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Análisis mecánico y de pulsaciones: compresor de pistón

Este análisis incluye un estudio de las pulsaciones, una revisión mecánica, un análisis de separación de frecuencias mecánicas y, cuando es necesario, un análisis de respuesta forzada (según API 618, API RP 688 y las directrices del GMRC para compresores de alta velocidad).

API 618 Pulsation & Mechanical Analysis: Reciprocating Compressor station

En compresores con menos de 750 r.p.m., el estudio se realiza según lo estipulado en API 618, la norma en cuanto a vibraciones y pulsaciones de compresores de baja velocidad.

Para compresores con velocidades más altas, se usan las directrices del GMRC para compresores de alta velocidad y API 668 para definir los requisitos contra las vibraciones. Las directrices del GMRC se basan en las normas API, pero fueron ampliadas para incluir las exigencias únicas de los compresores de alta velocidad. 

Este análisis mecánico y de pulsaciones se aplica durante la etapa de diseño. Junto con este análisis, es común también realizar un análisis de las vibraciones torsionales, un análisis de las tuberías de diámetro pequeño y otros estudios de ingeniería relacionados que se llevan a cabo en conjuntos compresores.

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1 Alcance

Un estudio de las vibraciones comprende diferentes componentes de diseño, en función del riesgo y la aplicación. Los requisitos estándares generalmente incluyen:

En función de la aplicación, podrían ser necesarios los siguientes estudios:

Usualmente, estos servicios se prestan en conjunto para abordar todos los riesgos de vibración relacionados con los compresores, incluido el sistema de tuberías que está fuera del patín. Nótese que BETA también puede brindar asistencia en las instalaciones para controlar las vibraciones de bombas y sistemas de tuberías relacionados.

Los dos pasos siguientes ayudan a determinar qué servicios se necesitan para su aplicación de compresión:

  1. Determinar la categoría de riesgo de la aplicación. Contáctese con nuestro soporte de aplicaciones para recibir asistencia o use la ​TABLA DE BETA PARA CLASIFICACIÓN DEL RIESGO (EXCEL, EN INGLÉS)
  2. En función del riesgo, determinar el alcance de trabajo recomendado.
    Para más información sobre el alcance y opciones, véanse los​ REQUISITOS DE DISEÑO PARA COMPRESORES DE PISTÓN
1.1 Análisis (acústico) de las pulsaciones
REDUCCIÓN DE LAS FUERZAS DE PULSACIÓN
   
Estado original del sistema de tuberías
(Sin estudio de pulsaciones)
Después del estudio de pulsaciones de BETA
(Uso del programa de simulación en el tiempo)

Fuerzas superiores a 11.000 lbf

Fuerzas menores a 200 lbf, muy por debajo de los valores de referencia

El análisis (acústico) de las pulsaciones se aplica en unidades con riesgo "intermedio" y "alto".
Véase la TABLA DE CLASIFICACIÓN DEL RIESGO (EXCEL, EN INGLÉS)

DataMiner pulsation forces

El programa DataMiner® analiza las pulsaciones de presión, las fuerzas y otros problemas de vibraciones, en cientos de condiciones y zonas del sistema de tuberías. Vea por qué DataMiner agrega valor a sus proyectos​ Leer más

Las características incluyen:

