Junta tórica

Una junta tórica , también conocida como empaquetadura o junta tórica , es una junta mecánica con forma de toroide ; es un bucle de elastómero con una sección transversal redonda , diseñado para alojarse en una ranura y comprimirse durante el montaje entre dos o más piezas, formando un sello en la interfaz.

La junta tórica puede utilizarse en aplicaciones estáticas o dinámicas donde existe movimiento relativo entre las piezas y la junta. Ejemplos dinámicos incluyen ejes de bombas giratorias y pistones de cilindros hidráulicos . Las aplicaciones estáticas de juntas tóricas pueden incluir aplicaciones de sellado de fluidos o gases en las que: (1) la junta tórica se comprime, resultando en una holgura cero; (2) el material de la junta tórica está vulcanizado en estado sólido, 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 líquidos y gases potenciales que necesitan ser sellados ha requerido el desarrollo de una amplia gama de materiales para juntas tóricas. Las juntas tóricas son uno de los sellos más comunes utilizados en el diseño de maquinaria debido a que son económicas, fáciles de fabricar, fiables y tienen requisitos de montaje sencillos. Se han probado para sellar hasta 5000 psi (34 MPa ) de presión. ^{[ 2 ]} 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 la holgura radial. ^{[ 3 ]}  

Las juntas tóricas se pueden producir mediante extrusión , moldeo por inyección , moldeo por presión o moldeo por transferencia . ^{[ 4 ]}

La primera patente para la junta tórica data del 12 de mayo de 1896 y es una patente sueca. JO Lundberg , el inventor de la junta tórica, recibió la patente. ^{[ 5 ]} La patente estadounidense ^{[ 6 ] [ 7 ]} para la junta tórica fue presentada en 1937 por un maquinista danés de 72 años , Niels Christensen . ^{[ 8 ]} En su solicitud presentada anteriormente en 1933, que dio como resultado la patente 2115383, ^{[ 9 ]} comienza diciendo: "Esta invención se refiere a mejoras nuevas y útiles en frenos hidráulicos y, más particularmente, a un sello mejorado para los pistones de los cilindros de transmisión de potencia". Describe «un anillo de sección circular  ... hecho de caucho macizo o compuesto de caucho», y explica: «Este deslizamiento o rodadura parcial del anillo  ... amasa o trabaja el material del anillo para mantenerlo flexible y maleable sin los efectos perjudiciales del desgaste causados ​​por el deslizamiento puramente estático del caucho sobre una superficie. Mediante esta ligera acción de giro o amasado, se prolonga la vida útil del anillo». Su solicitud, presentada en 1937, indica que «es una continuación parcial de mi solicitud pendiente número de serie 704,463 para frenos hidráulicos, presentada el 29 de diciembre de 1933, ahora patente estadounidense número 2,115,383, concedida el 26 de abril de 1938».

Poco después de emigrar a Estados Unidos en 1891, patentó un sistema de freno neumático para tranvías . A pesar de sus esfuerzos legales, las patentes pasaron de una empresa a otra hasta que finalmente llegaron a Westinghouse . ^{[ 8 ]} Durante la Segunda Guerra Mundial , el gobierno estadounidense se apropió de la patente de la junta tórica por considerarla un artículo crítico para la guerra y otorgó el derecho de fabricación a otras organizaciones. Christensen recibió un pago único de 75 000 dólares estadounidenses por su trabajo. Un litigio resultó en un pago de 100 000 dólares a sus herederos en 1971, 19 años después de su muerte. ^{[ 8 ]}

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 (espesor). En EE. UU., los tamaños estándar en pulgadas más comunes corresponden a 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 milímetros, a nivel mundial. El Reino Unido también cuenta con tamaños estándar conocidos como tamaños BS, que generalmente van desde BS001 hasta BS932. Existen además otras especificaciones de tamaño.

Las juntas tóricas vienen en una variedad de tamaños. La norma aeroespacial 568 (AS568) de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) ^{[ 15 ]} especifica los diámetros internos, las secciones transversales, las tolerancias y los códigos de identificación de tamaño (números de guion) para las juntas tóricas utilizadas en aplicaciones de sellado y para juntas de conexión de tubos de rosca recta. La norma británica (BS) utiliza tamaños imperiales o métricos. Las dimensiones típicas de una junta tórica son la dimensión interna (dI), la dimensión externa (DE) y el espesor/sección transversal (SC).

