Vibration, dynamics and noise

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Evaluación de las vibraciones y de la integridad de las tuberías

Según las directrices del Energy Institute

Los sistemas de tuberías están sujetos a fallas inducidas por vibraciones. Para mitigar ese riesgo a la integridad, se lleva a cabo una evaluación de las vibraciones de las tuberías durante la etapa de diseño y se analizan zonas de alto riesgo durante la etapa de operación. El análisis de las vibraciones de las tuberías se basa en las directrices del Energy Institute (EI) y en otras metodologías pertinentes. Véanse las  DIRECTRICES DEL ENERGY INSTITUTE PARA EVITAR FALLAS POR FATIGA INDUCIDA POR VIBRACIONES EN LAS TUBERÍAS DE PROCESo (EN INGLÉS) 

Refinery with piping      

Las directrices del Energy Institute son el enfoque recomendado para identificar y resolver los riesgos de vibración de las tuberías. Wood cuenta con amplia experiencia en el análisis de esfuerzos de tuberías, el análisis dinámico de las vibraciones, el flujo transitorio y otros estudios de diseño relacionados. Nuestro enfoque único se basa en décadas de experiencia real en el campo (resolviendo problemas) para dar solución a inconvenientes con las vibraciones de las tuberías, una ventaja única en la industria del diseño.

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1 Información general

Los problemas relativos a las vibraciones de las tuberías son un hecho real de las plantas de producción en tierra y costa afuera, plantas de tuberías, refinerías y plantas petroquímicas. Los propietarios de las instalaciones son muy cuidadosos con estos riesgos a la integridad debido a las consecuencias significativas relacionadas con el derrame de productos ocasionado por una tubería rota.

CNN: "Una investigación halla una fuga de gas de gran tamaño antes de que se produjera una explosión mortal."

"Una investigación halla una fuga de gas de gran tamaño antes de que se produjera una explosión mortal."

Figura 1: Consecuencias graves para la seguridad y el medioambiente debido a fallas por fatiga de las tuberías.

Los ejemplos recientes publicados por la prensa ponen de relieve situaciones en las que fallas en las tuberías causaron explosiones, muertes, daños al medioambiente por derrames en tierra y costa afuera, demandas y cierre de instalaciones. 

Las vibraciones pueden causar problemas de confiabilidad en los equipos, fallas por fatiga de las tuberías de proceso y elementos anexos pequeños, como líneas de alivio, puertos de instrumentos, boquillas, drenajes y válvulas. Las vibraciones en los conjuntos compresores y de bombeo también representan un problema de confiabilidad, pero se tratan en otros ámbitos de trabajo. 

2 Riesgos para las tuberías en instalaciones en tierra y costa afuera

Plantas de gas, refinerías, tuberías, estaciones de bombeo y compresión​

En un análisis de las tuberías, hay una cantidad de riesgos comunes para evaluar:
Figura 2: ejemplos de falla en las tuberías
Figura 3: ejemplo del diseño compacto de las tuberías en una unidad flotante de producción, almacenamiento y descarga
  • Las conexiones de diámetro pequeño y los elementos anexos se conectan a la tubería de proceso principal. Esos pequeños accesorios, que en general tienen menos de 8 centímetros (3 pulgadas) de diámetro, son la causa más común de problemas de integridad. Incluso si la tubería de proceso principal tiene un nivel de vibración aceptable, es posible que la vibración se amplifique en las conexiones de diámetro pequeño y cause fallas. En instalaciones grandes, puede haber miles de esas conexiones que pongan en riesgo la integridad.
  • La vibración de la tubería de proceso puede causar un exceso de esfuerzos por vibración en las boquillas y las piezas en forma de T y ocasionar grietas.
  • Fallas en las líneas de derivación, válvulas de seguridad o líneas de alivio.
  • Los acontecimientos relacionados con los transitorios, como el arranque, la detención, la parada de emergencia o el cierre y apertura de válvulas pueden causar alteraciones en la cantidad de movimiento de gas o líquido (golpe de ariete), lo cual produce esfuerzos excesivos como resultado.
  • Desgaste por fricción y daños a los soportes de las tuberías.
  • El análisis de esfuerzos de las tuberías puede estar en conflicto con los requisitos de diseño contra las vibraciones. A menos que el diseño resuelva el conflicto entre el diseño contra las vibraciones mecánicas (más rigidez para controlar las vibraciones) y el análisis de esfuerzos de las tuberías (más flexibilidad para el análisis térmico), hay riesgo de que el sistema de tuberías sufra fallas por esfuerzo.
  • En una plataforma de producción costa afuera, el espacio es limitado y en general el diseño de las tuberías es muy compacto. Como se muestra en la figura 3, la disposición compacta de las tuberías genera desafíos únicos para controlar las vibraciones.
  • El sistema de tuberías usualmente está elevado, conecta las maquinarias rotativas con los enfriadores suspendidos, los recipientes o los colectores. Las tuberías elevadas suelen ser mucho más flexibles que las tuberías conectadas rígidamente o las tuberías enterradas debido a la dificultad de diseñar soportes suficientemente rígidos (que eviten la vibración).
  • Por cuestiones de seguridad, con frecuencia se exige el uso de válvulas de doble bloqueo y purga en muchas conexiones de diámetro pequeño. La geometría de las configuraciones de esas válvulas y el gran peso que cuelga hace que haya mucha más probabilidad de esfuerzo excesivo y falla.
3 Vision general