  • Dimensionamiento de amortiguadores de pulsaciones: hay disponible una  HERRAMIENTA EN LÍNEA DE DIMENSIONAMIENTO DE AMORTIGUADORESque sirve como punto de partida para el diseño de compresores. Para que sea posible encargar los cabezales y las carcasas con tiempo, BETA puede completar una evaluación del tamaño de los amortiguadores de pulsaciones en 2 a 4 días hábiles (generalmente).
  • Verificación del rendimiento: el análisis del rendimiento de un compresor se puede usar para evaluar el funcionamiento de un compresor a lo largo de todo el rango de parámetros de operación.
  • En el servicio estándar, se evalúan hasta 20 condiciones de operación.
  • ADVERTENCIA: En algunas aplicaciones, no es posible evaluar exhaustivamente el mapa de operación con solo 20 puntos. Algunas regiones importantes se saltearán y eso podría generar pulsaciones excesivas. En esos casos, se deberían evaluar más condiciones (véase la opción 1.3 descrita más adelante).
  • BETA evalúa las pulsaciones y otras cargas dinámicas para las condiciones provistas, incluidas las presiones, las temperaturas, la composición del gas, los espacios libres, la descarga de válvulas y los rangos de velocidad. 
  • Pulsaciones de presión: usando el programa de simulación MAPAK, BETA evalúa la magnitud de las pulsaciones de presión y las fuerzas de trepidación inducidas por pulsaciones en los sistemas de tuberías. Se recomienda la simulación acústica en el dominio del tiempo para realizar un análisis de pulsaciones más preciso, en comparación con el antiguo enfoque de simulación en el dominio de la frecuencia. MÁS INFORMACIÓN SOBRE PROGRAMAS PARA PULSACIONES
  • Control de las pulsaciones: las pulsaciones se controlan usando filtros acústicos, amortiguadores, placas con orificios, resonadores o realizando modificaciones en las tuberías. Las pulsaciones (presión y fuerzas) se controlan según la norma API 618 (versión más reciente) y otras directrices probadas en el campo.
  • Fuerzas del cilindro: las fuerzas de pulsación entre el cilindro y los amortiguadores de pulsaciones también se evalúan usando las directrices de BETA, una ventaja sobre otros enfoques.
  • Caída de presión: como característica estándar, BETA evalúa la caída de la presión estática y total (según las directrices del API 618) para dispositivos de control de pulsaciones tales como placas con orificios y tubos de estrangulación. La caída de la presión total incluye las pérdidas por caída de la presión dinámica. Se evalúa el impacto del control de las pulsaciones sobre la carga del compresor y se incluye en el informe de resultados
  • Análisis de la sujeción de tuberías (revisión mecánica): incluye una evaluación de la ubicación de los soportes de las tuberías mediante el uso de tablas, cálculos empíricos y buenas prácticas de diseño técnico.
  • Resultados y elaboración de informe: el programa DataMiner de BETA y nuestro enfoque de elaboración de informes brindan información valiosa sobre las hipótesis en cuanto a las pulsaciones y el rendimiento del compresor. 

El modelo acústico del sistema de tuberías (izquierda) se usa para determinar la presión de pulsación y las fuerzas desequilibradas en todas las condiciones de operación y zonas del sistema. El ejemplo muestra el 3er sistema intermedio. Las flechas rojas representan la magnitud de las fuerzas. Los amortiguadores de control de pulsaciones (derecha) contienen tubos de estrangulación, chapas divisorias y cámaras de volumen. Filtran y amortiguan las pulsaciones y se reducen las fuerzas a niveles aceptables.

1.2 Análisis mecánico
1.2.1 Separación de frecuencias

El primer paso en un análisis mecánico es de determinar las frecuencias naturales mecánicas (FNM) del sistema, identificar los lugares y los momentos en que podría ocurrir la resonancia y brindar recomendaciones para mejorar el diseño.

Este estudio forma parte de un enfoque de diseño 3 (DA3) según la terminología API 618 e incluye las siguientes características.

  • Modelo de elementos finitos: BETA genera rápidamente un modelo preciso de elementos finitos del compresor, los recipientes, el sistema de tuberías y las zonas clave del patín (si corresponde). Para obtener resultados mucho más precisos, se puede incluir un modelo detallado del bastidor del compresor o de todo el patín y cimientos. Para garantizar resultados precisos, BETA usa ANSYS en todos los modelos de elementos finitos. Para esta aplicación, no se recomiendan algunos programas de análisis de elementos finitos de tuberías.
  • Precisión: las geometrías complejas se calculan con precisión usando mallas de simulación o elementos sólidos. Se incluyen las inercias de rotación. Las condiciones límite, como las conexiones de los depuradores a la base y los detalles del cilindro, se modelan con precisión en función de los datos recolectados por BETA durante más de 40 años de pruebas in situ de cilindros de compresores reales para la mayoría de los fabricantes de equipos originales.
  • Frecuencias naturales mecánicas (FNM): se determinan las frecuencias naturales mecánicas y las formas modales de los componentes principales del sistema y se publican los resultados en el informe.
  • Separación de frecuencias: las frecuencias naturales mecánicas deberán mantener un 20% de margen de separación por encima del doble de la velocidad de marcha del compresor y deberán alejarse un 20% de otros órdenes que tengan fuerzas significativas.
  • Resultados y elaboración de informe: se proporciona un informe detallado, donde se resumen las recomendaciones y los resultados mecánicos.

