Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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Ejemplos de vibración en tuberías

Estos ejemplos ilustran varios tipos de problemas de vibraciones en las tuberías. Se necesita un análisis avanzado de vibraciones para solucionar estos problemas dinámicos: vibración inducida por el flujo (VIF), vibración inducida acústicamente (VIA) y otros problemas comunes. BETA recomienda que las vibraciones de las tuberías se evalúen durante la fase de diseño para evitar tener que realizar costosas modificaciones en las tuberías durante las operaciones. (Véase Evaluación de las vibraciones y de la integridad de las tuberías)

1 Compresores de gas hidrógeno/butano (ejemplo de vibraciones inducidas por el flujo)

Esta refinería utiliza compresores centrífugos grandes. El sistema de tuberías se puede observar más abajo (izquierda). Los problemas causados por las vibraciones ocurrieron en el colector que alimentaba tres secadores (derecha). 

Normalmente, el flujo de gas pasa a través de dos secadores y no ocurre ningún problema causado por vibraciones excepto en la etapa de regeneración, en la que los operadores solo usan un secador. Mientras el flujo pasaba por un solo secador, el operador midió vibraciones altas en el colector como se muestra en la imagen de arriba a la derecha mediante las flechas rojas.

Se contrató al equipo de campo de BETA para que analizara y abordara el problema. Mientras estábamos in situ, BETA midió las frecuencias naturales, el desplazamiento de las vibraciones, las pulsaciones de presión, las formas de deflexión operacional y otros parámetros. Tras revisar los resultados, se confirmó que las vibraciones se debían a un complejo problema de vibraciones inducidas por el flujo (VIF). Tenga en cuenta que VIF también se conoce como el desprendimiento de vórtices o de remolinos.

Una solución fue la de eliminar las excitaciones inducidas por el flujo cambiando la longitud del colector de admisión y la distancia entre las válvulas de admisión del secador A y del B. Se determinó que esto sería demasiado caro, así que BETA diseñó soportes para que se instalaran en puntos estratégicos para alejar la frecuencia natural mecánica de la resonancia.

Se recomienda evaluar los riesgos causados por las vibraciones inducidas por el flujo en sistemas de compresores centrífugos, ya que se evitará realizar costosas modificaciones durante las operaciones. 

2 Compresor con un elevador de la presión/turboexpansor (ejemplo de VIF)

En esta planta de procesamiento de gas, el proceso elimina etano y propano de la corriente de gas natural. Para ahorrar energía, se utiliza un turboexpansor en lugar de una ineficiente, y por consiguiente costosa, válvula de Joule-Thompson.

Se contrató a BETA para abordar las vibraciones intensas en el sistema de tuberías de succión aéreas. Las vibraciones eran tan intensas que el personal no quería estar en el interior del edificio por miedo a que se desencadenara una falla en alguna tubería. Tal y como se puede observar en las imágenes de más abajo, el sistema de tuberías es complejo y tiene muchos tramos muertos.

BETA midió pulsaciones altas de 15 Hz en los tramos muertos de succión, la misma frecuencia que la calculada de Strouhal. Esto confirma que la fuerza de excitación se debía a las pulsaciones de 15 Hz y que es un problema de vibraciones inducidas por el flujo.

El problema común de VIF ocurre cuando una frecuencia natural acústica (FNA) de un cuarto de onda coincide con la frecuencia de excitación (pulsaciones de 15 Hz); pero en este caso, el problema era mucho más complicado que un problema de VIF común. Se analizaron todos los tramos muertos relevantes y se descubrió que ninguno de ellos correspondía con la frecuencia de 15 Hz (FNA de cuarto de onda).

Pero entonces, ¿cómo se explica la resonancia de las tuberías y estas intensas vibraciones?

Tras revisar la geometría de las tuberías con más detenimiento, BETA descubrió que toda una sección de tuberías compuesta por el colector y algunos tramos muertos tenía una frecuencia natural acústica de 15 Hz – algo visto en muy pocas ocasiones. Cuando se encontró la causa del problema de VIF, BETA recomendó realizar modificaciones para aliviar la resonancia.