A continuación, se hace un resumen de la evaluación de integridad de las tuberías, que incluye una evaluación del Energy Institute, el análisis del esfuerzo estático y una revisión in situ de las vibraciones:

La siguiente tabla resume cuándo es necesario cada estudio:

TIPO ANÁLISIS SISTEMA CUÁNDO ES NECESARIO
Evaluación del Energy Institute Conexiones de diámetro pequeño Todos los fluidos Las conexiones no están reforzadas o apuntaladas
Turbulencia inducida por el flujo (TIF) Todos los fluidos Sistemas de alto caudal con soportes flexibles y colocados de forma espaciada.
Vibraciones inducidas por el flujo (VIF) Solo en sistemas de gas Sistemas de alto caudal con tramos muertos
Vibraciones inducidas acústicamente (VIA) Solo en sistemas de gas Dispositivos reductores de la presión, como válvulas y placas con orificios
Golpe de ariete Solo en sistemas de líquidos Válvulas de acción rápida y situaciones de parada de emergencia
Cambio en la cantidad de movimiento Solo en sistemas de gas Purga o activación de válvula de seguridad
Cavitación/vaporización instantánea (flashing) Solo en sistemas de líquidos Dispositivos reductores de la presión, como válvulas y bombas
Análisis del esfuerzo estático Análisis de esfuerzos de las tuberías Todos los fluidos Amplia variación de la temperatura/presión
Cargas externas de las tuberías Todos los fluidos Especificaciones y normativas locales (p. ej.: zonas sísmicas)
Sujeción y diseño de la estructura Todos los fluidos Soportes flexibles o riesgo alto de vibración de las tuberías
Análisis de las cargas soportadas por las boquillas de maquinaria y equipos Todos los fluidos Maquinaria y equipos cuyas boquillas soportan cargas permisibles bajas 
Análisis avanzados Control de sobrepresiones en compresores Sistemas con compresores centrífugos Baja inercia, alta relación de presión, sistemas complejos
Análisis acústico transversal de la carcasa (ATC) Todos los fluidos (pero, en general, sistemas de gas) Tuberías con paredes de poco espesor ubicadas cerca de compresores y bombas
Análisis de pulsaciones Sistemas con compresores de pistón Sistemas de alta presión, alta potencia
Análisis de esfuerzo dinámico de las tuberías Sistemas con maquinaria de pistón Sistemas de alta presión, alta potencia
Pulsaciones transitorias Solo en sistemas de líquidos Diversas situaciones de operación con múltiples unidades en funcionamiento o fuera de funcionamiento
Análisis de campo Vibración de las tuberías (condición estable) Todos los fluidos Siempre
Análisis de la frecuencia natural mecánica (FNM) Todos los fluidos Zonas de mucha vibración o con soportes deficientes
Vibración de las tuberías (transitorios) Todos los fluidos Cuando los fenómenos transitorios causen mucha vibración
Deformación de las tuberías Todos los fluidos Cuando se sospeche la presencia de deformaciones, debido a vibraciones de alta frecuencia
Vibraciones de las conexiones de diámetro pequeño Todos los fluidos Las conexiones no están reforzadas o apuntaladas