Las juntas tóricas métricas se definen generalmente por la dimensión interna multiplicada por la sección transversal. El número de pieza típico para una junta tórica métrica es DI x CS [material y dureza Shore ]. Por ejemplo, 2x1N70 define esta junta tórica como de 2 mm de diámetro interno y 1 mm de sección transversal, fabricada en caucho de nitrilo con una dureza Shore 70. Las juntas tóricas BS se definen mediante 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 colaboración con un grupo de 20 estudiantes de la escuela de Tewkesbury. Una vez terminada y colocada alrededor de la abadía medieval de Tewkesbury, la junta tórica 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) . ^{[ 16 ]}      

La selección de juntas tóricas se basa en la compatibilidad química, la temperatura de aplicación, la presión de sellado, los requisitos de lubricación , la dureza , el tamaño y el costo. ^{[ 17 ]}

Cauchos sintéticos - Termoestables :

• caucho de butadieno (BR)
• Caucho butílico (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 cáusticas de potasa, 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 fluidos de freno 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. ^{[ 18 ]}
• Caucho de etileno propileno (EPR)
• Fluoroelastómero (FKM): se caracteriza 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 la autoextinción de los materiales. Los materiales FKM estándar presentan una excelente resistencia a aceites y grasas minerales, hidrocarburos alifáticos, aromáticos y clorados, combustibles, fluidos hidráulicos no inflamables (HFD) y muchos disolventes y productos químicos orgánicos. Generalmente no son resistentes al agua caliente, al vapor, a los disolventes polares, a los fluidos de freno a base de glicol ni a los ácidos orgánicos de bajo peso molecular. Además de los materiales FKM estándar, existen diversos materiales especiales con diferentes composiciones de monómeros y contenido de flúor (del 65 % al 71 %) que ofrecen una mayor resistencia química o térmica y/o un mejor rendimiento a bajas temperaturas. ^{[ 18 ]}
• 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 bajas temperaturas disminuye 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 mejores propiedades físicas, resistencia química y propiedades térmicas, en comparación con los materiales curados con donantes 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 80 °C (176 °F) . El NBR generalmente no es resistente a los hidrocarburos aromáticos y clorados, combustibles con alto contenido aromático, disolventes polares, fluidos de freno a base de glicol y fluidos hidráulicos no inflamables (HFD). El NBR también tiene baja resistencia al ozono, a la intemperie y al envejecimiento. El HNBR presenta una mejora considerable en la resistencia al calor, al ozono y al envejecimiento, y le confiere buenas propiedades mecánicas. ^{[ 18 ]}  
• Elastómero perfluorometanosulfónico (FFKM)
• caucho de poliacrilato (ACM)
• Policloropreno ( neopreno ) (CR)
• Poliisopreno (IR)
• caucho de polisulfuro (PSR)
• Politetrafluoroetileno (PTFE): químicamente inerte a casi todos los medios, con un bajo coeficiente de fricción y un rango de temperatura de servicio mucho más amplio que los elastómeros. Debido a que el PTFE no proporciona la carga de asiento elástica de un elastómero, se utiliza principalmente en sellos mecanizados, como sellos energizados por resorte, sellos de copa y sellos labiales, en los que un resorte u otro energizador proporciona la carga de sellado, en lugar de como una junta tórica comprimida convencional. ^{[ 19 ] [ 20 ]}
• Sanifluor (FEPM)
• Caucho de silicona (SiR): se caracteriza por su capacidad para usarse 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. Generalmente, los materiales de silicona son fisiológicamente inocuos, por lo que se utilizan comúnmente en las industrias alimentaria y farmacéutica. Las siliconas estándar son resistentes al agua hasta 100 °C (212 °F) , a los aceites alifáticos de motor y transmisión, y a los aceites y grasas animales y vegetales. Las siliconas generalmente no son resistentes a los combustibles, aceites minerales aromáticos, vapor (es posible a corto plazo hasta 120 °C (248 °F ) ), aceites y grasas de silicona, ácidos o álcalis. Los elastómeros de fluorosilicona son mucho más resistentes a los aceites y combustibles. El rango de temperatura de aplicación es algo más restringido. ^{[ 18 ]}    
• caucho de estireno-butadieno (SBR)

Termoplásticos :

• estirénicos de elastómero termoplástico (TPE)
• Poliolefina termoplástica (TPO) LDPE, HDPE, LLDPE, ULDPE
• Poliuretano termoplástico (TPU) , poliéter , poliéster : Los poliuretanos se diferencian de los elastómeros clásicos en que poseen propiedades mecánicas mucho mejores. En particular, presentan una alta resistencia a la abrasión, el desgaste y 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 50 °C (122 ° F) y a los hidrocarburos alifáticos. ^{[ 18 ]}  
• Copoliesteres de éterésterelastómeros termoplásticos (TEEE)
• Poliamida termoplástica (PEBA) Poliamidas
• Caucho procesable por fusión (MPR)
• Vulcanizado termoplástico (TPV)

Compatibilidad química :

• Aire, de 93 a 149 °C ( 200 a 300 °F ) – Silicona  
• Cerveza - EPDM
• Agua clorada – Viton (FKM)
• Gasolina – Buna-N o Viton (FKM)
• Aceite hidráulico (base de petróleo, industrial) – Buna-N
• Aceites hidráulicos (base sintética) – Viton
• Agua – EPDM
• Aceites de motor – Buna-N ^{[ 21 ]}

Aunque la junta tórica se denominó así originalmente por 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 junta X, junta Q o por el nombre comercial Quad Ring. Al comprimirse durante la instalación, sellan con 4 superficies de contacto: 2 pequeñas superficies de contacto en la parte superior e inferior. ^{[ 22 ]} Esto contrasta con las superficies de contacto únicas, comparativamente más grandes, de la junta tórica estándar. Las juntas X se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones de movimiento alternativo, donde proporcionan una fricción de funcionamiento y arranque reducida y un menor riesgo de deformación en espiral en comparación con las juntas tóricas.

