Cómo seleccionar juntas para bridas
Creado 09.26
En sistemas de tuberías y conexiones de equipos, las juntas de brida son componentes clave que garantizan el rendimiento de sellado. La racionalidad de su selección afecta directamente la seguridad, estabilidad y economía de la operación del sistema. Una selección inadecuada de la junta puede llevar a fugas de medio, corrosión del equipo, desperdicio de energía e incluso graves accidentes de seguridad como incendios y explosiones. Partiendo de las consideraciones fundamentales para la selección de juntas de brida, este artículo elaborará sobre el método de selección científica desglosando cuatro dimensiones clave: presión y temperatura de operación, compatibilidad química, condición de la superficie de la brida y carga de los pernos, proporcionando orientación práctica para el personal de ingeniería y técnico.
I. Consideraciones Clave para la Selección de Juntas de Brida
La selección de juntas de brida debe adherirse a los tres principios de "adaptabilidad, estabilidad y seguridad". Antes de la selección formal, se deben centrar en los siguientes 4 requisitos básicos para evitar desviaciones en la selección causadas por omisiones preliminares:
1、Priorizar la clarificación de las características del medio: Es necesario confirmar primero el tipo de medio (por ejemplo, gas, líquido, vapor, fluido corrosivo), concentración, pureza y si contiene impurezas particuladas que el flange transporta o contacta. Por ejemplo, los flanges que transportan ácidos fuertes tienen requisitos drásticamente diferentes para la resistencia a la corrosión de las juntas en comparación con aquellos que transportan agua ordinaria. Negligir las características del medio llevará rápidamente a la falla de la junta, incluso si otros parámetros coinciden.
2、Anclar las condiciones de límite de operación del sistema: Obtener la presión de operación nominal, la presión máxima instantánea y la temperatura de operación a largo plazo, así como el rango de fluctuación de temperatura extrema del sistema donde se encuentra el flange, en lugar de referirse únicamente a los valores nominales diseñados. Por ejemplo, las tuberías de vapor a alta temperatura pueden experimentar condiciones de "aumento y caída repentina de temperatura", lo que requiere que las juntas cumplan tanto con la estabilidad a alta temperatura como con la resistencia al choque térmico.
3、Coincidir los parámetros básicos de bridas y pernos: Confirmar el tipo de brida (por ejemplo, brida de deslizamiento, brida de cuello de soldadura, brida de soldadura a socket), la forma de la superficie de sellado (por ejemplo, cara plana, cara elevada, cara macho-hembra, cara de lengüeta y ranura), así como el material del perno, la especificación y los requisitos de par de apriete. Diferentes formas de superficie de sellado corresponden a juntas de diferentes estructuras (por ejemplo, las caras de lengüeta y ranura requieren juntas sin anillos de localización), y la carga del perno afecta directamente la cantidad de compresión y el efecto de sellado de las juntas.
4、Cumplir con las normas de la industria y de seguridad: Asegurarse de que las juntas seleccionadas cumplan con las especificaciones relevantes de la industria (por ejemplo, GB/T 9126 para la industria petroquímica, HG/T 20606 para la industria química y ASME B16.20 para normas internacionales). Especialmente en escenarios que involucren medios inflamables, explosivos, tóxicos o nocivos, las juntas deben pasar pruebas de sellado y certificaciones de seguridad para evitar riesgos ocultos debido al incumplimiento de las normas.
II. Método de Selección Científica para Juntas de Brida: Desglose de Cuatro Dimensiones Clave
La selección de juntas de brida debe centrarse en la "adaptación a las condiciones de trabajo". A través del análisis de la presión y temperatura de operación, la compatibilidad química, la condición de la superficie de la brida y la carga del perno uno por uno, se puede lograr un ajuste preciso.
(1) Paso 1: Determinar la categoría general del material de la junta en función de la presión y temperatura de operación.
La presión y la temperatura de operación son factores clave que determinan el material de la junta, y juntos forman el "límite básico" para la selección de juntas. Las juntas de diferentes materiales tienen diferencias significativas en su tolerancia dentro del rango de presión-temperatura (P-T), lo que requiere un ajuste estricto:
1、Condiciones de baja presión y baja temperatura
(presión ≤ 1.6MPa, temperatura ≤ 100℃):
Adecuado para escenarios que transportan medios como agua, aire y vapor de baja presión. Se recomiendan juntas no metálicas, incluyendo juntas de goma natural (buena elasticidad, bajo costo), juntas de goma nitrílica (mejor resistencia al aceite que la goma natural) y juntas de goma de asbesto (gradualmente restringidas, con juntas de fibra sin asbesto como alternativas). Estas juntas son fáciles de instalar, pero se debe prestar atención a evitar exceder el límite superior de temperatura, lo que puede causar envejecimiento y endurecimiento.
