Cómo los avances en materiales han mejorado los sellos y aumentado la vida útil de las juntas

Jun 10, 2024

Aaron Larson

La mayoría de la gente probablemente no piensa muy a menudo en las juntas. Sin embargo, obtienen los beneficios que brindan las juntas todos los días de sus vidas. Desde la electricidad que utilizan (producida por centrales eléctricas que tienen literalmente miles de juntas instaladas) hasta los automóviles que conducen y el agua corriente en la que beben y se bañan, las juntas sustentan casi todos los aspectos de la vida moderna.

El término junta se puede definir como un material o combinación de materiales sujetos entre dos piezas separables de una junta mecánica, como una válvula o una brida de tubería. Su función es crear un sello entre las piezas y mantener el sello por un período prolongado de tiempo. Francamente, sin juntas, la mayoría de los equipos no podrían funcionar, al menos no por mucho tiempo. Todo sistema que contiene líquido o gas requiere sellos, y las juntas son uno de los principales productos utilizados para mantener los fluidos dentro y los contaminantes fuera.

En el libro Gaskets and Gasketed Joints, editado por John H. Bickford y publicado en 1998 por CRC Press (un sello de Taylor & Francis Group), Daniel E. Czernik proporcionó una breve historia de las juntas. Escribió: “Las juntas se han utilizado desde el advenimiento de la revolución industrial hasta el período de la máquina de vapor y desde el comienzo de la evolución del motor de combustión interna. Desde la llegada del motor de combustión interna, casi todos los materiales imaginables, desde extremadamente duros hasta extremadamente blandos, se han utilizado (y se siguen utilizando) para juntas, incluidos cuero, papel, metal, corcho, caucho, esponja y plástico”.

A mediados del siglo XIX, el desarrollo de la vulcanización permitió que el caucho se convirtiera en un material común para juntas. A principios del siglo XX (Figura 1), la proliferación del uso de asbesto en productos de todo tipo se extendió a las juntas, ya que el material era muy resistente al calor, el desgaste, los álcalis y los ácidos, además de tener una gran flexibilidad, todo ello propiedades deseables para sistemas de sellado duraderos.

Czernik contó una anécdota interesante en su historia de las juntas. Explicó que las fallas en las juntas, particularmente en las juntas de la culata del motor, eran a menudo la causa de que los autos de carreras no terminaran las 500 Millas de Indianápolis en las décadas de 1920 y 1930. "Después de un par de cientos de millas, la pista se volvió tan resbaladiza debido a la fuga de aceite que los conductores sintieron que estaban conduciendo sobre hielo", escribió.

Hoy en día, las juntas de motor son extremadamente fiables. Muchos propietarios de automóviles nunca han experimentado una falla en la junta de culata, algunos durante décadas de conducción. De hecho, no es raro que un motor diésel de servicio pesado en un semirremolque viaje más de un millón de millas antes de que sea necesario reemplazar la junta de culata. Basándose en un funcionamiento tan impresionante como ese, es obvio que años de investigación y desarrollo han dado sus frutos en juntas mucho mejores.

Czernik señaló que el corcho fue uno de los primeros materiales utilizados en las juntas. A lo largo de los años, el corcho se combinó con polímeros para crear compuestos que proporcionaban mejores sellos. El papel ha sido otro material común utilizado en las juntas. Las fibras utilizadas en las juntas de papel suelen ser celulosa. Con el tiempo, los fabricantes mejoraron las juntas de papel saturando las fibras con glicerina y pegamento animal, tratando la mezcla con formaldehído y secándola en un horno. El producto, conocido como “fibra tratada”, todavía se utiliza ampliamente en la actualidad.

Jörg Latte, otro colaborador de Gaskets and Gasketed Joints, escribió en el libro: “Las juntas planas para la industria en el sentido moderno fueron inventadas por el ingeniero austriaco Richard Klinger hace unos 100 años [ver recuadro], a base de asbesto y caucho. Debido a su éxito, estos primeros productos atrajeron a numerosos imitadores y pronto estuvieron disponibles muchos materiales de diversas calidades”.

