo de conexión de tubo con rosca recta. La norma británica (BS) establece que los tamaños son imperiales o métricos. Las dimensiones típicas de una junta tórica son la dimensión interna (id), la dimensión externa (od) y el espesor/sección transversal (cs).

Las juntas tóricas métricas se definen generalmente por la dimensión interna x la sección transversal. Número de pieza típico para una junta tórica métrica: DI x CS [material y dureza Shore ] 2x1N70 = define esta junta tórica como de 2 mm de DI con una sección transversal de 1 mm hecha de caucho de nitrilo, que es 70Sh. Las juntas tóricas BS se definen por una referencia estándar.

La junta tórica más grande del mundo fue producida en un exitoso intento de récord mundial Guinness por Trelleborg Sealing Solutions Tewkesbury en asociación con un grupo de 20 estudiantes de la escuela de Tewkesbury. La junta tórica, una vez terminada y colocada alrededor de la abadía medieval de Tewkesbury, tenía una circunferencia de 364 m (1194 pies), un diámetro interior de aproximadamente 116 m (381 pies) y una sección transversal de 7,2 mm (0,28 pulgadas). ^[17]

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 costo. ^[18]

Cauchos sintéticos - Termoestables :

• Caucho de butadieno (BR)
• Caucho de butilo (IIR)
• Polietileno clorosulfonado (CSM)
• Caucho de epiclorhidrina (ECH, ECO)
• Monómero de etileno propileno dieno (EPDM): buena resistencia al agua caliente y al vapor, detergentes, soluciones de potasa cáustica, soluciones de hidróxido de sodio, aceites y grasas de silicona , muchos disolventes polares y muchos ácidos y productos químicos diluidos. Las formulaciones especiales son excelentes para su uso con líquidos de frenos a base de glicol. No apto para su uso con productos de aceite mineral: lubricantes, aceites o combustibles. Los compuestos curados con peróxido son adecuados para temperaturas más altas. ^[19]
• Caucho de etileno propileno (EPR)
• Fluoroelastómero (FKM): se destaca por su altísima resistencia al calor y a una amplia variedad de productos químicos. Otros beneficios clave incluyen una excelente resistencia al envejecimiento y al ozono, una permeabilidad a los gases muy baja y el hecho de que los materiales son autoextinguibles. Los materiales FKM estándar tienen una excelente resistencia a los aceites minerales y grasas, hidrocarburos alifáticos, aromáticos y clorados, combustibles, fluidos hidráulicos no inflamables (HFD) y muchos solventes y productos químicos orgánicos. Generalmente no son resistentes al agua caliente, vapor, solventes polares, líquidos de frenos a base de glicol y ácidos orgánicos de bajo peso molecular. Además de los materiales FKM estándar, hay disponibles varios materiales especiales con diferentes composiciones de monómeros y contenido de flúor (65% a 71%) que ofrecen una mejor resistencia química o térmica y/o un mejor rendimiento a bajas temperaturas. ^[19]
• Caucho de nitrilo (NBR, HNBR, HSN, Buna-N): un material común para juntas tóricas debido a sus buenas propiedades mecánicas, su resistencia a lubricantes y grasas y su costo relativamente bajo. Las propiedades de resistencia física y química de los materiales NBR están determinadas por el contenido de acrilonitrilo (ACN) del polímero base: un contenido bajo garantiza una buena flexibilidad a bajas temperaturas, pero ofrece una resistencia limitada a aceites y combustibles. A medida que aumenta el contenido de ACN, la flexibilidad a baja temperatura se reduce y la resistencia a aceites y combustibles mejora. Las propiedades de resistencia física y química de los materiales NBR también se ven afectadas por el sistema de curado del polímero. Los materiales curados con peróxido tienen propiedades físicas, resistencia química y propiedades térmicas mejoradas, en comparación con los materiales curados con donante de azufre. Los grados estándar de NBR son típicamente resistentes a lubricantes y grasas a base de aceite mineral, muchos grados de fluidos hidráulicos, hidrocarburos alifáticos, aceites y grasas de silicona y agua hasta aproximadamente 176 °F (80 °C). El NBR no es resistente a los hidrocarburos aromáticos y clorados, a los combustibles con un alto contenido de aromáticos, a los disolventes polares, a los líquidos de frenos a base de glicol y a los fluidos hidráulicos no inflamables (HFD). El NBR también tiene una baja resistencia al ozono, a la intemperie y al envejecimiento. El HNBR tiene una mejora considerable de la resistencia al calor, al ozono y al envejecimiento, y le confiere buenas propiedades mecánicas. ^[19]
• Perfluoroelastómero (FFKM)
• Caucho de poliacrilato (ACM)
• Policloropreno ( neopreno ) (CR)
• Poliisopreno (IR)
• Caucho de polisulfuro (PSR)
• Politetrafluoroetileno (PTFE)
• Sanifluor (FEPM)
• Caucho de silicona (SiR): destaca por su capacidad de ser utilizado en un amplio rango de temperaturas y por su excelente resistencia al ozono, la intemperie y el envejecimiento. En comparación con la mayoría de los demás elastómeros de sellado, las propiedades físicas de las siliconas son deficientes. En general, los materiales de silicona son fisiológicamente inofensivos, por lo que se utilizan comúnmente en las industrias alimentaria y farmacéutica. Las siliconas estándar son resistentes al agua hasta 212 °F (100 °C), a los aceites alifáticos para motores y transmisiones y a los aceites y grasas animales y vegetales. Las siliconas generalmente no son resistentes a los combustibles, los aceites minerales aromáticos, el vapor (es posible a corto plazo hasta 248 °F (120 °C)), los aceites y grasas de silicona, los ácidos o los álcalis. Los elastómeros de fluorosilicona son mucho más resistentes a los aceites y combustibles. El rango de temperatura de las aplicaciones es algo más restringido. ^[19]
• Caucho de estireno-butadieno (SBR)

