Vibration, dynamics and noise

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Requisitos de diseño para compresores de pistón

Podemos conseguir una confiabilidad alta si se abordan de forma apropiada los riesgos relacionados con las vibraciones durante la fase de diseño. Pero no todas las aplicaciones de compresores tienen los mismos riesgos. Por ejemplo, los compresores pequeños pueden tener menos problemas de fuerzas y mecánicos, mientras que los riesgos serían mayores en caso de:

  • Unidades mayores (más de 500 HP ó 375 KW) porque generan mayores fuerzas de sacudida y de pulsaciones
  • Compresores que operan en un amplio rango de velocidades
  • Muchas condiciones operacionales diferentes.
  • H2S, gas ácido y otros tipos de gas
  • Sistemas de tuberías más complicados, más etapas, aplicaciones costa afuera, unidades múltiples en una estación u otros factores de aplicación.
1 Requisitos de diseño para vibraciones

La siguiente tabla proporciona el alcance sugerido de la ingeniería de vibraciones. Basado en el nivel de riesgo de la aplicación, se identifican y resumen brevemente las diferentes actividades y opciones.

Para determinar los riesgos de aplicación consulte la tabla de calificación de riesgos de BETA (Excel, EN INGLÉS)
Para recibir asistencia en la aplicación, por favor, no dude en contactar al servicio de soporte de BETA​.  

Requisitos de diseño para vibraciones - por riesgo de aplicación
          RIESGO DE APLICACIÓN
Componentes del estudio de vibraciones Muy bajo  Bajo Intermedio Alto
  1. Análisis de vibraciones torsionales (AVT)
Se necesita realizar un AVT para una configuración nueva de compresor/impulsor, cambios en las condiciones operacionales, etc
  1. Análisis de pulsaciones
Solo el dimensionamiento de amortiguadores de pulsaciones Análisis de pulsaciones (estudio acústico del sistema de tuberías del compresor)
  1. Análisis mecánico de vibraciones
n/a Revisión mecánica Análisis de frecuencias naturales mecánicas (FNM) -evitación de frecuencias Análisis de respuesta forzada + FNM
  1. Análisis de esfuerzos de las tuberías
    (flexibilidad térmica)
Muy recomendable (requerido) cuando los enfriadores están montados fuera del patín
  1. Análisis y diseño del patín
n/a n/a Revisión del patín Análisis dinámico del patín
Opción: Análisis de izamiento y/o de transporte/medioambiental
Opciones
  1. Evaluación de conexiones de diámetro pequeño
Evaluación del diseño de las conexiones de diámetro pequeño para evaluar los esfuerzos y proporcionar recomendaciones de mejoras. Se incluye la auditoría de línea base recomendada y la inspección en el taller.  
  1. Análisis del diseño de la cimentación, o​
  2. Análisis de vibraciones estructurales

Se recomienda la evaluación del diseño de la cimentación para unidades de tamaño medio y grande montadas en pilotes o grava y para aplicaciones críticas.
 

El análisis dinámico estructural es muy recomendable para las instalaciones costa afuera (plataformas, unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga - FPSO).
  1. Pulsaciones de las tuberías de estaciones

  a. Tuberías fuera del patín,
          y/o

  b. Análisis de múltiples       unidades

a. Fuera del patín (tuberías de las estaciones). Para evaluar las pulsaciones en los enfriadores y depuradores que están situados lejos del compresor, o para evaluar las pulsaciones en los cabezales y en los sistemas de tuberías de la planta.
 

b. Análisis de múltiples unidades. Evaluar las pulsaciones en el cabezal/tuberías de la planta cuando hay muchos compresores conectados entre sí en serie o en paralelo.  
  1. Elevadores de presión de gas combustible,

  a. Fuel Gas Booster
         y/o

  b. Parada de      emergencia/purga  

a. Elevador de presión de gas combustible: asegurar que los límites de pulsaciones desde un compresor elevador de la presión a una turbina de gas cumplen con las especificaciones de los propietarios y de los fabricantes de equipos originales (OEM).
 

b. Análisis de sobrepresiones transitorias en paradas de emergencia (análisis de purgas) para asegurar los esfuerzos aceptables sobre los sistemas de tuberías durante paradas de emergencia.
2 Estudios de vibraciones estándar

La norma API 618 y las directrices de velocidad alta del GMRC (tratadas más abajo) requieren estos estudios de diseño para vibraciones. Estos estudios están muy integrados y comparten supuestos y archivos de entrada comunes. Todos estos estudios deberían ser realizados por un solo consultor para evitar errores, recomendaciones conflictivas y retrasos.

