Vibration, dynamics and noise

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Rigidez de los soportes de tuberías, proyecto GMRC

Mejora de la confiabilidad del sistema de tuberías

1 Desafío de la industria

Los soportes para tuberías se utilizan para sujetar las tuberías de proceso y para prevenir vibraciones nocivas. El objetivo de los soportes de tuberías bien diseñados, para servicios con vibraciones, es el de minimizar las vibraciones en los soportes. Esto depende principalmente de la rigidez y del lugar en el que esté situado el soporte.

Figura 1. Abrazadera tipo manguito y soporte tipo poste

Figura 2. Abrazadera con una escuadra de refuerzo con bloques de calzo y soporte de pilote de concreto

Figura 3. Abrazadera con dos escuadras de refuerzo con bloques de calzo y soporte tipo viga
Figura 4. Diseño deficiente de los soportes

La rigidez de un sistema de soporte de tuberías depende de dos cosas:

  • La rigidez de la abrazadera en sí
  • La rigidez de la estructura que se encuentra debajo de la tubería (a la que está sujetada).

Observe las figuras 1, 2 y 3 para ver algunos ejemplos de sistemas típicos de soportes para tuberías. Es imprescindible que el sistema de abrazaderas tenga la rigidez exacta para determinar la frecuencia natural de la tubería, lo que indica una posibilidad de vibraciones altas. La frecuencia natural de las tuberías varía dependiendo del espacio entre soportes y de la rigidez de los mismos.

Los soportes de tuberías también afectan a los resultados del análisis de esfuerzos de las tuberías (también llamado estudio de flexibilidad de las tuberías o análisis térmico). El mismo valor de rigidez utilizado para determinar las frecuencias naturales de las tuberías se puede utilizar además en un estudio de flexibilidad para determinar la fatiga y deflexión de las tuberías, las fuerzas de reacción de sujeción y la carga de las boquillas sobre el equipo.

Existe un problema que afecta a toda la industria debido a hipótesis incorrectas sobre la rigidez de los soportes de tuberías. En la actualidad, una de las cosas que más suelen hacer las empresas de ingeniería es asumir que los soportes de las tuberías son rígidos (por ej., 1E12 lb/pulg.). En realidad, el sistema de soportes y abrazaderas tiene algo de flexibilidad (por ej., 1E5 - 1E6 lb/pulg). Esto significa que las suposiciones del ingeniero especializado pueden asumir una rigidez un millón de veces mayor que la de la instalación real.

Las suposiciones inexactas sobre la rigidez crean consecuencias (costosas), como:

  • Frecuencias naturales de las tuberías más altas de lo que se medirían in situ, lo que puede llevar a que aparezcan vibraciones altas en las tuberías.
  • Bucles térmicos que pueden no ser necesarios.
  • La retirada de las abrazaderas de las tuberías (para resolver los problemas térmicos), lo que puede producir vibraciones altas en las tuberías.
  • Abrazaderas de las tuberías y boquillas de los equipos que fallen debido a cargas y deflexiones mayores que las que se esperaban.

Este problema tiene dos causas:

  • Hay una falta de conocimiento e información sobre este problema, y
  • Las empresas de ingeniería no tienen la experiencia/competencia necesarias para determinar los valores reales de rigidez. Por ejemplo, se necesita un programa especializado de análisis de elementos finitos (AEF), como ANSYS, además de un conocimiento de la manera en la que hay que modelar la rigidez de forma apropiada.

En un intento de orientar a la industria para saber cuánta rigidez se necesita para un soporte bien diseñado, la norma API 618, 5ª edición, ha recomendado una rigidez mínima. Sin embargo, no hay valores de rigidez publicados para los diferentes tipos de diseño de abrazaderas y de estructuras de los soportes (por ej., pilotes de concreto, soportes de vigas o postes elevados).

Este proyecto investigará la rigidez de los diferentes tipos de diseños de abrazaderas y soportes. La sensibilidad del cálculo de rigidez para las variaciones en las instalaciones y la de las frecuencias naturales de la tubería para soportar la rigidez se investigarán brevemente durante el análisis.

2 Entregables del proyecto

Hay dos entregables del proyecto:

  • Las mejores prácticas para evaluar y aplicar la rigidez en los soportes de las tuberías de las nuevas instalaciones, junto con estudios de casos, ejemplos, especificaciones estándar, y "lo que hay que hacer y lo que no". Todo esto ayudará a los ingenieros especializados en tuberías a diseñar un sistema adecuado - y no terminar realizando diseños deficientes como en la figura 4.
  • Una tabla con los valores de rigidez para 20 tamaños de soportes de tuberías estándar entre 2" y 40". En la tabla aparecerá la rigidez axial, lateral, vertical y torsional del soporte/abrazadera y se podrá utilizar por parte de los consultores de ingeniería que participen en el trazado de las tuberías, en el análisis de esfuerzos de tuberías y análisis mecánico.
3 Beneficios para la industria

Muchas plantas de gas y estaciones con compresores sufren las consecuencias de tener soportes de tuberías con un diseño deficiente. Se suele usar suposiciones incorrectas sobre la rigidez de las tuberías, lo que da como resultado la aparición de problemas costosos de esfuerzos y vibraciones. Si se tiene acceso a los valores de rigidez exactos, se mejorará enormemente la confiabilidad del sistema de tuberías. 

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