-TIF  (turbulencia inducida por el flujo)

-VIF  (vibración inducida por el flujo)

-VIA  (vibración inducida acústicamente)

-ATC (análisis acústico transversal
           de la carcasa)
Fuentes de excitación que se analizan en nuestra evaluación de las vibraciones de las tuberías
4 Evaluación de las vibraciones y de la integridad de las tuberías: alcance

Wood recomienda seguir las directrices del Energy Institute (EI) como metodología de vista preliminar dado que siguen un proceso riguroso y sistemático para abordar los riesgos principales de vibración. Se evalúan tanto las tuberías de proceso principales como las conexiones de diámetro pequeño. Las condiciones estables y los estados transitorios deberían estar incluidos en la evaluación de las vibraciones y de la integridad de las tuberías. 

Wood ha mejorado las directrices del Energy Institute para brindar integridad superior durante el diseño y la etapa de ensayo de campo. Estas características adicionales se basan en la experiencia adquirida evaluando las vibraciones de tuberías durante los últimos 45 años.

Según la situación, el alcance recomendado podría variar:

  • Para sistemas grandes de tuberías, se recomienda realizar por completo la evaluación de las vibraciones y de la integridad (como se delinea más adelante).
  • En los casos en que el alcance se limita a las conexiones de diámetro pequeño o los elementos anexos:

Los propietarios y las empresas de ingeniería contratan a Wood al principio de un proyecto para realizar este trabajo especializado. Que Wood participe desde el principio ahorra tiempo y dinero en comparación a realizar pequeños cambios en las tuberías una vez que se ha avanzado con el proceso de diseño o construcción. 
Figura 4: evaluación de la integridad de las tuberías de una refinería (más de 1000 líneas de proceso). Se identificaron las zonas que presentaban probabilidades elevadas de falla y se brindaron recomendaciones de seguimiento para mitigar los riesgos inducidos por vibraciones que causan fallas.

Las directrices del Energy Institute usan un enfoque por etapas:

  1. Se realiza una evaluación cualitativa como herramienta de revisión para analizar las fuentes de excitación y clasificar los riesgos.
  2. Luego se realiza una evaluación cuantitativa de las zonas de mayor riesgo para determinar la probabilidad de falla. Se llevan a cabo actividades especializadas para abordar las zonas de riesgo elevado y brindar acciones correctivas.
  3. Es necesario realizar una inspección y mediciones in situ para perfeccionar la evaluación cuantitativa de una instalación as-built, o después de que una instalación nueva se haya terminado. 

El foco inicial estaría en los sistemas que se consideran fundamentales para la seguridad o para el funcionamiento. Posteriormente, se deberían evaluar otras zonas de la planta para asegurarse de que se han identificado todos los problemas potenciales. 

Etapa de ingeniería básica ampliada (FEED). Se recomienda una revisión del diseño para evitar vibraciones de las tuberías y los sistemas de maquinarias (incluyendo el plano de los patines y los cimientos). Esta revisión brinda información valiosa para las estrategias de control de las vibraciones, las tareas de ingeniería necesarias y datos para mejorar el proceso de diseño. Como resultado, se brindan recomendaciones sobre el alcance de la ingeniería y dinámica de las vibraciones, la metodología, las directrices, la planificación requerida y las consideraciones en cuanto al diseño. 

Para garantizar un diseño integrado contra las vibraciones, el alcance debería incluir las tuberías y los sistemas de soporte de compresores y bombas de pistón, compresores y bombas centrífugos y los cimientos o soportes estructurales. 

Etapa de diseño detallado. El alcance del trabajo incluye:

  1. La evaluación del sistema de tuberías y la identificación de zonas con probabilidad de falla alta, según el enfoque del Energy Institute.
  2. El análisis de estándares de diseño para conexiones de diámetro pequeño y la elaboración de hipótesis sobre los soportes de las tuberías para soportar cargas dinámicas.
  3. Recomendaciones para reducir los riesgos a la integridad.
  4. La implementación de análisis especializados cuando sea necesario (p. ej.: análisis de vibraciones inducidas por el flujo, análisis de vibraciones inducidas acústicamente, análisis de pulsaciones, estudio de transitorios).
  5. El cálculo de límites permisibles de vibración para probabilidades de falla altas en conexiones de diámetro pequeño.
  6. La integración del análisis de vibraciones con otros aspectos del proyecto, concretamente equipos de pistón, sistemas de tuberías con equipos centrífugos, y el análisis dinámico de los cimientos y la estructura, en los casos en que sea apropiado.
  7. La preparación de un plan para la medición in situ de líneas de base (relacionado con la etapa de puesta en servicio y operación).

