Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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Sistemas de bombeo de líquidos (incluidas las tuberías de líquidos)

Las bombas y los sistemas de tuberías asociados pueden sufrir riesgos para la integridad a causa de las vibraciones, como las vibraciones en condiciones de operación estables y vibraciones transitorias (golpe de ariete). Para que el sistema se adapte a estas vibraciones hay que poner atención especial para predecir, anticipar y adaptar las singulares características de las vibraciones del sistema.

Por ejemplo, las bombas de pistón, dadas las pulsaciones en las líneas de succión y descarga, requieren consideraciones especiales en el diseño para que la instalación sea segura.

Aunque los sistemas de bombeo centrífugo son, por lo general, muy confiables, también pueden experimentar problemas dinámicos y de resonancia.

Los riesgos a la integridad son incluso mayores en los sistemas que tienen condiciones de operación fluctuantes que conducen a vibraciones relacionadas con transitorios, fallas y la pérdida de contención asociada.

Este resumen describe las consideraciones más importantes a tener en cuenta para el diseño y la resolución de problemas para abordar las vibraciones en todo tipo de sistemas de bombeo.

1 Requisitos de diseño estándar para todos los sistemas de bombeo
1.1 Análisis del golpe de ariete (sobrepresión transitoria)

Los cambios transitorios en la cantidad de movimiento en el sistema de tuberías de líquidos pueden crear una gran y repentina sobrepresión que puede conducir a la rotura de la tubería, accesorios con fisuras y escapes de fluidos en un fenómeno conocido como golpe de ariete o sobrepresión transitoria.

El análisis del golpe de ariete evalúa los efectos de golpe de ariete en el sistema de tuberías causados por eventos transitorios como arranque de bombas, detención, parada de emergencia (ESD), activación de válvulas de alivio, oscilación de válvulas y cierres de válvulas de retención.

Una simulación dinámica exacta es un requisito indispensable para la mayoría de los sistemas de tuberías extensos. Wood considera el rango de condiciones de operación de su sistema y calcula la respuesta del sistema en cada situación transitoria utilizando un solucionador de simulaciones de transitorios. Esto asegura recomendaciones precisas para prevenir el golpe de ariete en su sistema de tuberías. 

1.2 Evaluación de conexiones de diámetro pequeño

El riesgo a la integridad/confiabilidad que afecta a las instalaciones de bombeo y que con más frecuencia se pasa por alto son las vibraciones y fallas de las tuberías de diámetro pequeño. La fatiga inducida por las vibraciones puede causar fallas de los componentes y escape de líquidos. Los accesorios de diámetro pequeño son normalmente conexiones de ramal de un diámetro de tubería nominal inferior a 2” utilizadas para instrumentación, transmisores, tubos de ventilación, líneas de drenajes, de derivación, etc.

Estos elementos no se tienen muy en cuenta en la fase de diseño por sus características de vibración y, como resultado, representan el mayor riesgo de fallas por vibraciones para su instalación. Los problemas y fallas causados por las vibraciones en las tuberías de diámetro pequeño representan más del 60% de los problemas que las personas de nuestro equipo encargadas de la resolución de problemas asisten a nivel mundial.

Cada conexión de diámetro pequeño de su planta debería ser evaluada y probada para descubrir si representa un riesgo de falla causada por vibraciones.

2 Sistemas de tuberías de líquidos

Los sistemas de tuberías grandes conducen con frecuencia diferentes fluidos (densidades, viscosidades, módulos de compresibilidad), presiones y caudales. Por ejemplo, algunas estaciones tienen múltiples bombas en serie, y el sistema podría cambiar entre 0, 1, 2 ó 3 bombas según se requiera para las operaciones.

El arranque, la parada y el cambio de fluidos pueden crear muchas condiciones transitorias de operación que pueden excitar las conexiones de diámetro pequeño.