2、Condiciones de presión media y temperatura media
(presión: 1.6-10MPa, temperatura: 100-350℃):
Aplicable a los procesos de tuberías en las industrias petroquímica y química. Se recomiendan juntas semimetálicas, como juntas revestidas de metal (cáscara de metal + material de núcleo no metálico, con rendimiento de sellado y resistencia a la temperatura) y juntas de espiral (enrolladas con tiras de metal y tiras no metálicas, con excelente compresión y resiliencia, lo que las convierte en la "opción universal" para condiciones de presión media). Nota: El material de la tira de metal en las juntas de espiral (por ejemplo, acero inoxidable 304, acero inoxidable 316L) debe ser confirmado adicionalmente en función de la corrosión del medio.
3、Condiciones de alta presión y alta temperatura
(presión ≥ 10MPa, temperatura ≥ 350℃):
Apropiado para tuberías de vapor de alta presión, reactores de hidrogenación, intercambiadores de calor de alta temperatura, etc. Se requieren juntas completamente metálicas, como juntas metálicas dentadas (que logran el sellado a través de la compresión dentada, adecuadas para bridas de cara macho-hembra) y juntas metálicas en anillo (por ejemplo, juntas octagonales, ovaladas, adecuadas para bridas de cara de lengüeta y ranura, con un rendimiento de sellado extremadamente fuerte pero altas exigencias para la precisión de la superficie de sellado de la brida). Las juntas completamente metálicas deben coincidir con el material de la brida (por ejemplo, bridas de acero al carbono con juntas de acero al carbono, bridas de acero inoxidable con juntas de acero inoxidable) para evitar la corrosión electroquímica.
Notas clave:
- El "efecto sinérgico de la presión y la temperatura" debe considerarse simultáneamente. Por ejemplo, una cierta junta puede soportar 300℃ bajo una presión de 2MPa, pero puede soportar solo 250℃ bajo 5MPa. La "curva P-T" proporcionada por el fabricante de la junta debe ser consultada en lugar de juzgarse en función de un solo parámetro.
- Para escenarios con fluctuaciones extremas de temperatura (por ejemplo, caída repentina de temperatura ≥ 100℃), se deben seleccionar materiales con buena resistencia al choque térmico, como juntas en espiral de grafito flexible (el grafito tiene alta resistencia a la temperatura y bajo coeficiente de expansión térmica), para prevenir fallos en el sellado de la junta debido a la expansión y contracción térmica.
(2) Paso 2: Eliminar materiales no adecuados a través de la verificación de compatibilidad química
La compatibilidad química es crucial para garantizar el funcionamiento estable a largo plazo de las juntas. Si una junta reacciona químicamente con el medio (por ejemplo, corrosión, hinchazón, degradación), no solo reducirá el rendimiento de sellado de la junta, sino que también puede contaminar el medio o producir sustancias nocivas. Los métodos de verificación son los siguientes:
1、Aclare los "factores de corrosión" del medio:
Primero, analice las propiedades químicas del medio: si es ácido (por ejemplo, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico), alcalino (por ejemplo, hidróxido de sodio, agua amoniacal), oxidante (por ejemplo, ácido nítrico, gas cloro), reductor (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, hidrógeno), o contiene disolventes (por ejemplo, metanol, etanol) o aceites (por ejemplo, petróleo crudo, aceite lubricante). Por ejemplo: las juntas de acero al carbono ordinarias (propensas a la corrosión) deben evitarse para medios ácidos, y se deben seleccionar materiales resistentes a la corrosión como el acero inoxidable 316L y Hastelloy; las juntas de goma natural (propensas a la hinchazón) deben evitarse para medios aceitosos, y se deben elegir juntas de goma nitrílica o fluororubber.
2、Consulte las "tablas de compatibilidad" y los datos experimentales:
Los fabricantes de juntas suelen proporcionar "tablas de compatibilidad de materiales y medios", marcando los niveles de tolerancia de diferentes materiales en medios específicos (por ejemplo, "excelente, bueno, pobre"). Para medios especiales (por ejemplo, medios altamente corrosivos, de alta pureza), solicite informes de pruebas de compatibilidad de terceros al fabricante o realice pruebas de condiciones de trabajo simuladas a pequeña escala (por ejemplo, prueba de inmersión: sumerja la muestra de junta en el medio y observe si hay cambios de peso, deformación, disolución, etc. después de 72 horas).