Termoplásticos :

• Elastómeros termoplásticos (TPE) estirénicos
• Poliolefina termoplástica (TPO) LDPE, HDPE, LLDPE, ULDPE
• Poliuretano termoplástico (TPU) poliéter , poliéster : Los poliuretanos se diferencian de los elastómeros clásicos en que tienen propiedades mecánicas mucho mejores. En particular, tienen una alta resistencia a la abrasión, al desgaste y a la extrusión, una alta resistencia a la tracción y una excelente resistencia al desgarro. Los poliuretanos son generalmente resistentes al envejecimiento y al ozono, a los aceites y grasas minerales, a los aceites y grasas de silicona, a los fluidos hidráulicos no inflamables HFA y HFB, al agua hasta 122 °F (50 °C) y a los hidrocarburos alifáticos. ^[19]
• Copoliésteres de éter-esterelastómeros termoplásticos (TEEE)
• Poliamida termoplástica (PEBA) Poliamidas
• Caucho procesable por fusión (MPR)
• Vulcanizado termoplástico (TPV)

Compatibilidad química:

• Aire, 200 a 300 °F (93 a 149 °C) – Silicona
• Cerveza - EPDM
• Agua clorada – Viton (FKM)
• Gasolina – Buna-N o Viton (FKM)
• Aceite hidráulico (a base de petróleo, industrial) – Buna-N
• Aceites Hidráulicos (Base Sintética) – Viton
• Agua – EPDM
• Aceites de motor – Buna-N

^[20]

Aunque el anillo tórico se denominó originalmente así debido a su sección transversal circular, ahora existen variaciones en el diseño de la sección transversal. La forma puede tener diferentes perfiles, como un perfil en forma de X, comúnmente llamado anillo X, anillo Q o con el nombre de marca registrada Quad Ring. Cuando se aprietan durante la instalación, sellan con 4 superficies de contacto: 2 superficies de contacto pequeñas en la parte superior e inferior. ^[21] Esto contrasta con las superficies de contacto individuales comparativamente más grandes del anillo tórico estándar en la parte superior e inferior. Los anillos X se usan más comúnmente en aplicaciones reciprocantes, donde brindan una fricción de funcionamiento y de arranque reducida y un riesgo reducido de espiralización en comparación con los anillos tóricos.

También hay anillos con un perfil cuadrado, comúnmente llamados cortes cuadrados, cortes de torno, corte tabular o anillos cuadrados. Cuando las juntas tóricas se vendían a un alto precio debido a la novedad, la falta de procesos de fabricación eficientes y el alto contenido de mano de obra, los anillos cuadrados se introdujeron como una sustitución económica de las juntas tóricas. El anillo cuadrado se fabrica típicamente moldeando un manguito de elastómero que luego se corta en torno. Este estilo de sello a veces es menos costoso de fabricar con ciertos materiales y tecnologías de moldeo ( moldeo por compresión , moldeo por transferencia , moldeo por inyección ), especialmente en volúmenes bajos. El rendimiento de sellado físico de los anillos cuadrados en aplicaciones estáticas es superior al de las juntas tóricas, sin embargo, en aplicaciones dinámicas es inferior al de las juntas tóricas. Los anillos cuadrados generalmente se utilizan solo en aplicaciones dinámicas como energizadores en conjuntos de sellos de tapa. Los anillos cuadrados también pueden ser más difíciles de instalar que las juntas tóricas.

