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ARAMIDA VS: GRAFITO
En aplicaciones hasta temperaturas de 250ºC casi siempre ganan las laminas a base de fibra aramida contra el grafito extendido. El material mas usado en la mayoría de ramos industriales para uso en juntas estaticas son laminas a base de fibra aramida. Se usan estos materiales hasta temperatura de 250ºC para temperatura mas alta se usa normalmanete grafito expandido con malla de acero. Una y otra vez hay quienes ofrcen el grafito expandido también para temperatura debajo de 250ºC sin pensar que en estas aplicaciones el grafito expandido si tiene sus limites. Lo que antes para uso en juntas estáticas eran los materiales ,7 ( - nombre derivado de “Gumm,-Asbes7” lo que es “caucho-asbesto” - ) y se usaba en cantidad de milliónes son hoy día en casi toda Europa y cada día más en todo el mundo debido a las propiedades nocivos del asbesto los materiales libre de asbesto. Según la norma DIN 28091 existe para estos materiales la abreviación FA. Estos materiales FA contienen 3 componentes principales: Las fibras cuales cumplen la función de darles a los materiales resistencia a la tracción, el caucho cual es para ligar los diferentes componentes del material y darle estanquidad y en fin de sustancias inorgánicas para elevar los límites de resistencia a temperatura, darle al material ciertas características de resistencia química y mejorar la estanquidad en la forma de llenar los espacios entre las fibras. Como fibra que sustituye a la fibra de asbesto en mayoría se usa la fibra de aramida. Principalmente hay 2 diferencias notables entre los materiales a base de fibra de a besto y tales a base de fibra de aramida: la estanquidad de materiales a base de fibra de aramida es – cuando se trata de un producto de buena calidad – bastante mejor que la estanquidad de materiales a base de fibra de asbesto _ la resistencia a temperatura para los materiales a base de fibra de aramida es limitada a 250°C de temperatura continua, al contrario los materiales a base de fibra de asbesto se puede aplicar en ciertas circunstancias hasta 550°C La brecha que existe encima de temperatura máxima de aplicación de materiales a base de fibra de aramida ( los mencionados 250°C ) es cerrado por materiales a base de grafito expandido. Estos materiales necesitan un refuerzo en forma de una malla metálica la que puede ser en forma de una chapa perforada. La malla sobre todo tiene el fin de mejorar el manejo del grafito expandido cual en si sólo es muy quebradizo. Una y otra vez hay quienes que ofrecen el grafito expandido también para aplicaciones típicas para laminas a base de fibra de aramida. Hay que saber que los materiales a base de fibra de aramida tienen – cuando se trata de un producto de buena calidad – una série de ventajas sobre los materiales a base de grafito expandido reforzado con malla de acero como por ejemplo son: mejor manejo de la junta en proceso de montaje y desmontaje mayor potencial de estanquidad son posible ciertas dimensiones críticas para la junta cuales no son posible con material a base de malla mayor seguridad en el trabajo con el material y la junta cortada Juntas a base de láminas comprimidas a base de fibra de aramida destacan en su manejo simple. Esto especialmente es verdad para juntas de dimensiones grandes. Como no hay que cortar una malla metálica para cortar la junta, el proceso de cortar la junta es bastante más simple y no hay que usar herramientas especiales. Encima, el transporte de la junta a base de fibra de aramida no es crítico porque no existe mucho riesgo de dañar la junta durante el transporte. Al contrario, las juntas a base de grafito expandido con malla necesitan un embalaje especial para evitar que se daña la junta durante el transporte. Bajo las condiciones de montaje de la junta muchas veces adversos se aprende también apreciar el mejor manejo de juntas a base de fibra de aramida. No son tan sensibles a golpes, rasguños o doblezes como son las juntas a base de grafit expandido. También el proceso de desmontaje es más simple y normalmente no quedan residuos en la brida. Otro aspecto es la seguridad en el trabajo con el material y la junta cortada. La junta cortada de material grafito expandido tiene – por razon de la malla de acero – un borde muy agudo lo que lleva el riesgo de cortarse las manos. Pero por cierto la característica más importante cual hace a la junta a base de fibra de aramida el mejor producto en temperatura abajo de 250°C es el mejor potencial de estanquidad y la buena retención de torque. El secreto de un excellente material a base de fibra de aramida es que el material tiene al mismo tiempo un rendimiento muy alto en estos dos características. Para lograr esto hay que elegir bien en la selección y las proporciones