NTP 364: Prevención de fugas en instalaciones (II): Juntas de estanqueidad

Prévention des fuites dans les installations chimiques (II): Joints de étanchéité
Prevention of fluid leakage from chemical installation (II): Gaskest

Introducción

En las instalaciones químicas se transportan fluidos peligrosos por medio de líneas de tuberías. En el montaje de éstas se debe seguir una serie de medidas preventivas para evitar las fugas, tales como procurar que las conexiones sean mínimas y los tramos de tuberías cuando esten soldados sean lo más largos posible, pero a pesar de ello siempre habrá una serie de puntos de unión entre tuberías y de las citadas tuberías con los distintos elementos del proceso. Es en estos puntos donde se deberá asegurar una estanqueidad suficiente para impedir que el fluido peligroso se escape diluyéndose en el aire y también evitar que éste penetre en el interior de las instalaciones.

En las uniones entre distintos tramos de tuberías entran en juego las juntas de estanqueidad para bridas. En las varillas, pistones y árboles rotativos de los distintos elementos unidos a las tuberías se emplean otros tipos de juntas de sellado y sistemas de estanqueidad que deberán tener en cuenta el movimiento entre las distintas piezas y sus consecuencias.

Tan importante como elegir la junta o sistema de sellado más idóneo es el de respetar el cambio de estos elementos, cuando sea necesario, por otros nuevos en las intervenciones de mantenimiento accidental o programado.

Criterios de elección de juntas de estanqueidad

Se van a considerar los dos tipos de sellado, el estático que tiene lugar entre superficies sin movimiento relativo entre ellas, tales como las bridas de tuberías, y el dinámico que ocurre entre superficies con movimiento relativo entre las mismas, como por ejemplo las varillas, pistones y árboles rotativos.

Juntas para bridas de tuberías

Consideremos un fluido que es impulsado dentro de una tubería embridada. Para comprobar que en las bridas están las juntas más idóneas, se debe conocer, en principio, las características físico-químicas del mencionado fluido. Con ellas se puede saber según el cuadro 1 el material compatible con dichas condiciones.

Cuadro 1: Materiales de juntas y sus características

Después se debe considerar el tipo de brida que vamos a emplear. En la figura 1 se pueden ver algunos esquemas de las principales configuraciones de bridas. Existen otros tipos, como son las ovales, locas, para tubos con recubrimiento interior (lining), etc. que no están representadas.

Una vez escogida la brida y el material más idóneo de la junta, debería pasarse a considerar las dimensiones de esta última según la norma elegida y la presión de trabajo. En la figura 2 se indica un ejemplo de brida de cara plana según norma DIN 86071. Se puede observar que la tabla de dimensiones está configurada según las presiones nominales de trabajo de las bridas, indicándose además de las medidas de cada junta, el número de agujeros necesarios para asegurar la estanqueidad con el empleo de los tornillos correspondientes.

Desde el punto de vista constructivo es útil conocer el informe "Cálculo de juntas para bridas" de la Norma DIN 2505. En esta norma se puede ver, por ejemplo, los radios máximos realizables sobre plancha de 3mm de grosor para distintos materiales:

Un tipo de junta de uso generalizado creada hace unas décadas para soportar condiciones de presión y temperatura muy severas fue la junta espirometálica. En la figura 3b se puede apreciar la constitución básica del elemento de sellado de la junta. En la figura 3a se indican los requisitos de marcaje sobre el anillo interior y el exterior de centrado según API (American Petroleum Institute). En las figuras 4a/4b se muestran las secciones de dos bridas con resalte con dos tipos de juntas espirometálicas diferentes, una con anillo interior y otra sin él. El anillo interior evita el contacto directo del fluido con el elemento de sellado y el anillo exterior sirve para el centrado. El fleje metálico tiene como característica su flexibilidad y por tanto la recuperación, manteniendo la estanqueidad, después de una variación de presión o temperatura del fluido en contacto directo con el conjunto brida-tubería.


Fig. 3a: Requisitos de marcaje de junta espirometálica	Fig. 3b: Constitución del elemento de sellado de una junta espirometálica

Las juntas indicadas en las figuras 4a/4b se usan también en bridas planas, todas estas juntas tienen un espesor de 4.5 mm (o.175"). Para más detalles constructivos y de usos específicos se debe recurrir a las normas correspondientes y a los fabricantes y distribuidores. Para la identificación de estas juntas, según los materiales empleados en el anillo de sellado (fleje y relleno), se suelen emplear códigos de colores sobre el anillo de centrado acordes con la API 601 y la división de juntas metálicas del "Fluid Sealing Association" (ver cuadro 2).

Cuadro 2: Identificación de juntas por códigos de colores en el anillo de centrado

Para proteger de las fugas de cualquier tipo de bridas, se emplea un accesorio como envolvente externo que puede ser de teflón transparente en forma de anillo abierto con cierre por botón que permite ver la fuga y evita tanto la corrosión en los tornillos, tuercas y la propia brida, como la proyección del líquido peligroso sobre las personas expuestas. Este tipo de protección es muy recomendable en instalaciones para fluidos muy corrosivos (que generan quemaduras químicas con un contacto dérmico igual o inferior a tres minutos).

