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TECNOLOGÍA
Juntas de expansion cuadradas con Miter Corner
Esta configuración es básica y sencilla de producir aunque genera una gran desventaja con respecto a la concentración de tensiones. La zona de máxima acumulación de tensiones esta cerca de la soldadura y de HAZ (siglas en ingles para zona afectada por el calor al soldar). El siguiente dibujo representa el resultado de un movimiento axial de 10 mm. Se puede observar que la máxima concentración de tensiones aparece en la transición entre la tubería del conducto y el fuelle. El área de concentración de tensiones generara fallo por fatiga de la pieza.
¿Por qué las juntas de expansión cuadradas multicapa son tecnológicamente mejores que las soldadas manualmente en las esquinas?
La tecnología actual de producción de juntas de expansión cuadradas destinadas a la industria pesada están enfocadas a la producción de uniones soldadas a mano 90 grados en las esquinas. Este método antiguo de producción de convoluciones hace imposible la producción de piezas multicapa, tal y como se hace con las piezas redondas. Hoy en día se hace mucho mas relevante aumentar los ciclos de vida del producto, para entre otros objetivos, disminuir la huella de carbono (CO2) y maximizar beneficios en la producción de bienes y materias primas. En este documento vamos a describir los principios básicos detrás del salto tecnológico en la producción de juntas de expansión cuadradas multicapa.
Configuración de las esquinas vs concentración de tensiones
Es de sobra conocido que la geometría juega un papel fundamental cuando hablamos de resistencia por fatiga en las juntas de expansión. Así como la producción y diseño de las juntas de expansión redondas esta bien desarrollado e implementado en la industria, hay un gran desconocimiento con respecto a la producción y calculo de tensiones en las juntas de expansión cuadradas. Debido a su geometría rectangular, la concentración de tensiones en la pieza no se distribuye de igual forma que en las juntas de expansión redondas, puesto que se en las cuadradas se acumula en las esquinas de las piezas. De esta forma, no es sorprendente que introducir soldaduras en las equinas, donde la concentración de tensiones ya es elevada, hace disminuir los ciclos de vida de la pieza de forma considerable, ya que la soldadura actúa como concentrador de tensiones. En líneas generales podemos dividir los tipos de esquinas de juntas de expansión metálicas de la siguiente manera:
• single miter corner (90 degrees welded)
• double miter corner (45 degrees welded)
• single miter corner with rounded top convolution (90 degrees welded with rounded cap)
• rounded corners (rounded welded corners sections but rarely used)
Con motive de mejorar el entendimiento de los tipos de esquinas, aquí podrán encontrar información gráfica de la concentración de tensiones usando programas de elementos finitos.
UL. TRANSPORTOWA 1
70-715 SZCZECIN
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Juntas de expansión rectangulares con esquinas redondeadas
En los siguientes ejemplos de análisis en distribución de tensiones para juntas de expansión cuadradas se puede observar la zona donde existe mayor concentración de tensiones. Debido a que la geometría juega un rol principal en el fallo por fatiga de la pieza, la mejor elección para alargar la vida útil será la transición geometría cuadrada a esquinas redondeadas. Sin embargo, debido a la tecnología actual de producción de piezas cuadradas, no siempre es posible realizar este proceso, siendo rechazado por muchas empresas productoras. La distribución de tensiones en las esquinas redondeadas se puede observar en la siguiente imagen.
Junta de expansión cuadrada con doble esquina Miter Corner.
Otro tipo de configuración bastante común en las juntas de expansión cuadradas es doble Miter Corner. El uso de este tipo específico de configuración pretende mejorar la vida de la junta de expansión, sin embargo, su gran desventaja reside en la geometría de la esquina de transición entre el conducto y el fuelle. En la siguiente imagen podrán ver una indicación de la concentración de tensiones de la configuración anterior. La representación especifica dos secciones sujetas al mismo movimiento axial.
Juntas de expansión cuadradas con Miter Corner único y terminación redondeada.
Cuando nos referimos a la evaluación de tensiones, hemos podido ver que los ingenieros se concentran en la parte externa de las convoluciones. Para intentar mejorar los ciclos de vida de la pieza, intentan mejorar la fatiga en la parte externa de la convolución, sin embargo, para juntas de expansión cuadradas no es ahí donde existe la mayor concentración de tensiones. En la siguiente representación pueden ver un estudio FEA que indica como, aun rediseñando la parte externa de la convolución, la máxima concentración de tensiones recae sobre la misma zona. Adicionalmente a esto, la superposición de soldaduras empeora, incluso más, la fatiga en dichas piezas.
Juntas de expansión cuadradas multicapa VS Monocapa
En la sección anterior se puede observar que la distribución de tensiones en las convoluciones esta estrictamente relacionada con la transición de la geometría desde el conducto hasta la honda.
Tal y como se puede observar en los resultados de elementos finitos anteriores, es obvio que la producción de juntas de expansión cuadradas con esquinas redondeadas es la mejor elección, sin embargo, esto no es todo.
Hemos desarrollado un proceso de producción que nos permite producir piezas multicapa cuando conformamos juntas de expansión cuadradas, lo que permite que las juntas de expansión cuadradas tengan una cantidad de ciclos de vida similares a las redondas.
¿Pero cual es la diferencia entre el diseño multicapa y el diseño monocapa?
La mejor explicación es comparar los resultados de un estudio de elementos finitos entre multicapa y monocapa.
El resultado del estudio de elementos finitos de la concentración de tensiones en una convolución monocapa tensión (en rojo), y compresión (en azul) cuando la pieza se mueve 5 milímetros se puede ver en el siguiente dibujo.
For comparison the same convolution geometry and movements were used and the results can be seen on below stress plot.
La conclusión principal del estudio de tensiones de tracción y compresión mediante elementos finitos es la reducción de más de la mitad de tensiones en los puntos críticos del elemento. Esto resultará en el aumento de ciclos de vida de la pieza.
Por último, pero no menos importante, los resultados de los “Spring rates”, que son los elementos mas críticos para el diseño de sistemas de tuberías después de la fatiga de las piezas, son mucho mejores. Las juntas de expansión multicapa se caracterizan por valores mucho más bajos comparados con las piezas monocapa, por consiguiente, la fuerza que se trasmite al siguiente punto fijo es también mucho menor.
¿Por qué decidirse por la tecnología de juntas de expansión cuadradas multicapa con esquinas redondeadas?
Basándonos en todos los análisis anteriores, podemos concluir que las juntas de expansión cuadradas multicapa con esquinas redondeadas tiene ventajas significativas con respecto a la cuadradas monocapa cuando nos referimos a fatiga y trasmisión de fuerzas al sistema. Si tienen cualquier otra pregunta referente a las ventajas de las juntas de expansión cuadradas multicapa y de esquinas redondeadas, no duden en ponerse en contacto con nosotros. Estaremos encantados de discutir su sistema de tuberías y soluciones en juntas de expansión metálicas. La prevención en el mantenimiento junto con un incremento en los ciclos de vida de la pieza puede mejorar la eficiencia de su sistema de tuberías. Esto permite disminuir drásticamente las paradas en planta, las reparaciones de las piezas así como mejorar la eficiencia de los sistemas.