Vibraciones estructurales y formas de evitarlas

(Plataformas, unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga)

Las cargas dinámicas pueden aparecer de diversas formas. Hay dos parámetros que pueden caracterizar a tales cargas: su magnitud y su contenido de frecuencias. Estas cargas dinámicas se pueden reemplazar con cargas estáticas cuando su contenido de frecuencias es bajo si se compara con la frecuencia natural de la estructura en las que se aplican. A veces se las llama análisis o cargas cuasiestáticas para recordar que se está efectivamente pronosticando el efecto de las cargas dinámicas que se tratan como su equivalente estático. La mayoría de las cargas medioambientales (viento, movimientos sísmicos, oleaje, transporte) se pueden reemplazar por sus equivalentes cuasiestáticos.

Cuando el contenido de las frecuencias de una carga dinámica y las frecuencias naturales de la estructura están en el mismo rango, esta aproximación se invalida. Éste es el caso para la mayoría de la maquinaria (compresores, bombas, motores, etc.) que produce cargas cuyo contenido de frecuencias se superpone con las frecuencias naturales de la estructura en la que se han montado (plataformas, unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO), etc.). En estos casos, solo un análisis dinámico podrá pronosticar con exactitud la amplificación de la respuesta de la estructura. Tales cargas no se podrán reemplazar por sus equivalentes cuasiestáticos.

Lo que hace que estos análisis sean un desafío mayor es el hecho de que la maquinaria, su equipo y el patín no se pueden ver como cajas negras, ya que interactuarán con las cimentaciones, la plataforma o la FPSO y la única manera de conocer la magnitud de esta interacción es la de realizar un análisis dinámico de la estructura en el que se incluya la cimentación. Ésta es una consideración crítica que, cuando se pasa por alto, reduce considerablemente la confiabilidad de la máquina y que puede incluso causar problemas de seguridad. 

1 Vibración y resonancia de la estructura

Figura 1: La resonancia y las vibraciones en estructuras costa afuera son un problema común.

La vibración de la estructura ocurre cuando las fuerzas generadas por los compresores, bombas y motores hacen que vibren las vigas de la cubierta. Esta vibración produce fallas en las tuberías, una confiabilidad del equipo deficiente y problemas de seguridad. La vibración se debe a que la estructura presenta resonancia mecánica. El término “resonancia” se da cuando las fuerzas dinámicas coinciden con las frecuencias naturales de la estructura de soporte. En resonancia, las fuerzas se amplifican hasta 20 veces y hacen que las vigas de la cubierta vibren sobre los límites de operación seguros.

Consulte las herramientas de capacitación módulo 1 (vIdeo)de Beta para obtener una explicación más detallada sobre la resonancia.

Los problemas de resonancia en la estructura no se limitan a los equipos de potencia mayor, sino que también se desencadenan en compresores y bombas de pistón más pequeños, como claramente se muestra en los ejemplos de abajo. La mejor herramienta para evitar la resonancia de la estructura es un adecuado 
análisis de diseño dinámico y de vibraciones estructurales

2 Ejemplos de resonancia estructural

La resonancia estructural es un problema común, pero se puede evitar. Estos y muchos otros ejemplos muestran los problemas de resonancia y de vibraciones estructurales y los métodos utilizados para evitar este tipo de vibraciones (contacte con Wood para obtener más detalles):

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Figura 2: verificación de campo para vibraciones en el patín y en las vigas de la estructura

Figura 3: la evaluación de la carga por tormenta es un ejemplo de análisis cuasiestático. Cortesía de Shell International Limited

• Ejemplo 1: compresor elevador de presión de gas combustible de 750 HP. La vibración estructural es 10 veces mayor que los valores permisibles según las directrices, incluso con refuerzos muy grandes que soporten este patín (figura 2).
• Ejemplo 2: un sistema de bombeo pequeño produjo resonancia, vibraciones y una falla continua de los componentes del tren motriz, afectando así a la confiabilidad en un proceso crítico.
• Ejemplo 3: proyecto de reacondicionamiento que consiste en la instalación de compresores nuevos en una plataforma ya existente. Esta exitosa instalación ilustra los requisitos técnicos para el diseño y la puesta en servicio de proyectos costa afuera.
• Ejemplo 4: unidad flotante de producción, almacenamiento y descarga (FPSO) con tres compresores grandes montados en un módulo. Este estudio de caso muestra el enfoque integrado entre las dinámicas del patín del compresor y el análisis dinámico de la estructura.

