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Cómo elegir elementos de fijación para aplicaciones de alta temperatura
En industrias como la generación de energía, la automotriz, el procesamiento químico, el petróleo y el gas, los hornos industriales y la maquinaria pesada, elegir los elementos de fijación adecuados para aplicaciones de alta temperatura es fundamental. Cuando los pernos, tornillos, tuercas y arandelas se exponen a calor prolongado, sus propiedades mecánicas pueden alterarse, los recubrimientos protectores pueden degradarse y aumenta el riesgo de aflojamiento o falla.
Comprender cómo elegir elementos de fijación para aplicaciones de alta temperatura ayuda a ingenieros, compradores de fabricantes de equipos originales (OEM), equipos de mantenimiento y gerentes de compras a mejorar la confiabilidad y reducir el riesgo a largo plazo. La elección correcta depende de la temperatura de operación, la carga, la resistencia del material, las condiciones de corrosión, la dilatación térmica y la vida útil prevista.
Comience con la temperatura de funcionamiento.
El primer paso consiste en determinar el rango de temperatura real al que estará expuesto el elemento de fijación.
Existe una diferencia importante entre un elemento de fijación expuesto a calor ocasional y uno que funciona continuamente a temperaturas elevadas. Los compradores deben tener en cuenta lo siguiente:
Temperatura de funcionamiento normal
Temperatura máxima
Duración de la exposición al calor
Frecuencia del ciclo térmico
Fuentes de calor cercanas
Condiciones de refrigeración
Un elemento de fijación que funciona bien a temperatura ambiente puede perder resistencia al exponerse a calor prolongado. Por ello, la selección del material siempre debe basarse en la temperatura real de servicio, y no únicamente en su resistencia general.
Elija un material que conserve su resistencia al calor.
Los distintos metales reaccionan de forma diferente a las altas temperaturas.
Los elementos de fijación de acero al carbono son económicos y resistentes para muchas aplicaciones generales, pero sus propiedades mecánicas pueden disminuir a medida que aumenta la temperatura. El acero al carbono estándar no suele ser la mejor opción para entornos de alta temperatura extrema.
Los elementos de fijación de acero aleado ofrecen mayor resistencia y durabilidad. Según el grado y el tratamiento térmico, pueden ser adecuados para motores de automóviles, maquinaria industrial y aplicaciones a temperaturas moderadamente altas.
Los elementos de fijación de acero inoxidable se utilizan ampliamente donde se requiere resistencia al calor y a la corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos conservan sus propiedades útiles a altas temperaturas y suelen elegirse para sistemas de escape, equipos de procesamiento y aplicaciones industriales.
Para entornos más exigentes, pueden ser necesarias aleaciones a base de níquel y otras aleaciones resistentes al calor. Estos materiales se utilizan habitualmente en turbinas, hornos, equipos petroquímicos y otras aplicaciones donde el acero convencional no ofrece un rendimiento suficiente.
Considere la fluencia y la relajación de tensiones.
A altas temperaturas, los elementos de fijación pueden sufrir fluencia, que es una deformación permanente lenta bajo carga continua.
Aunque el perno no falle de inmediato, la deformación por fluencia puede reducir la fuerza de sujeción con el tiempo. Esto puede provocar que la junta se afloje o presente fugas.
Otra preocupación es la relajación de la tensión, que se produce cuando la precarga en un elemento de fijación apretado disminuye a medida que el material se expone al calor.
Para aplicaciones críticas, los compradores deben seleccionar materiales con buena resistencia a la fluencia y confirmar que el elemento de fijación sea adecuado para la temperatura y la duración de la carga requeridas.
Comprobar la dilatación térmica
Los elementos de fijación y los componentes que conectan pueden dilatarse a ritmos diferentes al calentarse.
Si el perno, la tuerca y los materiales circundantes tienen coeficientes de dilatación térmica significativamente diferentes, la unión puede quedar demasiado apretada o demasiado floja a medida que cambia la temperatura.
Esto es especialmente importante en:
Sistemas de motor
Conjuntos de escape
Calderas
Intercambiadores de calor
hornos industriales
Equipos de generación de energía
Por lo tanto, la compatibilidad de los materiales debe incluir el comportamiento de dilatación térmica, no solo la resistencia mecánica.
Seleccione cuidadosamente los tratamientos de superficie.
Muchos recubrimientos comunes para elementos de fijación no están diseñados para soportar temperaturas extremas.
El recubrimiento de zinc, por ejemplo, puede no ser adecuado para entornos de muy alta temperatura, ya que el revestimiento puede deteriorarse o perder su capacidad protectora.
Dependiendo de la aplicación, las alternativas pueden incluir:
Acabados resistentes a la oxidación a altas temperaturas
Recubrimientos de fosfato
Lubricantes especializados de película seca
Recubrimientos a base de níquel
Aleaciones resistentes al calor sin recubrimiento
El recubrimiento adecuado debe elegirse en función de la temperatura y la exposición a la corrosión.
En algunos casos, el propio material base proporciona suficiente resistencia a la corrosión, lo que reduce la necesidad de un recubrimiento adicional.
Presta atención a la lubricación y al par de apriete.
Los elementos de fijación que soportan altas temperaturas pueden requerir lubricantes especiales o compuestos antiadherentes.
Los lubricantes estándar pueden degradarse con el calor, alterando las condiciones de fricción y dificultando el desmontaje posterior. Los productos antigripantes de alta temperatura pueden ayudar a reducir el agarrotamiento, el daño a las roscas y el agarrotamiento.
Es posible que también sea necesario ajustar los valores de torque, ya que la lubricación modifica la relación entre el torque de apriete y la precarga del perno.
Para uniones críticas, los ingenieros deben seguir la especificación aplicable en lugar de basarse en los valores de par estándar a temperatura ambiente.
Haga coincidir el sujetador con la aplicación.
Los distintos entornos de alta temperatura requieren soluciones diferentes.
Por ejemplo:
Los sistemas de escape de los automóviles pueden utilizar acero inoxidable resistente al calor.
Los hornos industriales pueden requerir sujetadores de acero aleado o a base de níquel.
Los equipos de procesamiento químico pueden requerir resistencia tanto a altas temperaturas como a la corrosión.
Los sistemas de generación de energía pueden requerir sujetadores con una fuerte resistencia a la fluencia.
La maquinaria que funciona a altas temperaturas puede requerir métodos de bloqueo especiales para resistir los ciclos térmicos y las vibraciones.
El mejor elemento de fijación es aquel que se adapta a todo el entorno operativo.
La elección de elementos de fijación para aplicaciones de alta temperatura requiere más que seleccionar un perno de alta resistencia. Los compradores deben evaluar el rango de temperatura, la retención del material, la resistencia a la fluencia, la dilatación térmica, la corrosión, el rendimiento del recubrimiento y el diseño de la unión.
Para los fabricantes de equipos originales (OEM), los ingenieros y los compradores industriales, trabajar con un fabricante de elementos de fijación con experiencia puede ayudarles a identificar el material, el grado, el tratamiento superficial y las especificaciones personalizadas adecuadas para aplicaciones exigentes de alta temperatura.
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