de la materia prima que se usa y hay que trabajar con un excellente sistema de control de calidad en todas las fases de producción del material. Sólo de esta manera se logra una mezcla muy homogenea de todos los componentes en el material. Excellentes materiales a base de fibra de aramida tienen una retención de torque muy alta. Esta característica es determinada a base de la norma DIN 52913. Debido a la malla, también los materiales a base de grafito expandido sobre malla de acero tienen retención de torque alto. Pero como mencionado arriba, el secreto es de tener un material cual al mismo tiempo brinda con retención de torque alto y potencial de estanquidad alto. Ahi es donde materiales a base de fibra de aramida de calidad alto muestran ventaja muy clara sobre el grafito expandido con malla de acero. El potencial de estanquidad se puede determinar por ejemplo a base de la DIN 3535/6. Más exacto todavía es, hacer pruebas de estanquidad con el método de medir el grado de fuga del gas helio cual se hace con un espectrómetro de mole. Materiales a base de fibra de aramida de calidad alto muestran un grado de fuga de helio bastante menor que materiales a base de grafito expandido con malla de acero y tienen – como ya mencionado – al mismo tiempo mejor retención de torque. El siguiente gráfico muestra el grado de fuga de helio para los materiales Victor Reinz AFM 34 (fibra aramida) y un material de grafito expandido con malla de acero en dependencia da la fuerza sobre la superficie de la junta. Para fuerza sobre la superficie baja de 25 N/mm2 el AFM 34 tiene un potencial de estanquidad 10 veces mejor que el grafito expandido. Cuando se aumenta la fuerza sobe la superficie a 45 N/mm2 se logra un potencial de estanquidad cual es 100 veces mejor para el AFM 34 que para el grafito expandido. Es también para ciertas dimensiones críticas para la junta cuando se puede lograr mejores resultados con juntas a base de fibra de aramida. Materiales a base de fibra de aramida de calidad alto tienen una alta resistencia al cizallamiento de la superfície de la junta. Es por eso que de estos materiales se puede cortar también juntas con algunas dimensiones pequeñas sin correr el riesgo de perder mucho potencial de estanquidad. Dimensiones pequeñas para juntas a base de grafito expandido con malla de acero son muy limitadas por el tipo de chapa usado en estos materiales. Cuando se trata de juntas de dimensiones muy grandes, hay que segmentar las juntas en varios partes. Esto es más fácil usando material a base de fibra de aramida que para material a base de grafito expandido con malla de acero. Juntas de Sellado de Fibra Sintética : Conceptos de Actualidad Juntas de Sellado de Fibra Sintética : Conceptos de Actualidad Diseño, Características y Funcionalidad Traducción oficial del Artículo “Moderne Flachdichtungen auf Faserbasis” del Dr. Rolf Gladen, Reinz-Dichtungs-GmbH, para la Revista Técnica “Chemie-Technik” El aumento de la conciencia para la protección del medio ambiente y la salud ocupacional ha tenido un doble efecto sobre el uso de juntas de sellado a base de fibras. Por un lado, la prohibición del asbesto tiene como consecuencia que no están más disponibles las láminas probadas a base de esta fibra. Por otro lado, otra consecuencia es que hoy día los requisitos en cuanto a sellabilidad son bastante más exigentes. Después de más de dos décadas de experiencia en desarollo y aplicación de láminas libres de asbestos, hemos llegado a un nivel de calidad de estos productos que satisface perfectamente a estos dos requisitos. Caso: Alarma en corporación XY Chemical Co., Hay paro de producción mientras que los responsables de mantenimiento y de operación de la planta están bajo estrés de solucionar el problema. La causa del problema es un derrame en una brida de unión del conducto principal de la planta. Con el tiempo transcurriendo, aumentan los costos sucesivos del paro. Cada minuto sube la presión para el responsable de la planta de solucionar el problema. ¿Cuál es la causa del derrame? ¿Es la junta de sellado de fibra sintética, el montaje incorrecto, la selección equivocada del estilo de lámina …? Hay muchas posibles fuentes del problema. Las más probables son:
Antes de dedicarnos en detalle a aspectos de aplicación y función de juntas de sellado, vamos tratar el diseño de los mismos. Diseño Las juntas de sellado a base de fibras contienen tres principales componentes: fibras, aglutinantes y sustancias de relleno. Esto aplica de forma igual para las anteriores láminas utilizadas a base de fibra de asbestos ( láminas 'It' conforme a norma DIN 3754 ) y para las hoy día utilizadas láminas libres de asbesto ( nombrado en siguiente “AFM” = Asbestos Free Materials = láminas libres de asbesto ) las que han reemplazado a las láminas a base de fibras de asbesto en muchas partes del mundo. Las AFM no pueden ser consideradas los sustitutos directos de las láminas “It”. Esto, porque sus características no son las mismas que las de las láminas “It”. Hablamos sobre todo de la temperatura máxima de aplicación que está entre 200°C y 300°C dependiendo del tipo de lámina. Es necesario indicar, que hasta este límite de temperatura, los resultados de sellabilidad de las láminas libres de asbesto son bastante mejores que las de las láminas “It”. Las diferencias entre los “It” y los AFM radican en el diseño (ver tabla 1) de las láminas. Las láminas AFM contienen menos fibras que las láminas 'It'. Hay que considerar que es el contenido y las características de las fibras que definen en gran parte las características de las láminas como por ejemplo la resistencia térmica-mecánica ( DIN 53913 “Druckstandfestigkeit” = retención de torque), la capacidad de recuperación, etc. La tempeatura continua máx. y presión de trabajo máx. no deben darse simultáneamente Las sustancias de relleno no tienen las mismas ventajas de las fibras pero sí la diversidad de diferentes sustancias de relleno con diferentes características permite la fabricación de láminas con excelente desempeño siempre y cuando la selección y combinación de las sustancias es apropiada. Los aglutinantes usados para las láminas 'It' y AFM son básicamente los mismos en tipo y porcentaje. Existe una tendencia de usar NBR. En cuanto a resistencia química y resistencia a envejecimiento son los NBR los que tienen las mejores características. Las fibras juegan el papel más importante para la función de las láminas. Las fibras que sustituyen al asbesto se puede clasificar en dos grupos: fibras orgánicas y fibras inorgánicas. Las fibras de celulosa y de aramida resisten a temperaturas más bajas que las fibras de vidrio, silicato, cuarzo o carbón mientras las diferencias en cuanto a resistencia química no son tan pronunciadas entre las fibras orgánicas e inorgánicas. Las fibras orgánicas tienen como ventaja dar a las láminas una buena resistencia a la tracción. Las fibras orgánicas son flexibles y en el caso de la fibra aramida, ésta tiene muy alta resistencia a la tracción. Un factor muy importante es que las fibras de aramida tienen una superficie específica muy grande y áspera, muy similar a las fibras de asbesto. Esto hace que exista excelente adhesión entre la fibra aramida y el aglutinante. En comparación, las fibras inorgánicas son muy quebradizas y se pueden fracturar cuando se corta una junta o durante el uso de la junta. Una desventaja grande de las fibras inorgánicas es que hay adhesión débil entre la superficie lisa de estas fibras y el aglutinante. La consecuencia de este hecho es que las buenas características de las fibras inorgánicas no se puede transferir a la lámina en su conjunto. Es por eso que las láminas a base de fibra de carbón o a base de fibra de vidrio contienen también un porcentaje alto de fibras de aramida. Sin las fibras de aramida sería muy difícil poder fabricar estas láminas y sus características mecánicas no serian satisfactorias. Por las características arriba descritas, todos los fabricantes de láminas hacen uso de fibras de aramida. Las siguientes observaciones son limitadas a láminas a base de fibras de aramida : Características básicas de las laminas con aramida. El contenido reducido de fibras y la temperatura máxima de uso, que es más baja, son las diferencias principales entre las láminas AFM y “It”. Las principales características de una lámina “It 300” y una lámina AFM 34 de Victor Reinz son listadas en la tabla 2. Retención de torque Esta característica describe la deformación lenta de una junta de sellado en condiciones de temperatura elevada y baja presión sobre la superficie de la junta de 50 N/mm². Por razón de que la prueba según DIN 52 913 sólo considera 2 parámetros (la presión sobre la superficie de la junta de 50 N/mm2 y la temperatura de 175°C o 300°C), Victor Reinz ha desarrollado otra prueba llamada prueba Reinz RPM 510. Ésta permite evaluar más exacto los límites de aplicación de las laminas. La resistencia del material a la deformación (retención de torque) es evaluada entre temperatura de 20°C y/hasta 600°C con una presión sobre la superficie de la junta de hasta 150 N/mm2. Por ejemplo – usando esta prueba – se puede demostrar que la lámina AFM 34 tiene hasta en una temperatura de 225°C igual de buena retención de torque que un material “It 400”. Sellabilidad a gases La sellabilidad a gases de una lámina es una característica muy importante. La lámina Victor Reinz AFM 34 tiene una sellabilidad a gases bastante superior a las láminas “It”. Cuando se compara datos de sellabilidad de láminas “It” con láminas AFM, hay que considerar que los “It” son probado según DIN 3535/4 