Este ejemplo muestra que puede ser complicado evaluar la frecuencia natural acústica y que se requieren técnicas de análisis y un software de análisis acústico especializados. Las herramientas de software de BETA proporcionan un enfoque rentable para identificar y evitar estos riesgos durante la fase de diseño.

3 Análisis de vibraciones inducidas por el flujo (VIF) y acústicamente (via) para compresores centrífugos

BETA fue contratada para evaluar las vibraciones de las tuberías en una gran instalación de compresores centrífugos que se usa en la generación de energía. Se midieron las vibraciones más altas cuando la válvula de recirculación del compresor tenía una apertura del 40% en comparación con cuando solo presentaba un 23% de apertura.

El siguiente esquema muestra el sistema de tuberías principal incluyendo la recirculación fría y caliente. El área de vibraciones altas se muestra con el círculo de puntos. El equipo de diseño ingenieril de BETA identificó muchos puntos donde las VIF o las VIA podrían ser la fuente de las fuerzas de excitación. 

Cada uno de los puntos potenciales de VIA y VIF se evaluó con más profundidad incluyendo diferentes escenarios de operación (flujos, temperaturas, etc.). A través de este avanzado análisis, BETA pudo identificar una zona de vibraciones inducidas por el flujo y una de vibraciones inducidas acústicamente que muy probablemente contribuían al problema.

Las recomendaciones para modificar las guarniciones de la válvula reducirá el riesgo de los problemas causados por las vibraciones inducidas acústicamente. Para reducir los problemas causados por las vibraciones inducidas por el flujo, se deberían reducir ciertas velocidades de flujo. Esto no siempre es práctico, por lo que se proporcionaron otras soluciones. Este caso muestra la combinación de los riesgos causados por las vibraciones inducidas por el flujo y las inducidas acústicamente que afectan a los sistemas de tuberías.

4 Vibraciones de las tuberías en líneas de gas a venta (ejemplo de planta de gas)

La tubería de gas a venta de 30 pulgadas (75 cm) presentaba vibraciones altas en una planta de gas en Asia. Las vibraciones altas se hicieron evidentes en la tubería principal de gas a venta en condiciones de alto flujo y alta caída de presión después de instalar una nueva válvula de control de presión Whisper Trim. El equipo de BETA dirigió una evaluación de las vibraciones in situ para determinar las causas y posibles soluciones de las vibraciones de las tuberías y de las preocupaciones por la integridad.

Basándose en el análisis de campo, la vibración aguas arriba de la válvula de control está producida por la excitación inducida por el flujo (EIF, también llamada VIF), que se forma cuando los flujos de gas pasan por un tramo muerto. El tramo muerto crea vórtices, que se amplifican debido a la onda estacionaria que se establece en ese tramo muerto. Estas pulsaciones pasan a través de la tubería y causan vibraciones.

Se identificaron tres soluciones para reducir las fuerzas de excitación. Estas opciones incluyen: modificaciones en las operaciones de la válvula de derivación; una pequeña modificación en la boca del tramo muerto; o modificar la geometría de las tuberías moviendo la válvula de recirculación.

Bajo algunas condiciones de flujo, se observó que las tuberías en los bucles de expansión mostraban unas vibraciones muy altas. Las tuberías en esta área están soportadas con muy poca rigidez y cualquier fuerza desequilibrada en el sistema de tuberías causará vibraciones altas en éstas. Si no se pueden controlar las vibraciones inducidas por el flujo, producidas por los tramos muertos que están cerca de la válvula de control, incrementar la rigidez de los bucles de expansión ayudará a controlar las vibraciones. BETA recomendó añadir vigas para soportar los codos. Además de estas recomendaciones para el soporte de tuberías, se necesita realizar un análisis de esfuerzos de las tuberías para asegurar que los soportes adicionales no produzcan problemas de esfuerzo térmico.

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