También existen anillos con perfil cuadrado, comúnmente llamados anillos cuadrados, torneados o simplemente anillos cuadrados. Cuando las juntas tóricas se vendían a un precio elevado debido a su novedad, la falta de procesos de fabricación eficientes y el alto costo de mano de obra, se introdujeron los anillos cuadrados como una alternativa económica. El anillo cuadrado se fabrica típicamente mediante el moldeo de una funda de elastómero que luego se tornea. Este tipo de sello a veces resulta 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. Los anillos cuadrados generalmente se utilizan solo en aplicaciones dinámicas como energizadores en conjuntos de sellado de tapas. Además, los anillos cuadrados pueden ser más difíciles de instalar que las juntas tóricas.

Dispositivos similares con secciones transversales no redondas se denominan sellos , empaquetaduras o juntas. Véase también Arandela (ferretería) . ^{[ 23 ]}

Las culatas de los motores de los automóviles suelen sellarse con juntas planas revestidas de cobre.

Los bordes de cuchillas prensados ​​en juntas de cobre se utilizan para alto vacío.

Los elastómeros o metales blandos que se solidifican en su lugar se utilizan como juntas.

Los materiales de las juntas tóricas pueden estar sometidos 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 soportar temperaturas tan bajas como -330 °F (-200 °C) o tan altas como 480 °F (250 °C) . A bajas temperaturas, casi todos los materiales de ingeniería se vuelven rígidos y dejan de sellar; a altas temperaturas, suelen quemarse o descomponerse. El ataque químico puede degradar el material, provocar grietas frágiles o causar hinchazón. Por ejemplo, las juntas de NBR pueden agrietarse al exponerse a ozono gaseoso 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 una junta del tamaño incorrecto para un hueco específico, lo que puede causar la extrusión del caucho.    

Cuando la temperatura de servicio, la exposición química o la vida útil requerida del sellado exceden lo que los elastómeros pueden proporcionar, a veces se utilizan sellos energizados por resorte con revestimiento de PTFE en lugar de juntas tóricas elastoméricas, con un resorte metálico interno que proporciona la fuerza de sellado que el polímero por sí solo no puede generar. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

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 blandos, pero la radiación más penetrante, como los neutrones, puede causar un rápido deterioro. En estos entornos, se utilizan juntas de metal blando.

Existen algunas razones comunes por las que fallan las juntas tóricas:

1. Daños durante la instalación : Esto se debe a una instalación incorrecta de la junta tórica. 
2. Fallo en espiral : Se presenta en los sellos de pistones de carrera larga y, en menor medida, en los sellos de vástago. El sello se atasca en un punto de su diámetro (contra la pared del cilindro) y se desliza y gira simultáneamente. Esto retuerce la junta tórica a medida que el dispositivo sellado se acciona y, finalmente, provoca una serie de cortes profundos en espiral (generalmente en un ángulo de 45 grados) en la superficie del sello. 
3. Descompresión explosiva : Una embolia de la junta tórica, también llamada rotura por expansión de gas, se produce cuando el gas a alta presión queda atrapado dentro del elemento de sellado elastomérico. Esta expansión provoca ampollas y roturas 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 frío intenso previo al lanzamiento. Esto fue demostrado de forma célebre 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 , 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 elasticidad y se vuelve quebradiza. Más importante aún, cuando una junta tórica se enfría cerca (pero no más allá) de su T _g , una vez comprimida, tarda más de lo normal en recuperar su forma original. Las juntas tóricas (y todos los demás sellos) funcionan ejerciendo 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 se encontraba 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 una pequeña desgasificación del propulsor de cohete sólido en la unión entre dos segmentos en los momentos inmediatamente anteriores al desastre. Esto se atribuyó a una junta tórica defectuosa. El gas a alta temperatura que escapaba impactó contra 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 la distribución con precisión. Para aplicaciones aeroespaciales y militares, las juntas tóricas generalmente se empaquetan individualmente y se etiquetan con el material, la fecha de curado y la información del lote. Las juntas tóricas pueden, si es necesario, retirarse del almacén. ^{[ 26 ]} Además, los fabricantes realizan pruebas de lotes rutinarias para el control de calidad de las juntas tóricas y otros sellos, y a menudo el distribuidor y los usuarios finales las someten a varias pruebas de garantía de calidad adicionales.

En cuanto a los propulsores, la NASA y Morton-Thiokol los rediseñaron con un nuevo diseño de juntas, que ahora incorpora tres juntas tóricas en lugar de dos. Estas juntas cuentan con calentadores integrados que se activan cuando la temperatura desciende por debajo de los 10 °C (50 °F) . Desde el desastre del Challenger , no se han registrado problemas con las juntas tóricas , y estas no tuvieron ninguna relación con el desastre del transbordador espacial Columbia en 2003.  

• Conceptos básicos sobre juntas tóricas, por C. Otto Gehrckens