3 Análisis de vibraciones estructurales vs. análisis estático

Se recomienda realizar análisis estático, cuasiestático y de vibraciones estructurales (dinámico)  en instalaciones de producción costa afuera. Ya que estos términos pueden ser confusos, esta sección explica las diferencias y quién debería participar en la evaluación.

El análisis estático se centra en evaluar los esfuerzos y el pandeo de los miembros bajo cargas constantes. Las cargas constantes también se pueden describir como cargas aplicadas a una frecuencia de 0 hercios (Hz). Este tipo de análisis también se puede centrar en la deflexión de los componentes del patín ya que pueden afectar al alineamiento de los equipos.

El análisis cuasiestático evalúa los efectos de las cargas que son periódicas, pero a una frecuencia lo bastante baja respecto de las frecuencias naturales del conjunto de equipos como para poder despreciar los efectos de la inercia de la estructura.  Estos tienden a tener una frecuencia de menos de 3 ciclos por segundo o 3 Hz.

El análisis de vibraciones (dinámico) de la estructura predice los efectos dinámicos de la propia maquinaria, de modo que se puede evitar la resonancia. Las cargas dinámicas abarcan desequilibrios, desalineaciones, fuerzas de pulsación, fuerzas del cabezal transversal, fuerzas del gas en el cilindro, momentos y otras (observe en la figura 5 un ejemplo de fuerzas dinámicas en un compresor de pistón). Las cargas relacionadas con la maquinaria ocurren a lo largo de diferentes bandas de frecuencia y puede causar una resonancia estructural localizada.

El análisis dinámico de la estructura se centra en evaluar los niveles de vibraciones y los esfuerzos. Es importante limitar las vibraciones de los miembros de la estructura para controlar las vibraciones del equipo, recipientes y tuberías que están fijadas a la misma. Si algún miembro del patín presenta vibraciones altas, entonces estos componentes también experimentarán muy probablemente vibraciones altas.

Los rangos de frecuencias de cargas aplicables y los criterios de diseño asociados para estos tres tipos de análisis se presentan en la figura 4 y en la tabla 1 (abajo).

Figura 4: Criterios de diseño para los análisis estáticos, dinámicos y cuasiestáticos.

Tabla 1: comparación de los estudios de diseño de la estructura
Análisis estático	Análisis cuasiestático	Análisis (dinámico) de vibraciones
Cargas:          Cargas muertas, en las que se incluye el peso del equipo permanente Cargas térmicas, que incluyen fuerzas creadas por cambios de temperatura y presión Par motor de compresores y motores Cargas de izamiento y arrastre cuando se mueve el patín con grúas o cabestrantes. Estas cargas pueden incluir un factor de carga que considere el impacto de paradas repentinas o del movimiento del equipo de izamiento (por ejemplo, izadores costa afuera). Un factor de carga entre 1,15 y 2,0 es común Ángulo de escora, que crea cargas horizontales cuando un barco se inclina hacia un lado	Cargas:  ​   Cargas medioambientales, entre las que se incluyen el viento, la corriente, el oleaje, los movimientos sísmicos, el hielo, el movimiento de ierra y la presión hidrostática que ocurren en cualquier dirección Cargas de construcción, entre las que se incluyen cargas de equipos en barcos, transporte e instalación El análisis de la fatiga se puede realizar sobre ciertas cargas como las causadas por las olas	Cargas – Ejemplo de un compresor de pistón (otras cargas ocurren en bombas):   Fuerzas de desequilibrio creadas por los pesos rotativos y de pistón (por ejemplo, cigüeñales, ensamblajes del pistón) Fuerzas de gas en el cilindro creadas por la diferencia de presión entre los extremos del lado del cigüeñal y del lado del cigüeñal. Fuerzas verticales en las guías de la cruceta Fuerzas de vibraciones inducidas por pulsaciones en el sistema de tuberías Desalineación Par motor de rotación en motores Vibraciones torsionales, que podrían causar vibraciones horizontales de la estructura del compresor

4 Un enfoque optimizado del diseño reduce el peso, los costos y evita la resonancia

Un enfoque común de la industria es el de incrementar el tamaño y la posición de las vigas de la cubierta. Este enfoque puede añadir considerable peso y costos de construcción a la instalación – más allá de lo que es práctico, y no garantiza que se evite la resonancia.