  1. Análisis de vibraciones torsionales (AVT). Evalúa los esfuerzos dinámicos torsionales del tren motriz de la unidad para todas las condiciones anticipadas de operación de la máquina, incluidas las condiciones transitorias y las anormales. Proporciona recomendaciones para evitar resonancias y asegurar que los esfuerzos torsionales cumplen las directrices, basadas en los modelos de masa elástica, curvas de esfuerzo, respuesta forzada, etc.
  2. Análisis de pulsaciones. Realiza una simulación acústica del sistema de tuberías y recomienda una solución para el control de las pulsaciones. Evalúa el mapa de operación y el sistema de tuberías por completo. Proporciona soluciones basadas en un diseño optimizado que tiene en cuenta las fuerzas de pulsaciones, la frecuencia natural mecánica de los amortiguadores de pulsaciones, la caída de presión (y su impacto en el consumo de potencia) y costos de capital. El estudio estándar incluye 20 condiciones de operación, entre las que encontramos fases de carga y presiones. Opción para añadir condiciones de operación adicionales.
  3. Análisis mecánico. Recomendado para instalaciones medianas y grandes. Incluye una revisión mecánica de los sistemas de tuberías y análisis de evitación de frecuencias. Evalúa las fuerzas de las pulsaciones y las fuerzas de gases a través de las armónicas relevantes para evitar las condiciones de resonancia, utilizando un modelo de elementos finitos. Para aplicaciones que presentan riesgos mayores se recomienda realizar un análisis de respuesta forzada para calcular las amplitudes de los esfuerzos y vibraciones. El entregable incluye recomendaciones para evitar la resonancia, o para gestionarla.
  4. Análisis de esfuerzos de las tuberías (estudio de flexibilidad térmica). Evalúa las cargas térmicas entre el compresor y los enfriadores, otras tuberías de proceso y las cargas sobre las boquillas de los recipientes/enfriadores. Se usan condiciones de contorno apropiadas para evitar los supuestos simplistas como "anclaje" o "rígido". Puede incluir diseño de soportes.
  5. Análisis y diseño de patines. La revisión de los patines asegura la presencia de vías de carga y rigidez adecuadas en los puntos clave. Puede incluir cargas de izamiento, de transporte y medioambientales. El análisis dinámico incluye respuestas forzadas aplicando las cargas del compresor y del impulsor, las fuerzas del gas, de la cruceta y las de pulsaciones significantes
3 Estudios de vibraciones opcionales

Las buenas prácticas de diseño requieren con frecuencia ingeniería adicional, como se señala más abajo:

  1. Evaluación de conexiones de diámetro pequeño. Muy recomendada para evitar escapes de gas y fallas inducidas por las vibraciones. Las fallas en conexiones de diámetro pequeño son las más comunes en las tuberías de un sistema de compresión. Con frecuencia, estas conexiones son resonantes, de modo que las pequeñas vibraciones que aparecen en la tubería principal pueden causar que estos componentes vibren excesivamente y fallen. Vea los artículos recomendados (situados más abajo) para obtener más información. También se recomienda realizar una verificación de taller o de campo para medir las vibraciones y las frecuencias naturales mecánicas.
  2. Análisis del diseño y de la dinámica de la cimentación para compresores de gran capacidad. Una práctica común es la de evaluar la cimentación y asegurar que no presentará resonancia con las fuerzas del compresor.
  3. Análisis del diseño dinámico y de vibraciones estructurales (unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO), plataformas). Muy recomendado para las aplicaciones costa afuera, ya que estas instalaciones no tienen masa sólida (por ej., bloques de concreto) para prestar un soporte adecuado al patín del compresor, así que las cubiertas y las vigas de las plataformas y de las FPSO presentan a menudo resonancia con compresores y motores. Este estudio proporciona recomendaciones para evitar la resonancia. Vea el sitio web de BETA para saber más sobre vibraciones estructurales.
  4. Pulsaciones de las tuberías de la planta:
    1. Tuberías situadas fuera del patín o tuberías de la estación. BETA evaluará las pulsaciones en las tuberías que están lejos del conjunto compresor (si la información está disponible). Este nivel adicional de análisis es valioso para los casos en que los enfriadores o depuradores estén ubicados lejos del conjunto compresor o cuando sea necesario evaluar las pulsaciones en los cabezales y en el sistema de tuberías de la planta.
    2. Análisis de la estación (interacción entre compresores). Cuando se utilizan múltiples compresores de pistón o una combinación de compresores centrífugos y de pistón en una estación de compresores, hay que tener cuidado de evitar la interacción de pulsaciones en los cabezales de descarga o de succión. Este estudio evalúa la interacción de las pulsaciones y proporciona recomendaciones sobre el diseño para minimizar las amplitudes de las pulsaciones.
  5. Análisis de transitorios:
    1. Análisis de elevadores de presión de gas combustible (dimensionamiento del receptor, transitorios). Las turbinas de gas requieren una ajustada tolerancia en su alimentación de gas. Las pulsaciones de presión que son demasiado altas afectarán a las operaciones de la turbina. BETA ha desarrollado un enfoque único para evaluar estas pulsaciones de presión en la entrada a la turbina, y proporciona recomendaciones para asegurar que los límites se han respetado.
    2. Análisis de purga. Con aplicaciones de alta presión como el almacenamiento de gas con múltiples compresores, se generarán altas fuerzas de golpe de ariete y vibraciones cuando las válvulas de purga se abran debido a una parada de emergencia. El análisis de purga ayudará a determinar las secuencias e intervalos de tiempo de la apertura de las válvulas de purga, el costo de la tubería de purga y soportes. 
4 Normas de la industria (API, GMRC)

Las tres normas sólidamente establecidas con las que completamos los estudios de vibración mencionados anteriormente son:

  • Directrices de alta velocidad del GMRC (2013). Esta norma proporciona información extensa para diseñar un sistema de compresión de alta velocidad confiable (velocidades de 750 RPM y mayores). Aunque están dirigidas para aplicaciones de almacenamiento y tuberías de gas, se puede utilizar para cualquier aplicación de alta velocidad. Los capítulos 6, 7 y 13, y los apéndices 3, 6 y 7 están directamente relacionados con el control de las vibraciones.
  • Norma API 618 (5ª edición), Capítulo 7. Esta norma se aplica a los sistemas de compresores de baja velocidad (<750 RPM). Se originó en la industria petroquímica y de refinerías en donde se suelen usar compresores de gran tamaño. Esta norma define los requisitos de vibraciones para los compresores y tuberías relacionadas, pero no aborda las cimentaciones, los patines, las conexiones de diámetro pequeño y otras áreas. Se espera que salga una nueva edición en 2014.
  • Norma API 688. Desarrollada originalmente como una práctica recomendada (RP-688), pronto se publicará como una Norma API para las bombas y compresores de pistón y contendrá información detallada sobre los problemas relacionados con las pulsaciones y las vibraciones de bombas y compresores de pistón.

Comentarios sobre las definiciones de la Norma API 618:

El enfoque de diseño de la Norma API 618 incluye tanto el análisis mecánico como el análisis de pulsaciones. En ediciones anteriores, API utilizó la nomenclatura “M” para describir los componentes de un enfoque de diseño. Algunos ingenieros siguen utilizando mucho esta nomenclatura. Por ejemplo:

  • Enfoque de diseño 2 (Design Approach 2, DA2): M2 y M4: incluye el estudio de pulsaciones con revisión mecánica
  • Enfoque de diseño 3 (Design Approach 3, DA3): M2-M5: análisis básicos mecánicos y de pulsaciones (para evitar la resonancia). Los estudios M6 y M7 son análisis mecánicos avanzados (respuesta forzada) en el distribuidor del compresor y tuberías fuera del patín. 
5 Servicios relacionados
  1. Análisis de vibraciones torsionales (AVT)
  2. Análisis mecánicos
  1. Análisis de esfuerzos de las tuberías
  2. diseño y análisis del patÍn
  3. Evaluación de conexiones de diámetro pequeño
  4. análisis dinámico y de diseño de cimentaciones
  5. Análisis del diseño dinámico y de la vibración estructural
  6. Pulsaciones de las tuberías de planta: parte opcional de 3. Análisis mecánico
  7. Análisis de transitorios en tuberías ASOCIADAS CON compresores de gas combustible

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