pero los AFM son probados según DIN 3535/6 que es bastante más exigente. Como la prueba según DIN aplica sólo una presión interna y una presión sobre la superficie de la junta, Reinz ha desarollado una prueba más detallada llamada RPM 505. Ésta permite hacer pruebas con presión interna de entre 1,1 hasta 100 bar (de gas helio) y presión sobre la superficie de hasta 150 N/mm². La gráfica 1 muestra valores de sellabilidad a gases logrados para diferentes tipos de láminas. Como se puede ver, el AFM 34 logra valores de sellabilidad múltiple veces mejor que 'It 400' y materiales de grafito expandido. Gráfica 1: Sellabilidad a gases de diferentes tipos de materiales Para evluar la sellabilidad hay que ver también en el contexto de la influencia de la temperatura sobre la sellabilidad. En una forma compleja, la sellabilidad depende del diseño de la lámina y de la instalación de la junta. Bajo influencia de temperatura elevada, el material es comprimido. Esto aumenta la sellabilidad a gases de forma significativa ( ver gráfica 2 ). Sólo encima de una temperatura de ~250°C – o en caso de que el aglutinante falle por causa de un ambiente altamente oxidante – disminuye la sellabilidad a gases. Gráfica 2 : Dependencia del grado de fuga de helio con la temperatura (ejemplo Victor-Reinz AFM 30) Compresibilidad La compresibilidad y la recuperación son determinadas a temperatura ambiental. Son un índice para la capacidad del material de adaptarse a las superficies a sellar (rugosidades, desnivelaciones) y para el comportamiento elástico. La compresibilidad para una presión sobre la superficie determinada tiene que ser suficientemente alta para poder llenar las rugosidades, desnivelaciones e imperfeciones de la superficie a sellar, quiere decir, que la compresibilidad absoluta en μm no debe ser más baja que la rugosidad o desnivelación absoluta. En muchos casos son las desnivelaciones y torsiones de bridas viejas que representan las problemas más grandes. Normalmente, las rugosidades son llenadas fácilmente por las láminas AFM porque el material es desplazado en una escala microscópica y así queda formable y adaptable también en estado altamente comprimido. Resistencia química En general, la resistencia química de los AFM no es muy diferente de la de los “It”. Las dos diferencias importantes entre estos tipos de materiales son: Encima de 200 °C, las fibras que sustituyen al asbesto no son altamente resistente al vapor. Esto aplica en particular para fibra aramida, pero también para fibra de vidrio y fibra de carbón. Las fibras de vidrio y de aramida tienen resistencia química limitada a las lejías calientes y concentradas. Las pruebas de resistencia química todavía representan un problema que no tiene solución satisfactoria, así que fabricantes y usuarios estilan aplicar sus propios métodos de verificación de resistencia química. Algunos métodos usados son … Prueba según DIN 3754 con muestras del material probado colgado sin tensión en un medio químico Este método ofrece la ventaja de un efecto acelerado y tiene como resultado valores altos, así que las diferencias entre tipos de láminas son muy pronunciadas y fácilmente observables. La desventaja del método es que ( - como una junta montada no puede aumentar en espesor, o muy poco - ) no hay una relación directa de los resultados con la aplicación de las láminas en la práctica. Prueba con un tubo cerrado o un recipiente con una brida ciega con junta de sellado como cuerpo de prueba. El tubo cerrado o el recipiente contiene el medio químico del cual se mide la pérdida de peso durante un periodo de tiempo definido y en ambiente a una temperatura definida. Si bien este procedimiento tiene alguna relación con la práctica, no es exactamente una prueba de resistencia química pero una prueba de fuga de medio y ésta depende en alto grado de las condiciones de montaje de la junta. Además, es necesario la duración de la prueba de hasta 1000 horas para lograr resultados mensurables. Otro método sigue al método arriba descrito con la diferencia de que adicionalmente es mensurado el cambio de fuerza en los pernos. Si bien esta prueba entrega información adicional para la evaluación del material, el efecto observado es el resultado de varios efectos superpuestos: la puesta del material en condiciones de temperatura elevada, la relajación de las partes metálicas y el aumento del espesor de la junta por absorción del medio. Hasta que sea posible estandardizar un método satisfactório de prueba de resistencia química, es aconsejable para el usuario recurrir a los datos dados de parte de los fabricantes de láminas. Cuando se trata de medios agresivos, es recomendable el uso de juntas con ojillo metálico interior, esto a la vez ofrece resistencia al “blow-out” de la junta. Funcionalidad y manejo Cuando