La mayoría de las razones para usar espárragos son razones para usar agujeros roscados

Una palabra, dos preguntas

ASME PCC-1, la guía de montaje con la que realmente trabaja el mundo de las tuberías, no divide los elementos de unión en espárragos y pernos. El apéndice N define un perno con cabeza integral como un elemento con una cabeza fija en un extremo y una tuerca o un agujero taladrado y roscado en el otro, y un perno sin cabeza integral como un elemento totalmente roscado que utiliza dos tuercas o una tuerca y un agujero taladrado y roscado.

Al leerlo dos veces aparece la estructura. Hay dos preguntas independientes. ¿Hay una cabeza integral? ¿Y el lado opuesto es una tuerca o un agujero roscado? Dos preguntas dan cuatro uniones, y la palabra «espárrago» abarca dos de ellas: la varilla totalmente roscada con una tuerca en cada extremo y el elemento cuyo extremo de implantación queda de forma permanente en un agujero roscado. Las dos se comportan de manera distinta, y casi todas las ventajas que se enumeran pertenecen a la segunda.

El otro eje, el de si la rosca interior es una tuerca comprada o un agujero en su propia pieza, se expone en tornillo de máquina o perno. Esta página trata de la cabeza.

Lo que cambia el agujero roscado, con una cifra

PCC-1 tiene un apéndice de solución de problemas para uniones con fugas repetidas, y en él menciona expresamente la unión de una sola brida. Una unión formada por una brida con pernos roscados en agujeros roscados es intrínsecamente menos flexible y, en general, más problemática, porque la longitud efectiva de estiramiento de los pernos es menor. Tolera peor la pérdida de espesor de la junta y la dilatación térmica diferencial. El apéndice lo cuantifica: una unión así sufre aproximadamente el doble de pérdida de carga en los pernos por cada 0,02 mm (0,001 in.) de espesor de junta perdido después del montaje.

Es una diferencia técnica real, está escrita, y no tiene nada que ver con que el elemento tenga cabeza. Se deriva de que hay una brida en lugar de dos. Por qué un perno corto es un resorte peor que uno largo se explica en el perno es un resorte.

Vale la pena ver la cuenta, porque resuelve un mito relacionado. PCC-1 toma como longitud efectiva de estiramiento de una unión pasante la distancia entre los puntos medios del espesor de las dos tuercas, siendo el espesor de una tuerca hexagonal pesada igual a un diámetro nominal. Para la parte de un elemento implantada en un agujero roscado toma medio diámetro nominal. Medio diámetro por cada lado. Según este modelo, el agujero roscado y la tuerca aportan la misma longitud, de modo que el agujero roscado no sale penalizado por ser un agujero roscado. La unión es más corta porque tiene una sola brida.

Lo que el agujero roscado sí cuesta es lo que ocurre cuando su rosca se daña. PCC-1 pide comprobar que las roscas de los agujeros roscados giren libremente a mano, igual que las de las tuercas, y remite a ASME PCC-2 Article 303 cuando están dañadas. Eso es un procedimiento de reparación y no un cambio de pieza, lo que constituye la versión exacta de la afirmación habitual en taller de que un agujero roscado gripado obliga a desechar el recipiente. Hay un camino de vuelta documentado. Es un mal día, no una pérdida total. Qué se puede y qué no se puede recuperar en una rosca interior dañada se explica en nada rellena una rosca barrida.

Lo que cambia realmente al quitar la cabeza

La lista honesta es más corta que la tradición, y cada punto se refiere al montaje y al desmontaje, no a la resistencia.

• No ahorra una llave. PCC-1 define la llave de respaldo como la herramienta que sujeta la tuerca o la cabeza del perno opuesta a la que se gira. Dos tuercas en una varilla roscada la necesitan igual que un perno con cabeza. La configuración que elimina la llave de respaldo es el agujero roscado, que es otra pregunta.
• Se elige qué extremo lleva la rosca sobrante. PCC-1 recomienda enroscar por completo la tuerca en un extremo para que no sobresalga rosca allí, dejando todo el sobrante en el extremo opuesto, porque la rosca que sobresale acumula corrosión y pintura y dificulta abrir la unión. Con dos extremos roscados, el sobrante se coloca donde se quiera.
• El tensado necesita rosca de la que tirar. Un tensor hidráulico exige que la rosca sobresalga al menos un diámetro de perno más allá de la cara exterior de la tuerca en el lado del tensor. Un elemento sin cabeza lo ofrece en cualquiera de los dos lados.
• La arandela se diseñó para el lado de la tuerca. La especificación de arandelas templadas en su totalidad de PCC-1 indica que su diámetro interior se eligió para usarlas bajo la tuerca, y que usarlas bajo la cabeza de un perno puede interferir con el vástago o con el radio de acuerdo bajo la cabeza. Por qué ese radio no es un detalle se explica en el radio bajo la cabeza.
• Dos tuercas dan dos intentos. Esto es práctica de campo y no una cláusula, y conviene decirlo así: si una tuerca se agarrota, aún queda una rosca intacta y una tuerca intacta en el otro extremo. PCC-1 atiende la preocupación de fondo con un remedio concreto, al señalar que los casos de gripado con pernos SA-193 Gr B7 se evitan usando la tuerca SA-194 Gr 4, de mayor resistencia, en lugar de Gr 2 o 2H. Véase también por qué se gripa el acero inoxidable.

