Diseño de juntas tóricas, parte 2: juntas radiales para presión externa

Figura 1. Se muestra una junta tórica en una ranura radial con la tapa asegurada. Nótese el uso de una junta de refuerzo y chaflanes de entrada. (Imagen cortesía de Parker Hannifin, adaptada por el autor para este artículo).

La principal tarea de los ingenieros oceánicos es mantener el agua fuera del barco. Una brecha en el casco puede arruinar un buen día en el mar.

Nuestra discusión sobre el diseño de juntas tóricas comenzó con un vistazo a las juntas frontales en Marine Technology Reporter, enero/febrero de 2026, págs. 20-23 .

En ese artículo se encuentran antecedentes y conceptos básicos importantes que guardan mucha relación con este artículo, pero que no se repiten completamente aquí. Para resumir esos conceptos básicos:

• No existe mejor referencia para el diseño de juntas tóricas que el Manual de Juntas Tóricas de Parker (ORD-5700). Puede descargar un PDF gratuito (véase «Citas» más abajo). Su lectura es obligatoria para los ingenieros oceánicos y contiene mucha más información detallada que cualquier artículo.
• La junta tórica crea una barrera al flujo de fluido. El conjunto de la junta tórica consta de una junta tórica alojada en una ranura.
• Los lubricantes de montaje deben usarse siempre con moderación. Su función es disminuir la fricción y permitir que la junta tórica responda a la presión y se mueva dentro de la ranura.
• La principal causa de fallo de las juntas tóricas es la extrusión a través de una abertura.
• Un sello radial requiere un espacio para facilitar el montaje, algo que no ocurre con el diseño de sello frontal.

Se elige un sello radial cuando: 1) hay un área de brida limitada para un sello frontal y pernos de retención de la tapa final, o 2) como un sello de respaldo secundario para un sello frontal primario.   En ocasiones, se utilizan dos sellos radiales. El primer sello que soporta la presión es el primario. El segundo sello que soporta la presión, en caso de fallo del primario, es el secundario.

Estiramiento de la junta tórica : Si la ranura de diseño ideal se encuentra entre dos tamaños de junta tórica, puede estirar la junta más pequeña para que encaje en la ranura más grande. Puede agrandar una junta tórica pequeña, pero no puede reducir una junta tórica grande. Cuando una junta tórica se estira al instalarla en la ranura, su sección transversal se aplana. Si el estiramiento supera el 2-3%, debe reducirse la profundidad de la ranura para mantener la compresión necesaria. Parker recomienda no estirar la junta tórica más del 5%, ya que esto reduce su vida útil. (Ref.: Parker ORD 5700, Sección 3.5, “Estiramiento”).

La expansión temporal del diámetro interior para alcanzar la ranura durante el montaje normalmente no supera el 25-50%.

Dureza : Una junta tórica de mayor dureza resiste mejor la extrusión. Las juntas tóricas de menor dureza toleran mejor las imperfecciones superficiales. Utilizar una junta tórica de 70 durómetros con una junta de respaldo de 90 durómetros ofrece lo mejor de ambos mundos.

Ranura exterior frente a ranura interior : Una ranura para junta tórica en el exterior de un tapón se considera una ranura "macho". Son mucho más fáciles de mecanizar, anodizar, limpiar, ensamblar e inspeccionar. Una ranura en el interior de una tapa de extremo correspondiente se considera una ranura "hembra". Estas se ven con mucha menos frecuencia.

Enfoque de diseño

Figura 2. Se muestra la secuencia de diseño del sello radial: 1) determinar la holgura, 2) determinar el diámetro interno del tubo, 3) con esos dos valores, calcular el diámetro externo del tapón. (Imágenes cortesía de Parker Seal Company, adaptadas por el autor para este artículo).

En referencia a la Figura 2: La secuencia de diseño del sello radial es:

• Utilizando las tablas de diseño de juntas tóricas radiales de Parker (ORD 5700, Sección 4.2, Tabla de diseño 4-1) y el diagrama de límites de extrusión (véase la Figura 4), determine la holgura máxima permitida. Los diagramas muestran valores "diametrales" o "radiales", así que tenga cuidado al aplicar los valores al "diámetro" (diametral) o a la "holgura" (radial = ½ diametral).
• Determina la cantidad mínima de material que se puede eliminar del diámetro interior del tubo para obtener un orificio circular. Si se elimina demasiado material, la carcasa se debilita ante la presión.
• Reste la dimensión (2 x espacio) a la dimensión del orificio. Este es el diámetro exterior del tapón. Si utiliza aluminio que se va a anodizar, ajuste las dimensiones para tener en cuenta la dilatación superficial (consulte “Anodizado” más abajo).