se compara las características de las láminas AFM de calidad superior con láminas “It”, son notables dos diferencias importantes: la retención de torque (DIN 52913) de láminas “It” es mejor en condiciones de temperatura muy alta pero es notablemente mejor la sellabilidad a gases de las láminas AFM. Esto sobre todo es positivo con miras a demandas bastante crecientes de reducción de emisiones, lo que requiere de láminas con sellabilidad a gases mejor que la que tienen las láminas “It”. No es posible cambiar de forma independiente las características de retención de torque (DIN 52913) y de sellabilidad a gases. Aumentar la sellabilidad a gases significa disminuir la retención de torque. Esto tiene un efecto sobre el montaje de la junta. Las demandas crecientes de sellabilidad no sólo hacen necesario el uso de mejores láminas sino también requiren de buenas condiciones de montaje así como también de buenas condiciones de superficies a sellar y de un montaje correcto. En este contexto, a continuación se presentan algunas pautas a considerar - Las juntas de sellado siempre tienen un cierto grado de porosidad. - Si las juntas sellan bien o existe fuga no sólo depende de la junta sino del sistema conjunto de junta, superficies y pernos. - La fuga de medio puede ocurrir en forma de fuga sobre la sección transversal de la junta y entre junta y a la superficie a sellar. - Una junta sólo puede resistir la presión interna alta en caso que está fijada bien entre las superficies a sellar (es necesario una presión sobre superficie mínima) Esto hay que tomar en cuenta cuando se quiere cumplir con requisitos básicos de sellado. Para el funcionamiento de la junta juegan un papel muy importante las condiciones de instalación y operación. Juntas de sellado en condición montada. Una unión con una junta de sellado no muestra fuga cuando los poros del material son minimizados y la junta se ha podido adaptar bien a las irregularidades de las superficies a sellar. Esto se logra comprimiendo la junta con la fuerza de los pernos. Una pauta para la posibilidad de adaptarse bien a las superficies es la compresibilidad de la lámina. Mejores resultados de sellado se logra de la siguiente forma :
Para que selle bien la unión con la junta, no debe sentarse demasiado la junta bajo influencia de temperatura de operación. Esto se logra usando láminas con buena retención de torque (DIN 52913). Además, no se deben extender los pernos bajo influencia de la presión interna porque de esta forma se abre una fisura entre la superficie y la junta. Para eso es indispensable un valor alto de recuperación del material. Para lograr los mejores resultados de sellado es muy importante seleccionar con mucho cuidado el tipo de lámina. Un papel crítico juega la selección correcta del espesor óptimo de la junta, porque una serie de características importantes de la lámina están en dependencia con el espesor del material. Mejores resultados de sellado se logra de la siguiente forma : - uso de láminas con excelente sellabilidad a gases - alta presión (fuerza de pernos) sobre la superficie de la junta (mejor sellabilidad por cerrar los poros del material y a la vez resistencia a la presión interna/del medio) - uso de espesor óptimo (más fino) para mejor retención de torque (DIN 52913) en ámbito de temperatura elevada (lo que impide fuga entre junta y superficie y además es más seguro en cuanto a impedir la posibilidad de “blow-out”) - lámina con compresibilidad baja (normalmente mejor sellabilidad a gases) - rugosidad alta de las superficies a sellar (mejor efecto de anclaje de la junta) Algunas pautas para el uso en la práctica: En la práctica se debe seguir las siguientes pautas
La experiencia en la práctica ha mostrado que en muchos casos no es suficiente asegurar una presión sobre la superficie mínima que fue calculada. Esto porque juega un papel importante también la distribución de esta presión sobre la superficie y ésta normalmente es muy irregular. El valor de la presión sobre la superficie es muy alto cerca de la posición de los pernos, pero más distante de los pernos, es notablemente más bajo. Conclusiones En la mayoría de las aplicaciones de juntas de sellado a base de láminas de fibra que sustituyen al asbesto no hay problemas notables de sellado. Para resolver casos difíciles se debe tomar en cuenta las recomendaciones y pautas arriba descritas. En caso de duda, sobre cómo poder resolver un problema se debe consultar al fabricante de las láminas. En base de su experiencia y conocimiento debe ser posible sustituir en casi todos los casos un material “It” por un material AFM libre de asbestos. Los materiales AFM de calidad alta cumplen con requisitos altos de reducción de emisiones y protección del medio ambiente. Victor Reinz Reinz-Dichtungs-GmbH Neu-Ulm Alemania |