En el cuadro 3 se muestra un cuestionario general para recogida de datos útiles para la correspondiente elección de la junta más adecuada.

Cuadro 3: Cuestionario de datos básicos para la elección de juntas

Juntas para varillas, pistones y árboles rotativos

El sellado en este caso, se puede hacer a través de una junta en PTFE (Teflón) con resorte metálico (ver figura 5). Su principio de funcionamiento se basa en su morfología constituida de un cuerpo de doble labio y de un resorte de compresión de alta resiliencia. El doble labio ejerce una compresión importante sobre las dos caras de estanqueidad asegurando así una mejor estanqueidad que las juntas de simple labio. Un cierto volumen del fluido se encuentra aprisionado entre los labios, lo cual permite disminuir el desgaste y prolongar la longevidad de la junta. El cuerpo en PTFE es accionado por un resorte en acero inoxidable que mantiene una tensión suficiente para asegurar la estanqueidad cuando la presión del circuito es débil. Este dispositivo compensa de otra parte la resiliencia relativamente débil del elemento en PTFE sometido a un desgaste normal en aplicaciones dinámicas.

En la figura 6 se pueden apreciar distintos montajes de este tipo de junta según actúe en máquinas con pistones, varillas y según el tipo de estanqueidad requerida en función de los movimientos efectuados tales como alternativo, rotativo o estático. En esta misma figura se indican también algunas configuraciones especiales.

Otra manera de efectuar el sellado de un árbol rotativo es empleando una empaquetadura fabricada con cinta de sellado resistente a la temperatura, a la fricción y al líquido que sella, tal como se indica en la figura 7. Hay una pieza metálica que al atornillarla presiona la cinta de empaquetadura enrollada en espiral alrededor del eje y esta presión en sentido axial, se desdobla en otra perpendicular que favorece el logro de la estanqueidad. Los materiales que se suelen emplear en las mencionadas cintas de empaquetadura suelen ser filamentos de grafito, PTFE (Teflón), y aramida en vez de asbestos. Se suele usar para sellados en la industria química en bombas y válvulas. También se usa con lubricación para la cinta de sellado, como se indica en la figura 8 pero en este caso se tiene que conseguir un buen equilibrio de presiones entre los fluidos para evitar fugas.


Fig. 7: Sellado por empaquetadura en un árbol rotativo	Fig. 8: Sellado por empaquetadura y lubrificado

Juntas de expansión

Este tipo de juntas son elementos constructivos de elasticidad permanente para tuberías, y piezas de unión para la construcción de aparatos e instalaciones. Son flexibles, resistentes frente a esfuerzos térmicos elevados, químicamente resistentes a los medios circulantes de las instalaciones y estables en condiciones de sobrepresión y vacío. Velando por la seguridad del servicio, las juntas de expansión de tejido deben soportar las mismas cargas que el sistema o la propia tubería, absorbiendo además las tensiones, movimientos, oscilaciones o vibraciones en dirección axial y/o lateral. Los campos de aplicación de estas juntas son en donde existan instalaciones con medios gaseosos, tales como aire caliente, humos o gases ácidos o alcalinos.

Los principales movimientos a considerar de una junta de expansión son el axial y los desplazamientos laterales (ver figura 9). La variación máxima de longitud en sentido axial de una junta de expansión depende de varios factores: El modelo, el perfil, la longitud de instalación posible y las condiciones térmicas.

Además de los movimientos en sentido axial, las juntas de expansión de tejido flexible pueden absorber simultáneamente movimientos laterales, laterales/radiales o angulares. La posibilidad de desplazamientos laterales a compensar depende del diámetro interior de la tubería, de la necesidad de instalar un deflector y del aislamiento interno.

El valor de la temperatura de trabajo constante es determinante para la elección de los materiales adecuados. Puede ser para una gama desde -60ºC a 1200ºC según el material empleado.

Para la selección de una junta de expansión se considera además del material adecuado para el tipo de fluido y condiciones de temperatura y presión de trabajo, otras características físicas inherentes con la tubería rígida donde se intercala dicha junta, tales como uniones sin/con bridas, bocas iguales/desiguales y parte central con pliegues, cóncava, en globo y de membrana. En la figura 10 se puede observar un ejemplo de diseño en el que se han considerado todos estos detalles.

Normas relativas a juntas de estanqueidad

Es interesante conocer una relación no exhaustiva de normas relacionadas con las juntas de estanqueidad tratadas y por esto exponemos a continuación un listado de referencias de las mismas.

Juntas planas

DIN 274 Resistencia de rotura a la flexión longitudinal / transversal a la temperatura ambiente.

Juntas espirometálicas

Juntas tóricas

Tejidos para juntas

DIN 50049 Garantía de calidad de exactitud dimensional de juntas de expansión.

Bibliografía

(1) WARRING R.H.
Seals and sealing handbook
Trade & Technical Press Limited, Morden, Surrey SM4 5EW 1981

(2) LEES F.P.
Loss Prevention in the Process Industries
Butterworths, London, 1980


Fig. 4a: Junta espirometálica con anillo interior	Fig. 4b: Junta espirometálica sin anillo interior