Latte sugirió que la gran cantidad de opciones disponibles creaba confusión, lo que llevó a algunos inventores a buscar "una junta universal adecuada para todas las aplicaciones". Sin embargo, explicó Latte, “tales juntas no existen ni pueden existir”. Más bien, sugirió que el objetivo de desarrollar una junta universal sólo puede alcanzarse marginalmente aumentando los rangos de aplicación de los materiales de las juntas.

“Un ingeniero industrial y usuario de juntas siempre debe reparar en malas juntas; sólo existe una selección correcta o incorrecta de una junta para una determinada aplicación, ya que en este asunto intervienen muchos otros parámetros”.

La revista POWER ha estado cubriendo nuevas tecnologías e informando sobre las mejores prácticas de la industria energética durante 140 años. Fundada en 1882, la publicación ha publicado innumerables artículos técnicos sobre temas de todo tipo, incluidos artículos centrados en juntas. Aunque se pueden encontrar casos de muchos números en los archivos de POWER, los siguientes son un par de ejemplos extraídos de artículos publicados hace más de 110 años.

En la edición del 11 de junio de 1912 de POWER, la “Junta Devo” (Figura 2) apareció en un breve artículo. La junta fue fabricada por Goetze Gasket & Packing Co., en Brunswick, Nueva Jersey. El artículo explicaba que la junta estaba destinada a presiones altas y bajas, así como a vapor sobrecalentado. Consistía en “una junta de acero corrugado enteramente incrustada en una cubierta de amianto, completamente grafitada. La junta tiene un grosor de 1/8 de pulgada, pero se puede comprimir a 1/16 de pulgada”. El artículo continúa: "Al estar profundamente corrugada, esta junta formará una junta hermética al vapor incluso cuando la superficie de la brida sea inusualmente rugosa". Sorprendentemente, todavía existen juntas de diseño similar en la actualidad.

En un artículo publicado en la edición del 13 de febrero de 1912 de POWER, se abordó el tema del corte e instalación adecuados de juntas. "Los dos puntos principales relacionados con un buen trabajo de embalaje son cortar el embalaje y colocarlo en su lugar", escribió Scott Norton de Springfield, Ohio.

Con respecto al corte de la empaquetadura en láminas, Norton explicó: “Está bien colocar la empaquetadura contra la brida y golpearla ligeramente con el martillo para marcar, pero de ningún modo golpear con suficiente fuerza para cortar la junta; usa el cuchillo para eso, ya que el martillo lo rompe. Para ahorrar tiempo, los hombres a veces cortan los orificios de los pernos con la punta del martillo de maquinista. Esta es una mala práctica y es la causa de muchas explosiones en los agujeros de los pernos”.

El artículo explica además: "Tan importante como cortar la junta y colocarla en su lugar es acercar los pernos con las tuercas". Norton escribió: “Basta con observar a un ingeniero de primera clase encontrar los pernos de la culata de su motor o de la caja de vapor cuando los reemplaza. Observe con qué cuidado los aborda todos, poco a poco, prestando especial atención a cada uno de ellos a medida que la tarea está casi terminada. Uno o dos pernos no se someten a una tensión severa mientras el resto alcanza la tensión adecuada, sino que la presión se divide equitativamente y gradualmente entre todos ellos. La tendencia a apretar primero un perno, luego seguir con el siguiente, y así sucesivamente, es la causa de muchas reventones en los orificios de los pernos”.

Una última lección compartida en el artículo tiene que ver con el costo. El artículo dice: “La parte más barata de cualquier junta es su costo original; Ponerlo es la parte cara”. Quizás lo más sorprendente es que estas lecciones todavía resuenan hoy, más de 110 años después de ser publicadas en las páginas de la revista POWER. Esto simplemente demuestra que las buenas prácticas de ingeniería son eternas.

Czernik explicó que la fabricación de juntas de papel experimentó una “gran revolución” después de la Segunda Guerra Mundial con la introducción del proceso de adición de batidores (BA). “En este proceso, los elastómeros, fibras y rellenos se mezclan con agua en una suspensión. A continuación, el purín se deposita sobre una cinta transportadora y se extrae el agua. Después de calentarlo, el revestimiento BA está listo para convertirlo en juntas”, escribió.