La afirmación de que los espárragos se tuercen menos

Esta afirmación circula mucho y merece una respuesta cuidadosa, porque una versión de ella es cierta y la versión habitual no lo es.

PCC-1 sí dice que un elemento apretado mediante tensado hidráulico dura más, con menos riesgo al reutilizarlo, y da la razón: no hay torsión ni gripado de la rosca, porque la tuerca se enrosca mientras el elemento está descargado. Es un argumento a favor del método. Buscamos en el documento alguna cláusula que atribuya a un elemento sin cabeza una torsión menor con llave dinamométrica y no encontramos ninguna. Al girar una tuerca contra la fricción de la rosca, el elemento soporta ese par de rosca, tenga o no una cabeza forjada en el otro extremo.

En la práctica, si el problema es la torsión, la solución que ofrece la guía es el tensado y no un cambio de pieza. Adónde va realmente el par aplicado se explica en par y fuerza de apriete, y lo que el valor supone tácitamente sobre la fricción, en un valor de par supone una condición de fricción.

El otro espárrago: sus dos extremos no tienen la misma rosca

La unión que la mayoría imagina al oír la palabra es la que tiene un extremo de implantación alojado de forma permanente en un agujero roscado; los espárragos de culata son el ejemplo cotidiano. En esa pieza los dos extremos difieren en algo más que la longitud, y la diferencia está especificada.

La norma india de espárragos, IS 1862, los divide en tres tipos según la longitud del extremo de implantación: tipo A, de aproximadamente un diámetro, para acero; tipo B, de aproximadamente 1,5 diámetros, para fundición; tipo C, de aproximadamente dos diámetros, para aleaciones de aluminio. La misma norma remite la rosca del extremo de implantación a un documento aparte, IS 2186, sobre roscas exteriores con ajuste con apriete. El extremo que entra en la pieza no es simplemente más largo. Tiene otro ajuste, y eso es lo que mantiene el espárrago en su sitio cuando se quita la tuerca.

Tres normas nacionales han fijado esa tabla, y no hay dos que coincidan.

La entrada japonesa merece una segunda lectura. JIS B 1173 ofrece tres longitudes del extremo de implantación y luego indica, en una nota a su tabla de dimensiones, que los tipos 1 y 2 sirven ambos para implantar en acero, incluidos el acero moldeado y el forjado, o en fundición, y que el tipo 3 es para aleaciones ligeras. La norma que tiene la columna de material se abstiene de decir si al acero le corresponde 1,25 d o 1,5 d. No es un descuido. La longitud de rosca engranada se deriva de la resistencia de las dos roscas y no del nombre del material de la pieza, véase longitud de rosca engranada; por qué discrepan las reglas publicadas se explica en por qué discrepan las reglas de longitud de rosca engranada.

Si se lee la tabla de través, la fila de la fundición pasa de 1,25 d a 1,5 d según el catálogo que se tenga abierto. Un plano que solo dice «espárrago, M12» no le ha dicho al proveedor cuál de estas piezas fabricar.

Cómo plantear la pregunta para que tenga respuesta

El hilo de r/AskEngineers llegó a 125 comentarios y nunca se resolvió, porque «espárragos o pernos» son dos preguntas bajo un solo nombre. Si se separan, ambas tienen respuesta.

• ¿El lado opuesto es una tuerca o un agujero roscado? Esto determina la rigidez de la unión, cómo tolera la relajación de la junta y qué ocurre cuando se daña una rosca. Ahí está la ingeniería.
• ¿Hay una cabeza integral? Esto determina cómo se monta y desmonta la unión, qué extremo lleva la rosca sobrante, si cabe un tensor y qué arandela es legítima.

Si la respuesta sigue siendo estándar del sector, la siguiente pregunta es a cuál de las dos se refiere. En la guía a la que apunta la expresión, el sustantivo designa las cuatro.