Más información en este video: ANÁLISIS MECÁNICO PARA COMPRESORES DE PISTÓN (VIDEO, EN INGLÉS)

En el análisis mecánico, se precisan modelos precisos de elementos finitos (arriba) del sistema de tuberías del compresor para determinar las frecuencias naturales mecánicas y evitar la resonancia. Los modelos también se usan en estudios de respuesta forzada (véase la opción más adelante) para determinar las vibraciones y las amplitudes de esfuerzo. Se precisa de experiencia de campo y mediciones para determinar con precisión las condiciones límite, las fuerzas dinámicas y brindar recomendaciones prácticas para evitar problemas.

1.2.2 Análisis de la respuesta forzada

Este análisis es un requisito según API 618 para los casos en que no se pueda cumplir con las recomendaciones de separación de frecuencias o no se puedan poner en práctica. El estudio abarca todas las fuerzas significativas de los compresores (incluidas las fuerzas del gas del cilindro, las fuerzas de pulsación, la excitación torsional y lateral —opciones descritas a continuación, etc.) y se evalúan las vibraciones y el esfuerzo según las directrices API 618. Hay dos zonas donde se lleva a cabo este análisis: 

  • Sistema distribuidor del compresor: (paso 3.b.1, anteriormente llamado estudio M6 según API) comprende el análisis de los amortiguadores, los depuradores y las tuberías que rodean el bastidor del compresor.
  • Tuberías que están lejos del sistema distribuidor: (paso 3.b.2 del análisis dinámico de esfuerzos de la tubería, anteriormente llamado estudio M7) se recomienda para los casos en que no se pueda cumplir con los valores de referencia para las fuerzas de pulsación o para los casos en que no se puedan implementar las recomendaciones del análisis de separación de frecuencias.
1.3 Opciones

Las siguientes opciones se añaden con frecuencia al estudio del enfoque de diseño 3 (DA3) del API 618 (o la directriz de alta velocidad del GMRC), descrito en las secciones 1.1 y 1.2:


  •  

     
    Conexiones de diámetro pequeño: BETA brinda una gama de servicios para diseñar, analizar y poner a prueba las conexiones de diámetro pequeño, según la aplicación y la tolerancia al riesgo que tenga el cliente 
    OPCIONES DE SERVICIOS PARA CONEXIONES DE DIÁMETRO PEQUEÑO
  • Condiciones adicionales de operación (más allá de las 20 condiciones incluidas en el análisis estándar). Para algunas aplicaciones, definir 20 puntos de operación no alcanza para cubrir el rango de condiciones de operación y fases de carga que se necesitan para garantizar la evaluación de todas las zonas potencialmente problemáticas en cuanto a las pulsaciones y las vibraciones. BETA puede brindar asistencia para definir la cantidad recomendada de condiciones por analizar.
  • Excitación torsional y lateral: se evalúa el riesgo de excitación torsional y lateral del bastidor y distribuidor del compresor, el impacto de las vibraciones y las opciones de mitigación. Esta opción se recomienda para aplicaciones con muchos caballos de fuerza. Cuando BETA realiza el análisis torsional, el costo del servicio es mínimo porque hay una estrecha integración entre el análisis torsional y mecánico. Se calculan las fuerzas generadas por la respuesta torsional del cigüeñal y se incluyen como datos adicionales en el análisis de respuesta forzada. Al incluir TODAS las fuerzas significativas que actúan sobre el compresor, BETA evalúa las vibraciones y los esfuerzos como un sistema.
  • Tuberías alejadas del patín o tuberías de la estación: BETA evalúa las pulsaciones de las tuberías que están lejos del conjunto compresor (si se dispone de información). Este nivel adicional de análisis es útil para los casos en que los enfriadores o depuradores estén ubicados lejos del conjunto compresor o sea necesario evaluar las pulsaciones en los colectores y en el sistema de tuberías de la planta.
  • Análisis de múltiples unidades (interacción entre unidades): cuando hay muchos compresores conectados entre sí en serie o en paralelo, BETA evalúa las pulsaciones en los colectores y en el sistema de tuberías de la planta, incluida la interacción entre las unidades. Esta opción también sirve para múltiples compresores de pistón o una combinación de compresores centrífugos y de pistón.
  • Cargas por pulsaciones (análisis de rendimiento del sistema): el control de las pulsaciones da por resultado la caída de presión y la pérdida de potencia en el sistema de tuberías. Para comprender con más precisión las pérdidas de potencia y el impacto que tienen en el rendimiento de los compresores, esta opción evalúa las cargas por pulsaciones en todo el sistema de tuberías (incluidos los elementos de control de pulsaciones). Luego se entrega un informe actualizado sobre el rendimiento del compresor, basado en una comprensión precisa de las pérdidas por pulsaciones. Este servicio es útil para asegurarse de que los impulsores/compresores tengan el tamaño adecuado para aplicaciones críticas, como los compresores para tuberías.

En ocasiones, se precisan las siguientes opciones:

  • Calculo del esfuerzo del interior de los recipientes (anteriormente llamado M8, según API 618): En este análisis, se aplican fuerzas de trepidación inducidas por pulsaciones y fuerzas estáticas inducidas por presión a la carcasa y el interior del recipiente, y se calculan los niveles de esfuerzo.
  • Análisis dinámico de las válvulas del compresor (anteriormente llamado M9, según API 618). Este análisis limitado garantiza que las frecuencias naturales del compresor no se ubiquen dentro de +/- 10% de ninguna resonancia acústica y que los niveles de pulsación en la válvula no superen el 2% de la presión de la línea a frecuencias situadas entre +/-10% de la frecuencia natural de la válvula. El análisis completo (ampliado) evalúa la interacción entre las válvulas del compresor y las pulsaciones del sistema.
  • Análisis de fatiga en ciclos bajos (anteriormente llamado M10, según API 618). Este análisis se usa para predecir los esfuerzos generados por los gradientes térmicos, los transitorios térmicos y los ciclos de presión en los dispositivos de supresión de pulsaciones y en los componentes internos cuando sea requerido por la sección 2 del código ASME. Los niveles de esfuerzo se comparan con el código ASME.
  • Compresor elevador de presión de gas combustible - Dimensionamiento del tanque de compresión/estudio de transitorios: en este estudio, se calcula el tamaño del tanque de compresión para evitar cambios repentinos de la presión, inducidos por la falta de alimentación transitoria, en un compresor centrífugo debido a una reducción brusca en la presión aguas arriba (en general, como resultado de la pérdida de un compresor de pistón). BETA revisa la lógica del sistema de control de los compresores del cliente y las características de respuesta, y determina la capacidad adecuada del sistema entre los compresores de pistón y el compresor centrífugo para garantizar que no haya cambios repentinos de la presión. Leer más
  • Análisis de transitorios en tuberías de parada de emergencia (purga de gas): en aplicaciones de alta presión, como el almacenamiento de gas con compresores múltiples, los golpes de ariete y las vibraciones se generan cuando se abren las válvulas de purga en situaciones de parada de emergencia. BETA brinda recomendaciones para controlar el tiempo que se necesita para realizar la purga.
Análisis modal de un amortiguador de pulsaciones, donde se muestran la frecuencia natural mecánica y la forma modal. Análisis de fatiga en ciclos bajos (M10) de un amortiguador de pulsaciones. Cálculo del esfuerzo del interior de los recipientes (M8) 
2 Ventajas de BETA