3、Cuidado con las "reacciones químicas ocultas":
Algunos medios pueden descomponerse o sufrir "reacciones ocultas" con el material de la junta bajo alta temperatura y presión. Por ejemplo: el vapor de agua a alta temperatura puede reaccionar con aditivos en algunas juntas no metálicas para generar impurezas. Por lo tanto, incluso si son compatibles a temperatura ambiente, la estabilidad bajo alta temperatura y presión aún debe ser confirmada.
(3) Paso 3: Evaluar la condición de la superficie del flange y hacer coincidir la estructura y la compresibilidad de la junta
La planitud, rugosidad y estado de daño de la superficie de sellado del brida afectan directamente el efecto de compresión y ajuste de la junta. Incluso si el material de la junta es adecuado, se producirá una fuga si la superficie de la brida tiene rayones, abolladuras o rugosidad inconsistente. Los siguientes 3 puntos deben ser el foco:
1、Rugosidad de la superficie de la brida (Ra):
Diferentes tipos de juntas tienen diferentes requisitos de rugosidad:
- No metálicos juntas (por ejemplo, juntas de goma, juntas sin asbesto): La superficie del flange necesita ser relativamente lisa, con una rugosidad de Ra ≤ 3.2μm (para evitar que la superficie rugosa raye la junta o cause fugas debido a espacios excesivos).
- Semi-metálicos juntas (por ejemplo, juntas de espiral enrollada): Se requiere una rugosidad moderada, con Ra = 1.6-6.3μm (una superficie demasiado lisa puede hacer que la junta se deslice, mientras que una superficie demasiado rugosa puede dañar la capa de sellado de la superficie de la junta).
- Full-metallic juntas (por ejemplo, juntas anilladas, con estrías): La superficie de la brida requiere un procesamiento de alta precisión, con una rugosidad de Ra ≤ 1.6μm (para asegurar un ajuste metálico a metálico hermético y evitar fallos en el sellado debido a superficies desiguales).
Si la rugosidad de la superficie del flange es inconsistente, se requiere rectificado (los flanges adaptados a juntas no metálicas deben ser rectificados con papel de lija fino, mientras que los flanges adaptados a juntas totalmente metálicas necesitan ser procesados con rectificadoras de precisión).
1、Inspección de daños en la superficie del flange:
Antes de la instalación, inspeccione visualmente o use calibres de sensación para verificar si la superficie de sellado de la brida tiene rayones (se requiere reparación si la profundidad > 0.2 mm), abolladuras (se requiere relleno si el área > 5 mm²) o deformación (se requiere corrección si la desviación de planitud > 0.1 mm/m). Los rayones menores se pueden reparar mediante pulido; si el daño es severo, la brida debe ser reemplazada antes de instalar la junta.
2、Coincidencia de las formas de la superficie de sellado del flange:
La estructura de la junta debe corresponder estrictamente a la forma de la superficie de sellado del flange:
- Cara Plana (FF) bridas: Adaptarse a juntas no metálicas (por ejemplo, juntas planas). Tenga en cuenta que el diámetro exterior de la junta debe cubrir los orificios de los pernos de la brida para evitar la fuga del medio a través de los orificios de los pernos.
- Cara Elevada (RF) bridas: Adaptarse a juntas semimetálicas (por ejemplo, juntas de espiral, juntas revestidas de metal) o juntas no metálicas gruesas. El diámetro interno de la junta debe ser consistente con el diámetro interno de la brida para evitar "estrechamientos" que causan retención de medio.
- Male-Female (MFM) y bridas de lengüeta y ranura (TG): Se adaptan a juntas semimetálicas o juntas totalmente metálicas (por ejemplo, juntas enrolladas en espiral con anillos de localización, juntas de anillo metálico). La estructura macho-hembra/lengüeta y ranura se utiliza para el posicionamiento y prevenir el desplazamiento de la junta, lo que es especialmente adecuado para condiciones de alta presión.
(4) Paso 4: Calcule la carga del perno para asegurar que la junta alcance la cantidad óptima de compresión
La carga del perno es la "fuente de energía" para lograr el sellado de la junta. Una fuerza de pretensado de pernos insuficiente impedirá que la junta se comprima completamente, lo que resultará en un mal ajuste de la superficie de sellado; una fuerza de pretensado excesiva causará una sobrecompresión de la junta (las juntas no metálicas pueden ser aplastadas, mientras que las juntas metálicas pueden sufrir deformación plástica), perdiendo resiliencia y llevando fácilmente a fugas cuando la presión del sistema fluctúe posteriormente. Los pasos específicos de operación son los siguientes:
1、Determinar la "carga de sellado mínima"
requerida para la junta: Los fabricantes de juntas suelen proporcionar dos parámetros clave: "factor de junta (m)" y "presión específica mínima de precarga (y)" (consulte ASME B16.5 o GB/T 9126):
- Mínimo carga de pre-apriete (Fp): La carga que asegura que la junta se ajuste firmemente sin presión del medio, calculada por la fórmula: Fp = y × A (A es el área de sellado efectiva de la junta, que debe calcularse en función del tamaño de la junta).