Basándose en centenares de pruebas de campo en estaciones de bombeo, Wood ha identificado que las vibraciones transitorias son un riesgo significativo para la integridad. Para estos sistemas, se requiere realizar una evaluación in situ en profundidad (programa de pruebas de línea de base) para identificar los puntos en los que existe un riesgo alto y mitigar los riesgos.

3 Bombas de pistón

Las bombas de pistón (incluidas las bombas de émbolo buzo) pueden causar vibraciones altas y fallas en las tuberías debido a las fuerzas mecánicas y a pulsaciones. El incremento en el uso de los accionamientos de velocidad variable (AVV o UFV) en los sistemas de bombeo crea una probabilidad mayor para la aparición de resonancias acústicas y mecánicas y esto da como resultado un análisis de vibraciones más complicado.

3.1 Análisis mecánico y de pulsaciones

Las normas API 674, 675, y 688 definen el análisis mecánico y de pulsaciones (acústico) requerido. El análisis recomendará la solución más apropiada para el control de pulsaciones, trazado de las tuberías y diseño del soporte de las tuberías.

3.2 Conexiones de diámetro pequeño

Vea más arriba la sección 1.2

4 Dinámicas de la cimentación

Los diferentes tipos de cimentaciones de bombas, ya sean de placas base, de estructuras de acero o de concreto, requieren consideraciones sobre el diseño dinámico diferentes para instalaciones nuevas o renovadas. Por ejemplo, las bombas montadas en plataformas o módulos de acero requieren un análisis dinámico y del diseño de la cimentación, mientras que las bombas grandes (como las bombas de lodo) sobre pilotes y cimentaciones de concreto requieren un análisis dinámico de diseño y de vibraciones estructurales - una simulación dinámica de los pilotes, en la que se incluyen las características del suelo que los rodea.

5 Requisitos de diseño opcionales
5.1 Análisis de frecuencias críticas de lengüeta (FCL)

Las bombas de turbina verticales presentan frecuencias críticas que pueden resonar durante arranques, paradas y operaciones regulares. Estas frecuencias críticas se conocen como FCL (RCF, por sus siglas en inglés), o como frecuencias naturales mecánicas de modo voladizo. Es importante determinar si las FCL se presentan en los rangos de velocidad de operación de la bomba. Esto podría causar vibraciones altas que conducen a fallas de componentes sobre el suelo y subterráneos.

5.2 Análisis de vibraciones torsionales (AVT)

Las vibraciones torsionales pueden ocurrir durante el arranque o la operación estable del sistema de bombeo. Los eventos transitorios pueden ser un problema importante en los sistemas nuevos. El análisis de vibraciones torsionales mitigará los riesgos torsionales estables y transitorios modelando el tren motriz, calculando los esfuerzos dinámicos torsionales y asegurando que cada elemento del tren motriz pueda soportar estos esfuerzos sin que se produzcan fallas.

5.3 Análisis de vibraciones laterales

Las vibraciones laterales del tren motriz de una bomba se pueden visualizar como la flexión real de los elementos del eje mientras éste está girando. Por lo general, las vibraciones laterales del eje de una bomba son tomadas en cuenta por el fabricante de la bomba, aunque muy frecuentemente no se incluye ninguna consideración de los acoplamientos, ni del eje de accionamiento ni de los elementos reductores de la velocidad como la caja de cambios. Los problemas de vibraciones laterales pueden causar fallas prematuras de los acoplamientos, excitar la resonancia estructural y causar vibraciones altas. Considerar las vibraciones laterales es especialmente importante para las bombas verticales debido a su inherente excitabilidad de las frecuencias naturales mecánicas laterales (FNM) que pueden causar resonancia.

Wood es un experto mundial en servicios avanzados para evitar las vibraciones, incluidos el diseño, pruebas y resolución de problemas. Nuestro liderazgo en esta industria se basa en nuestra extensa experiencia de campo, soluciones de diseño prácticas y un servicio de atención que responde a las necesidades de nuestros clientes.

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