Los cauchos BA incluyen nitrilos, estirenos, acrílicos, fluorocarbonos y otros. Czernik señaló que las mezclas de cauchos son comunes. “Posteriormente, las juntas compuestas que incorporaban materiales de revestimiento de batidor y un núcleo de refuerzo de acero sólido o perforado se convirtieron en los productos dominantes para sellar diversas aplicaciones de juntas de motores”, escribió.

Después de que se reconoció ampliamente que el asbesto aumenta el riesgo de varias enfermedades graves, incluidas la asbestosis, el mesotelioma y el cáncer de pulmón, muchos gobiernos comenzaron a restringir su uso. Según la Secretaría Internacional para la Prohibición del Asbesto, 67 países han prohibido el asbesto, incluidos todos los países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE), excepto Costa Rica, México y Estados Unidos. Incluso China ha prohibido el asbesto.

Como resultado de las restricciones, muchos fabricantes de materiales trabajaron seriamente para desarrollar alternativas al amianto. Con una gran cantidad de recursos a sus espaldas, han tenido un gran éxito. Hoy en día, se encuentran disponibles materiales comprimidos sin amianto que consisten en fibras sin amianto, como fibra de vidrio o fibras de aramida, combinadas con caucho. Esta formulación ha demostrado tener muy buen rendimiento en temperatura y presión y, a menudo, sirve como un sustituto adecuado de los materiales que contienen amianto.

Hay docenas de materiales de juntas diferentes disponibles para cumplir con las especificaciones de diseño de ingeniería para casi cualquier sistema de central eléctrica. Los siguientes son algunos de los tipos generales de juntas que existen:

■ Materiales de caucho esponjoso de células cerradas.■ Comprimido sin amianto.■ Corcho.■ Aislamiento eléctrico.■ Blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) y contra interferencias de radiofrecuencia (RFI).■ Fieltro.■ Fibra.■ Grafito flexible.■ Espuma. ■ Materiales de alta temperatura.■ Aleaciones metálicas.■ Materiales de caucho esponjoso de células abiertas.■ Plásticos.■ Compuestos de caucho para moldeo.■ Caucho.■ Semimetálicos (Figura 3).

Entre los materiales comunes y los nombres de productos utilizados en algunos de los tipos de juntas enumerados anteriormente se encuentran: butilo, celulosa, croméricos, insertados en tela, elastómeros, EPDM (monómero de etileno propileno dieno), grafito flexible, Formex, HDPE (monómero de etileno propileno dieno), grafito flexible, Formex, HDPE (monómero de etileno propileno dieno), polietileno), Hitex, Hypalon, látex, LDPE (polietileno de baja densidad), Mylar, neopreno, nitrilo, Nomex, nailon, fenólico, poliéster, poliuretano, PTFE (politetrafluoroetileno), PVC (cloruro de polivinilo), silicona, UHMW (ultra alto). Peso Molecular), Uretano, Vinilo, Vitón, Fieltro de Lana y otros.

Según Latte, las propiedades más importantes de los materiales de sellado son:

■ Capacidad de carga.■ Sellabilidad.■ Comportamiento elástico de un material sellante.■ Capacidad de resistencia química frente a medios.

Latte señaló que la resistencia a la tracción de un material "no es de particular importancia para la consideración de calidad, porque normalmente no se ejercen fuerzas de tracción sobre una junta, sólo fuerzas de presión". No obstante, sugirió que la determinación de la resistencia a la tracción es importante para fines de producción porque “es un método simple y rápido para demostrar la estabilidad y reproducibilidad de la producción. Otros métodos, aparte de la determinación de la compresibilidad y la recuperación, requieren demasiado tiempo y son demasiado caros para controlar la calidad de la producción”, escribió Latte.

Cuando se trata de elegir el mejor material de junta para usar en una aplicación determinada, suele ser mejor consultar con un experto. Se deben evaluar varios factores para garantizar que el material elegido sea apropiado para el propósito previsto. Algunas de las consideraciones clave son:

■ Temperatura. ¿Qué rango de temperatura debe soportar? ■ Presión. ¿Qué rango de presión debe soportar? ■ Medios. ¿A qué fluidos o materiales estará expuesto? ¿Son abrasivos o corrosivos? ■ Exposición a los rayos ultravioleta y al ozono. ¿Estará expuesto a la luz solar y al ozono? ■ Normas del producto. ¿Está sujeto a algún requisito de producto específico de la industria? ¿Necesita propiedades de blindaje EMI? ■ Estándares industriales. ¿Está sujeto a otras normas específicas de la industria?

