Bolt torquing or bolt tensioning – that is the question / Torsión o tensado: esa es la cuestión

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Which is the best method for controlled tightening of a bolted joint?  Bolted plays hydraulic torquing off against hydraulic bolt tensioning. 
And the winner is…

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¿Cuál es el mejor método para el apriete controlado de una junta empernada?  Bolted enfrenta la torsión hidráulica al tensado hidráulico. 
Y el ganador es…

Nearly everyone has tightened a nut at some point in their lives and can understand the basic concept of torquing. It is the oldest, simplest, and for most non-engineers, the only method of tightening bolted joints.

Whether by hand or hydraulics, compared to other methods, simple to understand basics of torquing make it overall a far more cost-effective option. This does not dismiss the need for training and understanding of the key factors in torque tightening.

“With one torque wrench and a range of sockets, you can tighten quite a wide range of nuts and bolt sizes,” says Robert Noble, Technical Director, Asset 55. “It offers quite a bit of flexibility, and it’s easy to explain to a technician how to use torque equipment.”

Given that it will be effective in the majority of applications, it is clear why it is often the default first choice.

Hydraulic torquing has its limitations, particularly friction, which Noble labels, “the number one enemy of torque.” Typically, friction accounts for 90 percent of the torque applied to the nut, which means only a small portion of torque will translate into useful bolt load. Because torquing is an indirect way of loading, it is difficult to predict the exact bolt load. Many factors should be taken into consideration, in particular the lubricant used, the need to avoid possible contamination and a good surface finish on the nut bearing surfaces. This must be overcome to ensure reasonable accuracy when using torque to produce preload and can be a significant disadvantage in critical joints.

Noble stresses that with good procedures, calibrated equipment and competent personnel, torque tightening can be used successfully on most joints. Much is made of bolt scatter, which will see the achieved preload on an individual bolt within +/– 25 percent of target, but on a flange with multiple bolts the usual result is to achieve an average bolt load within close range of target (providing good practice is followed and the coefficient of friction is assessed). “This is accurate enough for the majority of gasketed flange joints, so torque remains a very viable technique,” Noble says.

Hydraulic tensioning of bolts began in the 1970s, pioneered in part by British engineer Fred Heaton, who would go on to found companies Hydratight and Boltight. Over the next 20 years it gradually became more common and is now becoming the preferred method for tightening large critical joints in many industries, such as oil and gas, wind, subsea, or power generation.

Compared to hydraulic torquing, it is a more complex procedure that involves more specialised equipment. In certain applications tensioning can offer greater accuracy and control, as well as speed of assembly. It is particularly advantageous on flanges with multiple bolts. Using conventional torque, each bolt is tightened one-by-one in a pattern, which must be applied carefully to avoid the risk of putting too much load on one side of the gasket or flange. By attaching multiple tensioners, it is possible to tighten a number of bolts simultaneously for an even compression of the gasket.

“This is essentially where hydraulic tensioning came from,” says Nitin Patel, Projects and Commercial Manager, Boltight. “It allowed people to control the clamping force and if you could do it all in one go, around the whole circumference, that would be much better for the gasket, much better for the joint, and you could actually predict the load that is in that joint.”

Another perceived advantage of tensioning is improved accuracy, but as Noble points out, it’s not always that simple. “Unfortunately, the industry tries to use simple one-size-fits-all rules but they do not apply to the torque and tension criteria,” he explains. “Where the conditions are right, tensioning can become very accurate. Typically, that would be for bolts with a high length-to-diameter ratio – long, thin bolts – and where you have high bolt loads. In these applications tensioning is more accurate than torque. But conversely with short, fat bolts and low bolt loads, tensioning becomes less accurate.”

Tensioning also has its disadvantages, namely load loss, which occurs when the tensioner is released and the load transfers to the nut. To compensate for this, the load loss is estimated and the technician applies the expected load loss in advance. This means that the bolt, gasket and flanges are subjected to greater stress than the targeted assembly stress. This has to be taken into consideration either at the joint design stage or prior to using the tooling. An alternative is to repeat the tensioning procedure to compensate for the settlements.

