Introducción
Las bridas proporcionan un método mecánico para conectar tuberías, accesorios (codos, tees, etc.) y válvulas. En comparación con soldaduras, las bridas son un tipo de conexión no permanente que se puede montar y desmontar fácilmente (ideal para sistemas que requieren mantenimiento). Las bridas se instalan mediante soldadura, atornillado o solapado, y son el segundo método de unión más popular después de la soldadura.
- Brida (plana, con cuello).
- Junta (metálica, compuesta o no metálica).
- Elementos de fijación (tuercas, pernos o espárragos).
Montaje de Brida
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Terminología de Bridas
La terminología y nomenclatura de las bridas pueden ser confusas debido a los términos, definiciones y frases similares que se utilizan. Para facilitar el proceso de aprendizaje, los lectores deben comprender claramente los siguientes términos:
- Tipos de bridas – se refiere al diseño de la brida. Ejemplos de tipos de bridas incluyen la cuello de soldadura (cuello de soldadura), deslizante, de soldadura de enchufe, roscada, ceguera y de unión de solapa. Los tipos de bridas se seleccionan según los requisitos de temperatura y presión, y se identifican por su geometría.
- Caras de bridas – se refiere al área utilizada para el sellado de la brida; generalmente se instala una junta entre las dos caras opuestas de la brida. Ejemplos de caras de bridas incluyen los diseños de cara plana, elevada, junta de anillo (RTJ), unión de solapa, lengua y ranura, y macho y hembra.
- Superficies de bridas – se refiere a la condición de la superficie de sellado de la cara de la brida. Una superficie de cara de brida puede ser suave o serrada1. La suavidad de una superficie de cara de brida se define por su Promedio de Rugosidad (Ra) o Altura Promedio de Rugosidad Aritmética (AARH).
Todos los temas mencionados anteriormente se discutirán más adelante. Es importante darse cuenta de que hay muchos aspectos que influyen no solo en qué tipo de brida se elige para una aplicación particular, sino también en qué cara y qué superficie. Por ejemplo:
- Ciertos sistemas pueden requerir uniones soldadas que puedan ser fácilmente inspeccionadas (esto no siempre es posible con ciertos tipos de bridas).
- Ciertas caras de bridas pueden no ser adecuadas para sistemas de alta presión porque la presión máxima de sellado es demasiado baja (diseños de cara plana).
- Ciertos materiales tenderán a tener acabados deficientes que producen una superficie de sellado correspondientemente rugosa; estas superficies rugosas requieren una junta si se desea lograr un sello hermético, por ejemplo, bridas de hierro fundido.
Al seleccionar una brida, el material se elige primero para cumplir con los requisitos del proceso, mientras que los requisitos de temperatura y presión se cumplen luego en función del material elegido.
1‘Serraciones’ son ranuras mecanizadas cortadas en la superficie de la cara de una brida. El material de la junta fluye hacia las ranuras, lo que resulta en un sello más confiable; las ranuras también ayudan a mantener la junta en su lugar.
Uniones Atornilladas, Roscadas y Soldadas
Las bridas son un tipo de unión atornillada. Otros tipos comunes de unión incluyen uniones roscadas y uniones soldadas.
- Una unión atornillada requiere una brida y elementos de fijación (tuercas, pernos o espárragos).
- Una unión roscada requiere una rosca macho y hembra, la rosca macho se enrosca en la rosca hembra.
- Una unión soldada se realiza utilizando una soldadura (el proceso de fundir/fusionar metal aplicando calor).
Unión Atornillada
El tipo de unión utilizado depende de muchos factores, incluyendo presión, temperatura, tipo de fluido de proceso, características operativas del sistema y el entorno circundante. Una unión atornillada puede ser utilizada si:
- Otros tipos de unión no son adecuados, por ejemplo, la soldadura puede no ser posible en áreas que presentan un riesgo de incendio o explosión (áreas Ex); esto es principalmente una preocupación para un sistema de tuberías ya operativo, no uno que está en construcción.
- Un elemento de maquinaria debe desconectarse de la línea de servicio para que pueda realizarse el mantenimiento o reemplazo de la máquina.
- Se requiere un ensamblaje rápido en el campo utilizando solo herramientas manuales básicas.
- El elemento (por ejemplo, tanque, tubería, máquina) al que está conectada la brida debe ser mantenido con frecuencia; es rápido y fácil desensamblar y ensamblar una brida, pero no una soldadura.
Algunas de las principales desventajas asociadas con una unión atornillada incluyen:
- El aislamiento de una unión atornillada (aislamiento térmico) cuesta más que el aislamiento de una unión roscada o soldada.
- Las uniones atornilladas requieren más espacio físico que las uniones roscadas o soldadas.