Si bien existen varias razones por las que es posible que sea necesario reemplazar una junta, la más común es después de que se ha desmontado un sistema o componente para su mantenimiento. Ahí es cuando es fundamental contar con un proveedor confiable que pueda proporcionarle la junta que necesita, cuando la necesita. Una empresa que lleva 75 años suministrando juntas a la industria energética es Lamons. La empresa fue fundada en 1947 por WA Lamons y desde entonces distribuye juntas de calidad a las industrias petroquímica y de petróleo y gas. Lamons también ha brindado soporte a clientes en los sectores militar, de pulpa y papel, de alimentos y bebidas, de agua y aguas residuales, de generación de energía y farmacéutico de EE. UU.

Con sede en Houston, Texas, Lamons se ha convertido en uno de los mayores fabricantes privados de juntas, sellos, pernos y conjuntos de mangueras del mundo. Su crecimiento ha sido impulsado en parte por adquisiciones. En 1985, Lamons adquirió Richard Gasket Company y unos años más tarde, en 1988, se hizo cargo de Packing and Gasket Engineering. La empresa compró Industrial Bolt and Gasket, una empresa con sede en Beaumont, Texas, en 1997. En 2010, Lamons adquirió South Texas Bolt and Fitting, lo que convirtió a la empresa en uno de los fabricantes de sujetadores especializados más capaces del mundo.

IsoTek se compró en 2012, lo que agregó juntas, manguitos y arandelas de aislamiento a la cartera de productos de la empresa. Con la incorporación de mangueras en 2016, Lamons cumplió su visión de liderar los mercados globales en soluciones de fijación y sellado de seguridad. En 2019, Lamons pasó a formar parte de la familia First Reserve, una firma líder mundial de inversión de capital privado centrada exclusivamente en energía.

Lamons tiene una instalación de fabricación en Houston con un total de 300 000 pies cuadrados, que incluye una ampliación de 64 000 pies cuadrados (Figura 4) construida durante la pandemia de COVID, y tiene otra instalación de 30 000 pies cuadrados en Denver, Colorado, dedicada específicamente a la línea de productos de sellado y aislamiento IsoTek de la empresa.

"Un punto fundamental de nuestro éxito se produjo cuando decidimos crear una experiencia integral para nuestros clientes", dijo Kris Beezley, vicepresidente senior de Desarrollo Comercial Estratégico de Lamons. "En lugar de solo producir juntas, ampliamos nuestra oferta de productos para incluir sujetadores estándar y especiales, y conjuntos de mangueras, lo que nos permitió brindar soluciones totales a nuestros clientes".

A lo largo de las últimas siete décadas, Lamons se ha enorgullecido de su mejora e innovación continuas para servir mejor a sus clientes e industrias. Una piedra angular para lograr esto ha sido su filosofía de brindar una atención al cliente superior en todo el mundo con sucursales en América del Norte, Europa y Asia que brindan productos de calidad con un servicio más rápido y entregas a tiempo.

El director ejecutivo de Lamons, Marc Roberts, sugirió que el enfoque de la empresa en servir a los clientes es lo que realmente la diferencia de otros proveedores (Figura 5). Señaló que las refinerías y plantas petroquímicas podrían perder millones de dólares en ingresos si una unidad tiene que mantenerse fuera de línea incluso por un período corto de tiempo porque está esperando que se entregue una junta de 20 dólares o un perno de 5 dólares. Sabe que lo mismo ocurre con las plantas de generación de energía eléctrica.

“En lo que realmente nos hemos centrado es en mejorar nuestros niveles de servicio, de modo que estemos disponibles las 24 horas del día, los 7 días de la semana, cualquier día de la semana, independientemente de si es feriado o no, no nos importa. Nos aseguramos de que nuestros clientes permanezcan en línea y que nuestro producto no sea el impedimento por el cual tengan un problema de tiempo de inactividad”, dijo Roberts.