- Carga operativa (Fm): La carga que impide que la junta sea empujada hacia afuera por la presión del medio durante el funcionamiento del sistema, calculada por la fórmula: Fm = m × P × A (P es la presión de operación del sistema).
La carga total del perno debe cumplir tanto con Fp como con Fm, es decir, la carga total del perno F ≥ max (Fp, Fm).
2、Calcule el par de apriete previo del perno:
Basado en la carga total del perno F, combinada con el material del perno (por ejemplo, Q235, acero inoxidable 304), la especificación (por ejemplo, M16, M20) y la condición de lubricación (si se aplica grasa en la rosca), calcule el par de apriete utilizando la fórmula: T = K × F × d (K es el coeficiente de par, generalmente 0.12-0.2, determinado por el método de tratamiento de superficie del perno; d es el diámetro nominal del perno).
En la operación real, se debe utilizar una llave de torsión para apretar los pernos de manera uniforme de acuerdo con el par calculado (siguiendo el "método de apriete diagonal paso a paso" para evitar la deformación de la brida), y está estrictamente prohibido apretar basándose en la experiencia.
3、Evitar la sobrecarga de carga de pernos:
Confirme la carga máxima permitida del perno (calculada en función de la resistencia al rendimiento del material del perno) y asegúrese de que la carga total del perno F no exceda el 80% de la carga máxima permitida del perno (se reserva un margen de seguridad para prevenir la deformación por estiramiento o fractura del perno). Si la carga del perno es insuficiente, se puede resolver aumentando el número de pernos o reemplazándolos por pernos de alta resistencia; si la carga del perno es excesiva, seleccione juntas con mayores cantidades de compresión (por ejemplo, juntas de grafito flexible enrolladas en espiral) o ajuste el tamaño de la junta (aumente el área de sellado efectiva A para reducir la carga requerida).
III. Verificación y Mantenimiento Post-Selección: Asegurando un Rendimiento de Sellado a Largo Plazo
Después de seleccionar la junta, se requiere verificación de instalación y mantenimiento posterior para garantizar aún más el efecto de sellado:
1、Verificación de instalación: Después de instalar la junta, realice una prueba de presión (por ejemplo, prueba de presión de agua, prueba de estanqueidad al aire), mantenga la presión en la presión de operación nominal durante 30 minutos y observe si hay fugas (se puede aplicar agua jabonosa a la superficie de sellado; la ausencia de burbujas indica calificación). Si ocurre una fuga, verifique si el par de apriete de los pernos es suficiente, si la junta está desalineada y si la superficie de la brida está dañada, y vuelva a probar después de solucionar los problemas uno por uno.
2、Mantenimiento regular: Desarrollar un ciclo de mantenimiento de juntas basado en la severidad de las condiciones de trabajo (por ejemplo, inspección cada 1-2 años para condiciones de baja presión y temperatura normal, y cada 3-6 meses para condiciones de alta presión y alta temperatura). Enfocarse en lo siguiente:
- Ya sea que la junta tenga envejecimiento, endurecimiento o agrietamiento (para juntas no metálicas) o corrosión, deformación (para juntas metálicas).
- Si los pernos están sueltos (el apriete se puede realizar con una llave de torsión).
- Si hay signos de fuga de medio (por ejemplo, residuos de medio, puntos de corrosión cerca de la superficie de sellado).
Si se encuentran signos de fallo en la junta, reemplácela de manera oportuna para evitar la expansión de la falla.
Conclusión
La selección de juntas de brida es un "proyecto sistemático" que requiere una consideración integral de los parámetros de las condiciones de trabajo, las características del medio y las condiciones de la brida y los pernos. La selección precisa se puede lograr a través del proceso de cuatro pasos de "determinar la categoría general de material → verificar la compatibilidad química → hacer coincidir la superficie de la brida → calcular la carga del perno". Al mismo tiempo, la verificación de la instalación y el mantenimiento regular después de la selección también son indispensables. Solo formando un ciclo cerrado de "selección - instalación - mantenimiento" se puede garantizar el funcionamiento estable a largo plazo del sistema de sellado de brida, proporcionando una garantía para la seguridad y eficiencia de la producción industrial.