Beta Machinery Analysis es líder mundial en análisis de pulsaciones debido a los siguientes factores únicos:

  • ​​Nuestra empresa fue pionera en el desarrollo de la simulación acústica digital en la década de 1970. Desde entonces, la empresa realiza inversiones significativas en herramientas de simulación acústica y en verificación basada en el campo para garantizar que su programa MAPAK sea de primerísima línea. Ese programa de simulación basada en el dominio del tiempo incluye la dinámica no lineal de los fluidos y las condiciones límite que varían con el tiempo, una característica importante para modelar ondas acústicas de alta frecuencia. Los programas disponibles en el mercado que usan las empresas pequeñas no cuentan con esa característica.
  • Ofrecemos más cantidad de características estándar, como el análisis mejorado del rendimiento, condiciones límite más precisas y el análisis mejorado de las tuberías que están fuera del patín.
  • Mejor control de calidad y experiencia en gestión de proyectos. Nuestro enfoque orientado hacia la calidad, las revisiones técnicas y la comunicación eficaz con el cliente hacen que los proyectos sean más exitosos.
  • Consejos que brindan respuestas para las aplicaciones y servicio continuo de atención al cliente.
  • Nuestros estudios cumplen con la norma API 618.
  • Recomendaciones prácticas y oportunas.
  • BETA cuenta con un equipo de ingenieros que trabajan a tiempo completo para ayudar a realizar verificaciones para la puesta en servicio o brindar asistencia en las instalaciones a nivel mundial.
  • Técnicas comprobadas en la práctica de modelado de vibraciones mecánicas y pulsaciones. Otras empresas proveen resultados teóricos porque no tienen ingenieros de campo trabajando a tiempo completo que brinden la información de campo y la verificación de modelos necesarias para el proceso de diseño.
  • Asistencia al cliente mediante el personal situado en Houston, Texas; Calgary, Canadá; Kuala Lumpur, Malasia; y Tianjin, China.
  • BETA ofrece una solución para las vibraciones completamente integrada, que abarca el diseño y la asistencia en el campo para compresores, bombas y tuberías. Este enfoque garantiza el cumplimiento de las exigencias en materia de confiabilidad e integridad.
  • BETA lleva a cabo proyectos de investigación en la industria para el Gas Machinery Research Council. Como resultado, hemos obtenido conocimientos y experiencia superiores.
  • BETA es miembro activo en los comités de trabajo sobre vibraciones de API y GMRC.
3 Beneficios para los clientes

Como el líder mundial del mercado en materia de servicios de diseño para la compresión, BETA es capaz de ofrecer una cantidad de servicios y características únicos, entre ellos: análisis mecánico y de pulsaciones precisos que benefician a los proveedores de paquetes de soluciones, a los fabricantes de equipos originales y a los clientes. Los beneficios incluyen una mayor confiabilidad del sistema, una reducción al mínimo de las caídas de presión y de las pérdidas de rendimiento, la optimización del tamaño de los recipientes y menores costos totales. 

Otros beneficios abarcan:

  • El control de las fuerzas de pulsación en todo el sistema de tuberías.
  • La reducción al mínimo de las vibraciones de las tuberías y los recipientes.
  • La evaluación del todo el rango de condiciones de operación.
  • Recomendaciones que mantienen el equilibrio entre todos los requisitos contrapuestos (control de pulsaciones, caída de la presión agregada, restricciones mecánicas y practicidad de implementación).
  • Eficacia en la elaboración de informes, el análisis de campo y el monitoreo. 
4 Información relacionada

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5 Servicios relacionados

Estudios comunes que podrían coordinarse con el análisis mecánico y de pulsaciones:

6 Palabras clave
  • API 618
  • Análisis acústico
  • Estudio acústico
  • DA2, DA3, M2, M4, M5, M5, M7
  • Respuesta forzada
  • Estudio análogo

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