El enfoque recomendado para el análisis dinámico es preparar un modelo de elementos finitos exacto sobre las cargas dinámicas, el patín y los miembros de la estructura afectados. A través de los años, Wood ha desarrollado un número de técnicas especializadas para asegurar la exactitud de los modelos de elementos finitos. El modelo aprobado, combinado con las fuerzas dinámicas, se utiliza para identificar las resonancias locales y evaluar las posibles soluciones.

El diseño de los soportes de acero de la estructura para un conjunto compresor o de bombeo debe equilibrar la rigidez, la masa y el costo. Una rigidez alta puede ayudar a evitar los problemas de vibraciones, pero un uso excesivo de vigas sobredimensionadas afectará a la masa y al costo. Un diseño optimizado identifica donde se puede añadir o quitar acero en los puntos clave para maximizar la rigidez y minimizar los costos. Este enfoque optimizado le proporcionará al cliente ahorros de dinero significativos – muy superiores al costo por honorarios de ingenieros.

5 Integración de las dinámicas de la estructura con las del patín y el sistema de maquinaria

Durante el proceso de diseño, los ingenieros estructurales realizarán un análisis estático. Un especialista en análisis dinámico, como Wood, realizará el análisis de vibraciones en la estructura porque está integrado en el análisis dinámico de patines y en el modelaje dinámico de sistemas de bombeo/compresores.

Hay muchas razones por las que una empresa de ingeniería especializada en vibraciones/dinámica (como Wood) es elegida para completar el análisis dinámico de la estructura:

• La evaluación depende de la compresión precisa de las fuerzas dinámicas de la maquinaria (frecuencia, amplitud, cambios de la condición de operación, etc.). Estas fuerzas se determinan en los estudios de pulsaciones, análisis mecánico y otras evaluaciones que no han sido realizadas por los ingenieros estructurales.
• El modelo dinámico de elementos finitos (EF) tiene muchas modificaciones y cambios comparado con el modelo estático. Estas modificaciones se basan en pruebas de campo de las plataformas y unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO) que utilizan equipos de pruebas de vibraciones, estudios dinámicos de vibraciones y otras medidas in situ. Se necesita aplicar los resultados de campo a los modelos de elementos finitos para asegurar resultados exactos. Wood tiene décadas de análisis dinámico in situ que da como resultado evaluaciones de diseño mejores y cálculos más exactos.
• Las hipótesis adecuadas de las condiciones de contorno son necesarias para obtener unos resultados exactos. Dos unidades idénticas en una misma plataforma podrían comportarse de una forma completamente diferente cuando están sujetas a cargas dinámicas. Esto sucede porque la flexibilidad de la estructura de soporte influye en su comportamiento dinámico. Los estudios dinámicos de maquinaria y patines están integrados con el modelo de la cubierta para asegurar que existen unas condiciones de contorno exactas.
• Basado en la experiencia de Wood, se necesita el modelo de EF creado en ANSYS o un simulador equivalente. Para mejorar la eficacia del análisis, Wood ha desarrollado técnicas para traducir los modelos estructurales en un software de modelaje dinámico.

Se producen problemas costosos cuando se utiliza un enfoque simplificado para el análisis dinámico de la estructura. Basándose en numerosas experiencias de campo, Wood ha desarrollado un enfoque exacto y rentable para proyectos costa afuera nuevos y de reacondicionamiento.

6 Resumen

La resonancia estructural es un problema común en las instalaciones de producción costa afuera que causa fallas relacionadas con la vibración en los sistemas de maquinaria y de tuberías.

Una vez que la instalación está construida, es muy caro modificar las vigas estructurales de la cubierta para arreglar un problema de vibraciones. Un enfoque más apropiado sería el de realizar un análisis de vibraciones estructurales de zonas específicas de la cubierta o de la plataforma. Durante la fase de diseño, es fácil realizar cambios pequeños en la orientación y diseño de las vigas para evitar la resonancia. Este análisis dinámico está coordinado con el diseño para evitar vibraciones de un equipo rotativo y de pistón de gran tamaño.

No se debe confundir el análisis (dinámico) de vibraciones estructurales con el análisis cuasiestático de las cargas producidas por el viento y las olas. Éste es un análisis diferente que está integrado con otros estudios dinámicos (patines y conjuntos compresores o de bombeo).

Wood tiene décadas de experiencia realizando los estudios dinámicos y de vibraciones para instalaciones de producción y es el líder mundial en servicios de campo y de diseño de ingeniería.

Figura 5: fuerzas dinámicas comunes del compresor de pistón

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