- Cada unión atornillada representa un punto adicional de fuga (incluso si se ensambla correctamente).
Como regla general, las uniones roscadas son adecuadas solo para aplicaciones de baja presión y temperatura, mientras que las uniones atornilladas y soldadas son adecuadas para aplicaciones de alta presión y alta temperatura. Si una unión roscada debe ser hermética y no se puede tolerar fugas, se puede soldar para sellar. La técnica de soldadura para sellar se utiliza solo para condiciones de presión de servicio más alta y no es una solución ideal porque crea un punto de concentración de tensión que será propenso a fallas por fatiga.
La ventaja de las uniones soldadas es que la soldadura puede ser probada utilizando técnicas de ensayo no destructivo (END), por ejemplo, pruebas de penetración, pruebas ultrasónicas, pruebas de partículas magnéticas, pruebas de presión hidrostática, etc.; probar una brida -y junta de brida- es más difícil.
Construcción de Bridas
Las bridas se dividen en dos áreas principales, la ‘hoja’ y el ‘cubo’.
- La hoja de la brida abarca el área donde los pernos penetran a través de la brida y la cara de la brida.
- El cubo de la brida es el área que acomoda la tubería que se conecta a la brida.
Para asegurar que no haya fugas entre las bridas acopladas2, se utilizan juntas. Es posible acoplar dos bridas metálicas juntas sin el uso de juntas, pero el sellado es difícil y solo se puede lograr con bridas especialmente diseñadas.
La conexión final especifica cómo se conecta la brida a su tubería acompañante (conexión roscada o soldada).
Diseño de Brida
2Acoplamiento – se refiere a la presión conjunta de dos superficies de sellado de caras de brida opuestas.
Cómo Funcionan las Bridas
Una brida se crea cuando dos superficies opuestas se presionan intencionalmente juntas para crear un sello hermético. Para obtener un sello, se debe aplicar y mantener fuerza a cada una de las caras de brida opuestas. Como muchas caras de brida tienen imperfecciones de fabricación (rayones, abolladuras, hoyos, etc.), es necesario colocar un material más blando entre las dos superficies de sellado acopladas para obtener el sello; este material más blando es la junta.
Montaje de Brida
Matemáticas Básicas de Bridas
Para entender cómo funcionan las bridas, primero debemos entender el concepto de presión. La presión se define como:
Presión = Fuerza / Área
P = F / A
Las bridas sellan porque se aplica presión a las superficies de sellado acopladas; esta presión se conoce como ‘compresión de la junta’ o ‘presión de sellado’. La presión aplicada hace que las dos caras:
- Aplasten una junta entre las dos caras acopladas.
- Presionen las dos caras acopladas una contra la otra.
En el ejemplo de la junta, la junta se deforma debido a la presión aplicada; esta deformación hace que la junta ‘fluya’ hacia cualquier imperfección de la superficie que pueda estar presente en cualquiera de las caras de sellado. Debido a que las imperfecciones de la superficie han sido llenadas por el material de la junta, ya no es posible la fuga.
El segundo ejemplo asume que no hay junta presente y que dos caras de brida se presionan juntas. Es difícil crear un sello hermético usando este método, aunque es posible si las superficies están bien mecanizadas y muy limpias. La presión de sellado aplicada a menudo necesitará ser significativa, ya que la superficie de la brida puede estar fabricada de metal, que no se deforma fácilmente bajo presión (dependiendo del material y la clase de la brida). El sellado de cara de brida metal a metal es costoso y, por lo tanto, no es común.
Para crear la presión de sellado necesaria, se pueden ajustar las variables de fuerza y área.
- Fuerza se refiere al par de apriete (carga de perno) aplicado a las caras de brida acopladas cuando se aprietan las tuercas en un montaje de brida. Fuerza (F) depende del par (T) aplicado, fricción del par (K) y diámetro nominal del perno (D). La fuerza descrita se clasifica como ‘pretensión del perno’ o ‘precarga del perno’, o ‘prestress del perno’, y se representa por la ecuación F = T/(KD)
- Área se refiere al tamaño del área de la cara de sellado.
La cantidad de presión en las caras de sellado de la brida corresponde a la cantidad de fuerza aplicada al apretar el montaje de la brida. Por lo tanto, es posible regular la presión ajustando la cantidad de esfuerzo que se ejerce al apretar los pernos durante el montaje de la brida.
El área de sellado de una brida no se puede ajustar tan fácilmente como la fuerza utilizada durante el montaje. Una cara de sellado más grande requiere más fuerza para obtener una cierta cantidad de presión, en comparación con el uso de una cara de sellado más pequeña. El siguiente ejemplo destaca este punto, pero sin el uso de unidades.