Selección de la holgura : Al diseñar el tapón y el orificio correspondientes, utilice la especificación Parker para especificar el diámetro exterior del tapón y el diámetro interior del orificio. (Consulte Parker ORD 5700, Tabla de diseño 4-1).

Existen algunas ventajas y desventajas:

Cuanto mayor sea la sección transversal de la junta tórica, mayor será la holgura admisible.

Cuanto menor sea la sección transversal de la junta tórica, menor será la fuerza de compresión necesaria, lo que facilita el montaje.

Seleccionar un espacio pequeño requiere un mecanizado más preciso.

Para una junta tórica típica con una sección transversal de 0,070”, se permite una holgura diametral de 0,002” a 0,005”. Esto significa una separación radial máxima en un lado de 0,0025”.

Anillo de refuerzo: Recomiendo usar siempre un anillo de refuerzo con una junta tórica radial. Son económicos, ocupan poco espacio y están diseñados para evitar que la junta tórica se salga. (Véase la nota 4 anterior).

Coloca el anillo de refuerzo en el lado de baja presión de la junta tórica. La junta tórica es la que recibe la presión primero. El anillo de refuerzo actúa como un guante de béisbol, protegiendo la junta tórica.

Figura 3. La principal causa de fallo de una junta tórica es la extrusión en un hueco (izquierda). Una junta de refuerzo (derecha), fabricada con un material de mayor dureza, actúa como dispositivo antiextrusión. (Imágenes cortesía de Parker Hannifin, adaptadas por el autor para este artículo).

Prefiero usar los anillos de refuerzo Parker Parbak de Buna-N de 90 durómetros en caso de que necesite estirar la junta tórica para que se ajuste a una ranura ligeramente más grande. También me gusta que sean una sola pieza continua. Los anillos de refuerzo de teflón con corte biselado no se estiran y dejan un espacio indeseado entre los extremos si la distancia entre los centros es excesiva.

Un solo anillo de respaldo es suficiente cuando la presión se aplica desde un solo lado, como suele ocurrir en la instrumentación sumergida. Si la presión se ejerce alternativamente sobre ambos lados de una junta tórica, como en un sistema con compensación de presión, se recomienda el uso de dos anillos de respaldo, uno a cada lado de la junta tórica. (Ref.: Parker ORD-5700, Sección 6)

Los números de pieza de Parbak comienzan con un “8-”, seguido del número de tres dígitos del anillo tórico. Por ejemplo, un anillo tórico 2-018 usará un anillo de respaldo Parbak 8-018. Bastante lógico.

Utilice las curvas de límites de extrusión de juntas tóricas Parker (ORD-5700, Sección 3.1.4, Figura 3.2) para confirmar la utilidad de los anillos de respaldo. (Véase la Figura 4). En sellos de baja presión, las curvas indicarán holguras permisibles mayores que las de las tablas de diseño de sellos radiales básicos. En aplicaciones de alta presión, las curvas indicarán si la adición de un anillo de respaldo Parbak permitirá el uso de las dimensiones de ranura estándar del catálogo o mejores. Las dimensiones en la tabla se refieren a "holguras radiales", por lo que debe duplicarlas para obtener "holguras diametrales".

Figura 4. «Aunque se basa en datos obtenidos de juntas tóricas, la curva de 90 durómetros también puede ser una guía útil para evaluar el rendimiento de las juntas de respaldo». (ORD-5700, Sección 3.1.4, Figura 3.2). (Imagen y texto cortesía de Parker Hannifin).

Siempre es preferible construir un prototipo para realizar pruebas de presión y así confirmar todos los aspectos del diseño. Uno de mis mentores de ingeniería, el Dr. Frank Snodgrass, me transmitió una valiosa enseñanza: «La naturaleza siempre favorece a quienes tienen defectos ocultos».

Acabado superficial : Como regla general, la rugosidad superficial de las superficies de sellado no debe superar los 32 rms (véase la figura 5). También es recomendable mecanizar las superficies mediante un torno o una herramienta de mecanizado de caras que produzca un patrón circular que siga la dirección de la ranura. Esta especificación suele representarse en el plano de ingeniería con un círculo C. Una pieza mecanizada con una fresa o un router puede generar microranuras que atraviesen la junta tórica, lo cual puede resultar problemático, ya que la socavan a lo ancho. Este tipo de acabado requiere una inspección minuciosa.