Los dispositivos similares con secciones transversales no redondas se denominan sellos , empaquetaduras o juntas. Véase también arandelas . ^[22]

Las culatas de los cilindros de los automóviles suelen estar selladas mediante juntas planas revestidas de cobre.

Los bordes de los cuchillos presionados en las juntas de cobre se utilizan para lograr un alto vacío.

Como sellos se utilizan elastómeros o metales blandos que se solidifican en su lugar.

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

Existen materiales para juntas tóricas que pueden tolerar temperaturas tan bajas como -200 °C (-330 °F) o tan altas como 250 °C (480 °F). En el extremo inferior, casi todos los materiales de ingeniería se vuelven rígidos y no logran sellar; 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, las juntas NBR pueden agrietarse cuando se exponen al gas ozono en concentraciones muy bajas, a menos que estén protegidas. La hinchazón por contacto con un fluido de baja viscosidad provoca un aumento de las dimensiones y también reduce la resistencia a la tracción del caucho. Otras fallas pueden deberse al uso de un tamaño incorrecto de anillo para un hueco específico, lo que puede provocar la extrusión del caucho.

Los elastómeros son sensibles a la radiación ionizante. En aplicaciones típicas, las juntas tóricas están bien protegidas de la radiación menos penetrante, como la ultravioleta y los rayos X suaves, pero la radiación más penetrante, como los neutrones, puede provocar un rápido deterioro. En dichos entornos, se utilizan juntas de metal blando.

Existen algunas razones comunes para la falla de la junta tórica:

1. Daño de instalación: esto se debe a una instalación incorrecta de la junta tórica.
2. Falla en espiral: se presenta en sellos de pistón de carrera larga y, en menor grado, en sellos de vástago. El sello se "traba" 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 activa y finalmente causa una serie de cortes en espiral profundos (normalmente en un ángulo de 45 grados) en la superficie del sello.
3. Descompresión explosiva: una embolia de la junta tórica, también llamada ruptura por expansión de gas, ocurre cuando el gas a alta presión queda atrapado dentro del elemento de sellado elastomérico. Esta expansión provoca ampollas y rupturas en la superficie del sello.

Se determinó que la falla de una 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 defectuosa era FKM , que fue especificado por el contratista del motor del transbordador, Morton-Thiokol . Cuando una junta tórica se enfría por debajo de su temperatura de transición vítrea T _g , 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) funcionan produciendo presión positiva contra una superficie, evitando así 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 se mantuvo significativamente más baja que la del aire circundante. Durante su investigación de las imágenes del lanzamiento, Feynman observó un pequeño evento de desgasificación del cohete propulsor sólido en la unión entre dos segmentos en los momentos inmediatamente anteriores al desastre. Se atribuyó el problema a una junta tórica defectuosa. El gas a alta temperatura que se escapaba impactó en el tanque externo y, como resultado, todo el vehículo quedó destruido.

Desde el accidente, las empresas productoras de caucho han implementado cambios. Muchas juntas tóricas ahora vienen con codificación de lote y fecha de curado, como se hace en la producción de medicamentos, para rastrear y controlar con precisión la distribución. Para aplicaciones aeroespaciales y militares, las juntas tóricas generalmente se envasan individualmente y se etiquetan con el material, la fecha de curado y la información del lote. Las juntas tóricas pueden, si es necesario, retirarse de los estantes. ^[23] Además, las juntas tóricas y otros sellos son probados rutinariamente por lotes para el control de calidad por parte de los fabricantes, y a menudo se someten a pruebas de garantía de calidad varias veces más por parte del distribuidor y los usuarios finales.

En cuanto a los propios propulsores, la NASA y Morton-Thiokol los rediseñaron con un nuevo diseño de junta, que ahora incorpora tres juntas tóricas en lugar de dos, y las juntas mismas tienen calentadores integrados que se pueden encender cuando las temperaturas caen por debajo de los 50 °F (10 °C). No ha habido problemas con las juntas tóricas desde el Challenger , y no jugaron ningún papel en el desastre del transbordador espacial Columbia de 2003.

• ISO 3601-1:2012 Diámetros interiores, secciones transversales, tolerancias y códigos de designación
• ISO 3601-2:2016 Dimensiones de la carcasa para aplicaciones generales
• ISO 3601-4:2008 Anillos antiextrusión (anillos de respaldo)

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• Fundamentos de las juntas tóricas de C. Otto Gehrckens