Beezley dijo que una de las palabras de moda sobre las que ha oído bromear recientemente es “glocal”, que combina lo global y lo local. Si bien sabe que se pueden obtener beneficios al trabajar con un proveedor global, como lo es Lamons, también se pueden obtener beneficios de empresas con un toque local que ofrecen un servicio personalizado.

“La gente busca proveedores localizados y que estén mucho más comprometidos en generar soluciones creativas en torno a cosas como el inventario administrado por el proveedor o programas VMI, por ejemplo. Estos pueden incluir la gestión de repuestos en consignación o la búsqueda de una asociación en la que tengamos material disponible para ayudar a los clientes a ser más competitivos”, explicó Beezley.

No es un secreto que las cadenas de suministro se han visto desafiadas en los últimos años, principalmente debido a la COVID-19, pero también más recientemente debido a las sanciones a Rusia como resultado de la guerra en Ucrania. "Mucho material procedía de Europa del Este y China", dijo Beezley. “Todo esto se ha transformado en algo así como que, para mantenerse al día con la demanda, las empresas no pueden seguir teniendo plazos de entrega de cinco o seis meses para satisfacer sus demandas de producción. Creo que se ha desplazado o empujado gran parte de ese requisito hacia el subproveedor en el mercado de la cadena de suministro, y creo que eso es lo que ha hecho a Lamons mucho más relevante como proveedor nacional para el mercado de energía eólica de América del Norte, por ejemplo, y realmente para la generación de energía en general”.

“Fabricamos el 78% de todo lo que vendemos en todo el mundo aquí en Houston [Figura 6]”, dijo Roberts a POWER. “No somos un distribuidor. Somos un fabricante directo y vendemos directamente a los clientes. De hecho, actualmente vendemos a distribuidores”.

"La industria ha dado un giro aquí", dijo Beezley. “Hace un par de años, la gente básicamente buscaba el menor costo. Era lo único que importaba para mucha gente, lo que los llevó a proveedores en China o India o algunos de esos lugares. Ahora, no ha dado un giro completo de 180 grados, pero ha comenzado a ir en una dirección diferente. La gente pagará una prima por un mejor servicio al cliente o por tener programas de consignación o VMI. Eso no estaba realmente sobre la mesa hace dos años”.

Para servicios y soporte técnico, Lamons ofrece una variedad de ofertas: soluciones de ingeniería personalizadas, soluciones de ingeniería inversa, piezas mecanizadas especiales, mecanizado de prototipos, capacitación y soporte de campo. La empresa también emplea un concepto de "fábrica enfocada" para garantizar que los pedidos más urgentes se completen lo antes posible. Roberts dijo que el concepto ha sido utilizado por la industria del automóvil durante décadas.

Lo que Lamons ha hecho es crear un equipo dedicado que incluye trabajadores de producción (Figura 7), personal de soporte, miembros del equipo de control de calidad y otros necesarios para básicamente tomar un pedido y producir rápidamente un producto que pueda enviarse en horas. No todos los pedidos se manejan de esta manera, pero un cierto porcentaje de los pedidos vienen con estipulaciones que deben tenerse ahora, y esas solicitudes reciben este tipo de tratamiento real. Roberts dijo que Focused Factory mejora la capacidad de Lamons para "dar servicio a los clientes cuando lo necesitan, cómo lo necesitan y dónde lo necesitan".

“Creo que la mayoría de los fabricantes típicos han mantenido el enfoque de primero en entrar, primero en salir. Es como, 'Dame una orden de compra y obtendrás lo que quieres cuando te diga que los materiales están listos'. Y creo que mucha gente lo acepta porque cree que no tiene otra opción”, explicó Beezley. “Pero nuestra mentalidad es realmente lo que yo llamaría Johnny-on-the-spot. Alrededor del 35% al ​​37% de nuestro negocio se realiza en 24 horas o menos. Cerca del 55% de nuestro negocio se realiza en 48 horas. Descubrimos rápidamente cómo tener máquinas y transporte realmente dedicados, y sistemas de ingreso de pedidos muy optimizados, para que las personas puedan obtener lo que necesitan de manera más rápida. Y, sinceramente, creo que esa mentalidad funciona muy bien para la industria energética o cualquier industria con requisitos urgentes”.

Lamons, uno de los principales proveedores de sellos y juntas personalizados.