Hydraulic bolt tensioning can also have practical and logistical drawbacks. Since it requires more equipment and specialised tools, it can be significantly more expensive. “Tensioning is not easily understood, other than by those who tension regularly,” says Noble. “You need specific tension tools and it’s difficult to design a tensioner range with the same flexibility as a torque wrench.”

So the truth is that there is no simple answer to which one is better, torquing or tensioning. It is best decided on a joint-by-joint basis.

“Blanket policies result in a lot of technical queries and in some cases the need to compromise on bolt load. Instead you need to do what is best for that specific joint,” Noble says and concludes: “Sometimes it comes down to looking at the application with open eyes, considering how you will actually get the equipment out to the site, the location where it has to be used and how it is going to fit into the application.”

Did you know that…
Friction typically accounts for 90% of the torque applied to the nut during hydraulic torquing?

Joint ventures
For bolted joints, several factors must be considered before choosing between torquing or tensioning.

Establish the target assembly load that the application needs.
Consider any factors that can directly influence your choice. In applications where it would be beneficial to avoid any torsional effect on the bolt, such as foundation bolts in concrete, tensioning would be the best option. Torquing, however, could be a better option if you are dealing with space constraints.
Don’t underestimate the physical and logistical constraints. For a tensioner to grip properly, at least one diameter of thread needs to be protruding through the nut.

Prácticamente todos hemos apretado una tuerca en algún momento de nuestra vida y somos capaces de comprender el concepto básico de la torsión a par. Se trata del método más antiguo y simple de apriete de las uniones empernadas. Y para la mayoría de los que no son ingenieros, el único.

Ya sea a mano o con un dispositivo hidráulico, los rudimentos básicos de la torsión a par lo convierten, con diferencia, en una opción más rentable en comparación con otros métodos. Ello, sin embargo, no reduce la necesidad de formación y comprensión sobre los factores claves de la torsión.

“Con una llave dinamométrica y un juego de bocas puedes ajustar una gran variedad de tamaños de tuercas y tornillos”, señala Robert Noble, director técnico de Asset 55. “Te ofrece bastante flexibilidad y el uso de un equipo de par de apriete es fácil de explicar a un técnico”.

Teniendo en cuenta su eficacia en la mayoría de las aplicaciones, resulta evidente por qué suele ser la primera opción por defecto.

La torsión hidráulica tiene sus limitaciones, en particular la fricción, que Nobel califica como “la enemiga número uno del apriete a par”. Normalmente, la fricción supone un 90% del par aplicado a la tuerca, lo que significa que solo una pequeña parte de la torsión se traducirá en una carga útil de empernado. La torsión a par es una modalidad de carga indirecta, por lo que resulta difícil predecir cuál será la carga exacta de empernado. Han de considerarse numerosos factores, en particular el lubricante empleado, la necesidad de evitar posibles contaminaciones y un adecuado acabado superficial del rodamiento de tuerca. Ello debe solventarse para obtener una precisión razonable en la producción de la precarga y puede suponer una desventaja significativa en las junturas críticas.

Noble destaca que con unos procedimientos apropiados, un equipo correctamente calibrado y personal competente, el apriete a par puede usarse con éxito en la mayoría de las uniones. Se otorga una gran importancia a la dispersión en el empernado, que hace que se obtenga una precarga de un ±25% del objetivo en los pernos individuales, pero en una brida con múltiples pernos lo habitual es alcanzar una carga de empernado promedio bastante próxima a lo especificado (siempre que se practique correctamente y se evalúe el coeficiente de fricción). “Ello ofrece una precisión suficiente en la mayoría de las uniones de brida con junta, lo que hace que la torsión se mantenga como una técnica altamente viable”, indica Noble.

El tensado hidráulico comenzó en los 70, a iniciativa, entre otros, del ingeniero británico Fred Heaton, que fundaría más tardes las compañías Hydratight y Boltight. En los dos decenios subsiguientes fue popularizándose progresivamente y ahora se está alzando como el método de elección para el apriete de uniones críticas de gran tamaño en numerosos sectores, entre otros, eléctrico, eólico, submarino o petróleo y gas.