Ejemplo
Un montaje de brida dado requiere una presión de 10 para sellar. Esto se puede lograr aplicando mucha fuerza sobre una pequeña cara de sellado:
Presión = Fuerza / Área
10 = 40 / 4
O, es posible disminuir el tamaño de la cara de sellado (área) y así reducir la cantidad de fuerza requerida para crear la misma cantidad de presión3:
10 = 20 / 2
La relación entre presión, fuerza y área, se puede resumir brevemente:
Disminuir el área de la cara de sellado lleva a una disminución en la fuerza requerida para crear una cantidad dada de presión.
Aumentar el área de la cara de sellado lleva a un aumento en la fuerza requerida para crear una cantidad dada de presión.
La cantidad de fuerza que se puede aplicar a un montaje de brida está limitada debido a problemas relacionados con la resistencia física (las tuercas a menudo se aprietan a mano), explosión de la junta4 y desgaste5 de las roscas del perno de la brida; pero estos problemas se pueden superar si se reduce el tamaño de la cara de sellado. El tipo y tamaño de la cara de sellado utilizado será dictado por los estándares de tuberías relevantes una vez que se conozca la clasificación de temperatura y presión de la brida.
Basado en lo que se ha discutido en esta sección, se puede determinar que las bridas requeridas para sellar a presiones más altas tienen caras de sellado más pequeñas. Es posible que un espectador adivine la presión a la que opera un sistema inspeccionando visualmente las caras de sellado de la brida, por ejemplo, caras de sellado de brida grandes indican sistemas de baja presión.3Estándares como ASME B16.5 y B16.47 dictan el tamaño de la cara de sellado requerida.
4Se refiere a la expulsión de la junta de la cara de sellado debido a la presión; esto generalmente ocurre debido a un apriete excesivo de la brida durante el montaje.
5Se refiere a la eliminación de las roscas del espárrago o perno; el resultado es una pieza esférica sin roscas.
Factores Definitorios de Bridas
Las bridas se categorizan en base a ciertos criterios, y estas categorías generalmente son definidas por estándares y especificaciones de tuberías relevantes (discutidos más adelante). Una brida se define por
- Tipo – la geometría de la brida en su conjunto. Cuello de soldadura, deslizante y de soldadura de enchufe son ejemplos de diferentes tipos de bridas.
- Cara – el área de sellado de la brida. Cara plana, cara elevada y junta de tipo anillo son ejemplos de diferentes caras de bridas.
- Estándares y Especificaciones – las bridas se fabrican para cumplir con estándares y especificaciones dadas. Los estándares y especificaciones dictan las dimensiones, geometría, programa y material de una brida dada (por nombrar algunos factores).
- Dimensiones – las dimensiones del cubo, cara, hoja, etc. de una brida. Las dimensiones dependen del tamaño nominal de la tubería (NPS) y la clase de presión requerida para una aplicación dada.
- Tamaño Nominal de la Tubería (NPS) – una unidad de medida sin dimensiones que define el tamaño del elemento (tubería, accesorio, etc.) que se conecta a la brida.
- Clase de Presión – la clasificación de presión-temperatura de la brida para un material dado. A pesar del nombre ‘clase de presión’, este factor es dependiente del material y la temperatura.
- Material – el material del que está fabricada la brida, por ejemplo, hierro fundido, acero al carbono, acero inoxidable, etc.
- Programa (SCH) – el espesor/programa de una tubería. El programa de una tubería es relevante solo para bridas de cuello de soldadura y bridas de unión de solapa porque el programa de estas bridas debe coincidir con el programa de la tubería asociada a la que están conectadas. Los otros tipos de bridas se deslizan parcialmente, se enroscan o penetran a través de su brida asociada, por lo que el programa de la brida no necesita coincidir con el programa de la tubería. El programa es relevante para bridas de anillo giratorio, pero estas tienen una aplicación limitada y no se discutirán más.
Todos los puntos mencionados anteriormente se discutirán en un orden lógico en las secciones siguientes. Por ahora, es importante darse cuenta de que las bridas no son elementos únicos. Las bridas se fabrican para un propósito específico, con muchos factores de diseño ya considerados. Si una brida falla alguna vez, la misma brida exacta puede -teóricamente- ser ordenada para reemplazar a su predecesora6; esto tiene beneficios significativos en el mundo real, que se discutirán más adelante en la sección de Estandarización.
6Se debe realizar un análisis de causa raíz (RCA) en cualquier brida que haya fallado inesperadamente. Si no se determina la causa de la falla, la misma falla puede ocurrir nuevamente incluso con una nueva brida.
Tipos, Caras y Superficies de Bridas - ¡Explicado!
Este video es parte de nuestro Curso de Video sobre Fundamentos de Bridas
Recursos Adicionales
http://www.wermac.org/flanges/flanges_raised-face_flat-face_ring-type-joint.html