La misma elección aparece a escala de rack, donde una norma se abstiene de hacerla: EIA-310-D permite que los agujeros del riel sean redondos, cuadrados o roscados, de modo que la rosca puede estar en el riel, en una tuerca enjaulada o en el lado opuesto.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿Un espárrago es más resistente que un perno de la misma clase y el mismo diámetro?

Nada en ASME PCC-1 lo dice, y sus cálculos de carga y estiramiento de los pernos no distinguen entre ambos. El modelo de longitud efectiva de estiramiento asigna a la tuerca y al agujero roscado el mismo medio diámetro cada uno, y la calidad del material la fija la especificación de material, no el hecho de que se haya forjado una cabeza. La afirmación de que el recalcado de la cabeza altera el fibrado y deja un iniciador de grietas se repite en los talleres, pero no encontramos ninguna cláusula ni ensayo publicado que la respalde como clasificación general, así que no es base para una sustitución.

Nuestros montadores solo colocan la llave dinamométrica en una tuerca. ¿Está mal?

No. Una tuerca se gira y la otra se sujeta, que es lo que PCC-1 entiende por llave de respaldo: la herramienta que sujeta la tuerca o la cabeza del perno opuesta a la que se gira. Lo mismo vale para un perno con cabeza, donde lo que se sujeta es la cabeza. Lo importante es que el lado opuesto no gire, no en qué lado está la llave dinamométrica.

¿Por qué las uniones de una sola brida tienen más probabilidad de fugar?

PCC-1 lo atribuye a la menor longitud efectiva de estiramiento. Una unión de una brida con pernos en agujeros roscados es más rígida, de modo que la misma pequeña pérdida de espesor de la junta libera más carga de los pernos. El apéndice lo cifra en aproximadamente el doble de pérdida de carga por cada 0,02 mm de espesor perdido después del montaje, y sugiere aumentar la flexibilidad de los pernos con collarines de extensión y pernos más largos cuando eso sea un problema.

¿Un espárrago evita la torsión del elemento durante el apriete?

No por sí mismo. PCC-1 atribuye la ausencia de torsión al tensado hidráulico, en el que la tuerca se enrosca mientras el elemento está descargado, y no a que el elemento carezca de cabeza. Con llave dinamométrica, el par de fricción de la rosca lo soporta el elemento en cualquier caso.

Un plano dice espárrago M12x60 y nada más. ¿Basta para hacer el pedido?

No, si el extremo de implantación va en un agujero roscado. La longitud del extremo de implantación es una decisión aparte: IS 1862 da aproximadamente 1 d para acero, 1,5 d para fundición y 2 d para aleaciones de aluminio, mientras que la serie DIN ofrece 1 d, 1,25 d, 2 d y 2,5 d como cuatro normas distintas sin indicar material. IS 1862 remite además la rosca del extremo de implantación a una especificación de ajuste con apriete. Indique la norma y el material de la pieza, o diga qué extremo va dónde.

Referencias

• ASME PCC-1 — Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly (edición 2019 consultada: definiciones del apéndice N-1, apartados 8.2 y 8.2.1, apartado 10.2, apéndice A-1.2, apéndice M-1.2, apéndice P-4.2.1, apéndice Q-4.2)
• ASME PCC-2, Article 303 — reparación de roscas dañadas en agujeros roscados
• IS 1862:1975 — Specification for Studs (Second Revision); modificación n.º 1, marzo de 1981, tipos A, B y C
• DIN 938 — espárragos, extremo de implantación de aproximadamente 1 d (normas hermanas DIN 939, DIN 835, DIN 940)
• JIS B 1173 — espárragos; la nota 3 de la tabla 1 da las longitudes del extremo de implantación de los tipos 1, 2 y 3 y los materiales de pieza a los que se destinan

El texto de PCC-1 consultado para esta página fue la edición 2019; la edición vigente para compras es posterior y los números de apartado deben comprobarse en ella antes de citarlos en un procedimiento. La nota al pie de PCC-1 que remite al engrane completo de la rosca cita ASME BPVC Section VIII Division 1 UG-13 y ASME B31.3 apartado 335.2.3, que aquí no se consultaron directamente. Las longitudes del extremo de implantación DIN proceden de los propios títulos de las normas; la correspondencia entre longitud del extremo de implantación y material de la pieza figura en IS 1862 y no en los títulos DIN, por lo que no deben mezclarse. JIS B 1173 se leyó en una réplica pública del texto de la norma y no en un ejemplar adquirido a la Japanese Standards Association; la nota citada es la nota 3 de la tabla de dimensiones, y su redacción dice que las longitudes son iguales o cercanas a 1,25 d, 1,5 d y 2 d, no exactamente esos valores. El punto de «dos tuercas, dos intentos» es práctica de campo y no figura como cláusula en ninguno de los documentos consultados para esta página.