Figura 5. Se describen los acabados superficiales recomendados para la ranura de la junta tórica. Las superficies de sellado principales que requieren acabados más lisos son la superior e inferior, como se muestra aquí. La parte frontal y posterior de la ranura pueden ser más rugosas. El ángulo de inclinación de la ranura, de 0 a 5°, suele quedar a criterio del operario. En mi taller, normalmente utilizamos 0°. (Imagen cortesía de Parker Hannifin, adaptada por el autor para este artículo).

Anodizado: El aluminio anodizado es un recubrimiento cerámico que se obtiene mediante la oxidación del material superficial. Aumenta la capa superficial hasta la mitad del espesor especificado. Generalmente, indico un espesor de 0,002”, donde 0,001” se encuentra dentro del material base y 0,001” crece hacia afuera. Esto modifica las dimensiones de la pieza terminada. Es muy importante tener en cuenta este cambio cuando las holguras diametrales para los sellos radiales son tan ajustadas. Los diámetros exteriores aumentan en 0,002”, los diámetros interiores disminuyen en 0,002”, las profundidades de las ranuras permanecen iguales ya que la parte inferior y superior crecen hacia afuera en la misma dirección, las ranuras se estrechan, mientras que algunas dimensiones, como el diámetro exterior y la longitud del tubo, aumentan, pero esto no afecta. Ajuste las dimensiones relevantes de la pieza en el plano antes de entregarlo al maquinista.

Chaflanes de entrada : Un chaflán de entrada al orificio de 10 a 20 grados para comprimir la junta tórica simplificará el montaje. El diámetro exterior del chaflán es ligeramente mayor que el diámetro exterior de la junta tórica. Redondee las esquinas del chaflán para eliminar los bordes afilados que podrían dañar la junta tórica. También aplico un chaflán en el borde delantero del pistón para ayudar a alinear y centrar el tapón en el orificio durante el montaje. Redondee también las esquinas afiladas para eliminar cualquier borde afilado que pueda dañar las superficies de sellado del orificio. Esto también proporcionará un mejor acabado anodizado.

Precauciones durante el montaje : Trate las juntas tóricas abiertas con el mismo cuidado que una herida abierta. La limpieza y la manipulación cuidadosa de las juntas y las superficies de sellado son fundamentales.

Notas adicionales:

• El personal del Departamento de Ingeniería de Aplicaciones de Parker está disponible para revisar su proyecto, incluyendo temperaturas, presiones, diseño de ranuras (prensaestopas), torque de pernos, acabado superficial, etc. Le ofrecerán ideas de diseño alternativas si le resultan útiles. La División de Juntas Tóricas y Sellos de Ingeniería de Parker se encuentra en Lexington, Kentucky, EE. UU. Teléfono: 1-(859) 269-2351, Fax: 1-(859) 335-5128, www.parkerorings.com .
• El software gratuito "Under Pressure" de DeepSea Power & Light ayudará al ingeniero a determinar las dimensiones óptimas de la caja de presión y la tapa final. Es muy útil para simular diferentes escenarios. El programa se puede descargar sin costo alguno en https://www.deepsea.com/under-pressure-design-software .

Expresiones de gratitud

El autor agradece al maquinista de Scripps, Mert Ingraham, quien fue el primero en compartir conmigo las directrices de diseño de juntas tóricas de la década de 1960, desarrolladas en una etapa más temprana de Scripps. Todavía conservo esas anotaciones en mi ejemplar del ORD-5700. Cuando se requerían tolerancias estrictas, decíamos: «Un ajuste Mert».

Citas

Parker Hannifin Corp., ORD-5700, Edición del ^50.º aniversario, 2021   https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf

Flitney, Robert, Manual de sellos y sellado, Sexta edición, Elsevier, 2014

“Lander Lab” es una columna práctica sobre tecnologías y estrategias de aterrizaje oceánico, una clase única de vehículos submarinos no tripulados, y las personas que los fabrican. Su objetivo es servir a la comunidad global de aterrizaje oceánico, al igual que la revista Make y otras comunidades de bricolaje.

Se agradecen los comentarios sobre este artículo y las sugerencias de otros temas de interés. Se anima a los grupos que realizan aterrizajes oceánicos a que nos escriban para hablar sobre su trabajo. No duden en contactar con Kevin Hardy en [email protected] .

Gracias por leer.