Vibration, dynamics and noise

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Análisis de vibraciones inducidas por el flujo (VIF)

Análisis del diseño y resolución de problemas en las instalaciones

FIV Analysis - Piping dead leg branch causing vortex shedding

Las vibraciones inducidas por el flujo, o el desprendimiento de vórtices, se deben a velocidades de flujo altas, como en un tramo muerto de un sistema con compresor centrífugo. En este estudio, se evalúa el desprendimiento de vórtices y las vibraciones potenciales a lo largo de tramos muertos. El estudio también puede incluir la excitación por vibraciones inducidas por el flujo de conexiones de diámetro pequeño y de componentes situados en el flujo, como las vainas para termocuplas.

Se recomienda la realización de un análisis de VIF en proyectos nuevos que tengan compresores centrífugos y en otros sistemas de gas de alto caudal. 

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1 Información general

Las vibraciones inducidas por el flujo y los parámetros físicos que las controlan son muy importantes para los ingenieros de diseño y para los operarios. El potencial que tienen esos fenómenos para causar fallas catastróficas en los sistemas de ingeniería de tuberías y para ocasionar niveles inaceptablemente altos de ruido en el ambiente y en el lugar de trabajo ha impulsado esfuerzos considerables por entender y mitigar esos problemas". Fuente: Prefacio, Conferencia sobre VIF de 2012, Irlanda.

Figura 1: ejemplo de desprendimiento de vórtices de un objeto ubicado en la corriente de un fluido. Fuente: acusim.com

La alteración del flujo (o desprendimiento de vórtices) es causada por un fluido que atraviesa: 

  • Las vainas para termocuplas u otros objetos ubicados en la corriente de un fluido (figura 1).
  • Un tramo muerto, como una línea de recirculación o de alivio (figura 2).

A frecuencias específicas, el flujo excita la resonancia acústica, lo cual causa pulsaciones de alta presión. Esas pulsaciones pueden excitar las resonancias mecánicas, lo cual produce mucha vibración y fallas por fatiga en las tuberías afectadas. 

El flujo genera vórtices y excitación.
​La frecuencia de excitación se determina a partir de esta fórmula:

Frecuencia de emisión de vórtices (FEV) = S (v/d)

Donde: 

S = número de Strouhal 
v = velocidad del fluido   
d = diámetro del ramal

Figura 2: ejemplo de un tramo muerto.

Un fenómeno similar ocurre cuando se sopla aire a través de una botella abierta, lo cual genera una respuesta acústica.

En sistemas de gas de alto caudal, como en el tramo muerto de la figura 2, las pulsaciones de alta presión se generan cuando la frecuencia de emisión de vórtices (FEV) coincide con la frecuencia natural acústica (FNA) del ramal. Esa interacción hace que las tuberías de diámetro pequeño vibren y posiblemente fallen. Resulta interesante notar que la velocidad de flujo más alta podría no causar las peores vibraciones.

2 Zonas problemáticas comunes

En general, las vibraciones inducidas por el flujo se evalúan en sistemas de tuberías que tienen compresores centrífugos. También se presentan algunos riesgos en el caso de los compresores helicoidales de alto caudal. Para ver tres ejemplos de problemas relativos a las vibraciones inducidas por el flujo, diríjase a la siguiente página: ​ EJEMPLOS DE VIBRACIÓN DE TUBERÍAS

Las vibraciones inducidas por el flujo también son un problema para las tuberías ascendentes (risers, costa afuera), tubos intercambiadores de calor y muchas otras aplicaciones industriales. La imagen muestra un problema de vibraciones inducidas por el flujo que Wood resolvió en una chimenea de escape de gases.

3 Análisis del diseño para evitar las vibraciones inducidas por el flujo (vif)

Wood ofrece los siguientes servicios de diseño para evitar las vibraciones inducidas por el flujo en los sistemas de tuberías, incluidos los sistemas que usan compresores centrífugos:

  • Evaluación de la disposición adecuada de las tuberías para determinar la probabilidad de emisión de vórtices, pulsaciones y problemas de vibraciones. En tramos muertos, Wood evalúa las vibraciones inducidas por el flujo en base a la geometría, el régimen de flujo y los modos acústicos. En este estudio, se usa la metodología descrita en las Directrices para evitar las fallas por fatiga inducida por vibraciones en tuberías de proceso del Energy Institute.
  • Servicio opcional para VIF: en vainas para termocuplas y sondas, la frecuencia de emisión de vórtices calculada se separa de la frecuencia natural (FN) de los componentes.
  • Evaluación avanzada de VIF: para tramos muertos complejos, se puede realizar un estudio más detallado de las vibraciones inducidas por el flujo. En ciertos casos, se puede llevar a cabo una respuesta forzada del sistema de tuberías.

En los casos en que hay riesgo de fallas por fatiga, se dan recomendaciones. En sistemas de tuberías que tienen compresores centrífugos, a veces es necesario realizar tanto el estudio de vibraciones inducidas por el flujo (VIF) como el estudio de vibraciones inducidas acústicamente (VIA).

4 Servicio de resolución de problemas en las instalaciones para vibraciones inducidas por el flujo (vif)

El experimentado equipo de campo de Wood trabaja para resolver problemas relativos a las vibraciones inducidas por el flujo en plantas existentes. Los servicios de resolución de problemas de VIF abarcan:

  • Fallas en tuberías de diámetro pequeño en compresores centrífugos, incluidas las vainas para termocuplas y el instrumental.
  • Problemas de vibración causados por los modos de la carcasa de las tuberías.
  • Vibraciones inducidas por el flujo en tubos de intercambio de calor.
  • Vibraciones inducidas por el flujo en tuberías de elevación (risers).

Para resolver problemas en las instalaciones, es necesario medir las pulsaciones, las vibraciones y el esfuerzo in situ y también determinar la frecuencia natural mecánica (FNM) y acústica (FNA). En muchos casos, las mediciones tomadas in situ se usan en un análisis de elementos finitos para determinar el nivel de esfuerzo de las tuberías.

Si usted participa en la operación o el proceso de diseño de sistemas de alta presión, ​contcontáctese con nosotrosact Wood para recibir asistencia sobre las vibraciones inducidas por el flujo y otros problemas de vibración. 

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7 Palabras clave
  • Desprendimiento de vórtices
  • Vibración inducida por vórtices
  • Pulsaciones inducidas por el flujo
  • Excitaciones inducidas por el flujo
  • Directrices del Energy Institute (2008)
  • Vibraciones de compresores centrífugos

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