Se trata de un procedimiento más complejo que el de la torsión hidráulica y que requiere de equipos más especializados. En ciertas aplicaciones, el tensado puede brindar una precisión y control superiores, así como una mayor rapidez de montaje. Resulta particularmente ventajoso en las bridas de pernos múltiples. En la torsión a par convencional, los pernos se aprietan individualmente siguiendo un patrón concreto, que debe aplicarse con cuidado para evitar el riesgo de sobrecarga en un lateral de la junta o la brida. Conectando múltiples tensores se puede apretar simultáneamente un conjunto de pernos para una compresión uniforme de la junta.

“De aquí nace básicamente el tensado hidráulico”, explica Nitin Patel, director de proyectos y comercial de Boltight. “Permitía controlar la fuerza de agarre y si podías resolverlo todo de una vez, en toda la circunferencia, mucho mejor para la junta y para la unión. Además, te brindaba la posibilidad de predecir la carga aplicada a esa juntura”.

Otra ventaja atribuida al tensado es su mayor precisión, pero, como señala Noble, no siempre es tan sencillo. “Por desgracia, la industria trata de recurrir a reglas universales, pero estas no siempre son aplicables a los criterios de la torsión y el tensado”, explica. “Con unas condiciones adecuadas, el tensado puede resultar muy exacto, por lo general, en pernos con una elevada relación longitud-diámetro –pernos alargados y finos- y en altas cargas de empernado. En estas aplicaciones, el tensado proporciona una mayor precisión que el apriete a par. Pero lo contrario también es cierto en los pernos cortos y gruesos y con un reducida carga de empernado: el tensado se vuelve menos preciso”.

El tensado presenta también sus desventajas, en concreto, la pérdida de carga, que se produce al soltar el tensor y transferir la carga a la tuerca. A fin de compensar esto se calcula dicha pérdida de carga, aplicando el técnico por adelantado el déficit de carga estimado. Ello implica someter el perno, la junta y las bridas a un esfuerzo superior al esfuerzo de conjunto objetivo, lo cual debe tenerse en cuenta en la fase de diseño de la unión o antes del uso de las herramientas. Una alternativa consiste en repetir el proceso de tensado para compensar los asentamientos.
El tensado hidráulico puede ofrecer también inconvenientes de tipo práctico y logístico. Al precisar de más equipamiento e instrumental especializado, puede resultar notablemente más caro. “El tensado no es fácil de entender, aparte de por sus practicantes asiduos”, abunda Noble. “Necesitas herramientas de tensado específicas y resulta complicado el diseño de una gama de tensores con la misma flexibilidad que una llave dinamométrica”.

Por tanto, no es fácil dar una respuesta simple a la pregunta de cuál es mejor, si la torsión o el tensado. Más vale decidirlo según la unión en cuestión.

“Las políticas generalizadas resultan en un gran número de consultas técnicas y, a veces, en la necesidad de realizar concesiones en lo que respecta a la carga de empernado. Más vale centrarse en la mejor opción para la juntura correspondiente”, sostiene Noble, y apostilla: “A veces basta con observar la aplicación con los ojos bien abiertos, estudiar cómo vas a llevar el equipamiento hasta el sitio en concreto, la ubicación donde debe emplearse y la forma en que va a integrarse en la aplicación”.

¿Sabía que……
la fricción suele suponer el 90% del par aplicado a la tuerca en la torsión hidráulica?

La unión hace la fuerza
Deben considerarse varios factores en las uniones de pernos antes de optar por la torsión o el tensado.

  • Establezca la carga de conjunto objetivo que necesita la aplicación.
  • Tenga en cuenta todos los factores con influencia directa sobre su elección. En las aplicaciones donde puede resultar conveniente evitar cualquier efecto torsional sobre el empernado (por ejemplo, en los pernos de cimentación para hormigón) el tensado se erige como la mejor opción. Sin embargo, el apriete a par puede resultar una alternativa más adecuada si está sujeto a limitaciones de espacio.
  • No subestime las limitaciones físicas y logísticas. Para que un tensor agarre bien debe sobresalir de la tuerca, como mínimo, un diámetro de rosca.

ne diameter of thread needs to be protruding through the nut.

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