Durante la puesta en servicio y la operación: 

se usa un análisis de elementos finitos para calcular el esfuerzo sobre las conexiones de diámetro pequeño

Figura 5: se usa un análisis de elementos finitos para calcular el esfuerzo sobre las conexiones de diámetro pequeño.
  1. Durante la operación, se lleva a cabo un análisis de la línea de base de las vibraciones para verificar los niveles de vibración. Se miden las frecuencias naturales mecánicas de las conexiones de diámetro pequeño, se inspeccionan los soportes de las tuberías para detectar deformaciones y verificar la alineación, y se realiza un análisis de vibraciones transitorias en caso de ser necesario.
  2. Se corrigen las cuestiones restantes con recomendaciones y más resolución de problemas, de ser necesario.

La realización de este trabajo de ingeniería precisa de especialistas que sean expertos en dinámica y que tengan la experiencia, las herramientas y las capacidades de campo necesarias.LEER MÁS SOBRE LOS REQUISITOS APROPIADOS CON LOS QUE DEBERÍA CUMPLIR UN PROVEEDOR

5 Ventajas de Wood

Wood tiene experiencia y habilidades únicas sobre vibraciones de tuberías, entre ellas la evaluación de proyectos a gran escala. Wood cuenta con las competencias necesarias para cumplir con los requisitos técnicos mencionados anteriormente.

Durante casi 50 años, nuestra compañía ha sido pionera en el análisis de vibraciones de máquinas y tuberías y es reconocida como líder mundial en esa área.

Nuestras competencias incluyen: 

Figura 6: el programa de análisis in situ de Wood incluye la adquisición multicanal de datos
 
Figura 7: ejemplo de una evaluación de las vibraciones de las tuberías en una refinería, que incluye la resolución de problemas.
  • Experiencia en una amplia gama de sistemas de tuberías, incluidos los siguientes elementos: refinerías, plantas petroquímicas, plantas de tuberías, unidades de inyección de agua, plataformas costa afuera y unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga.
  • Técnicas de evaluación para analizar tuberías de proceso y conexiones de diámetro pequeño, junto con métodos rentables para determinar si habrá fallas inducidas por vibraciones.
  • Implementación de proyectos grandes mediante el uso de las directrices del Energy Institute y otros enfoques y directrices pertinentes.
  • Programas patentados y probados en el campo para modelar con precisión los sistemas de tuberías, abordar las vibraciones y los esfuerzos y evaluar la eficacia de las modificaciones propuestas. Las herramientas y técnicas probadas en el campo son uno de los factores clave del éxito. Sobran los ejemplos de situaciones en las que la falta de experiencia y los programas estándar de análisis de elementos finitos no dan resultados precisos.
  • Participación en tres proyectos a gran escala diferentes con organizaciones de investigación internacionales, como el Gas Machinery Research Council, con el objetivo de encontrar soluciones para las vibraciones de tuberías y máquinas.
  • Desarrollo de productos diseñados a medida para tratar zonas de vibración de alto riesgo.
  • Experiencia en consultoría sobre diseño de tuberías, evaluación de tuberías de diámetro pequeño, análisis de causa raíz y análisis especializados necesarios para abordar problemas de alto riesgo. 
6 Resumen

To address the piping integrity risk due to vibration, many facility operators are implementing the Piping Vibration and Integrity Assessment (piping vibration audit). Avoiding these risks has many benefits to employees, managers, operations staff, shareholders, and society as a whole. Such benefits include:

  • Increased safety
  • Reduced environmental risk
  • Increased uptime for operations
  • Reduced unplanned downtime and failures
  • More accurate integrity data for the Integrity Management System
  • Overall reduced operating risk
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9 Palabras clave
  • Directrices del Energy Institute 2008
  • Vibración de las tuberías
  • Fallas en las tuberías inducidas por las vibraciones
  • Directrices para fallas por fatiga inducida por las vibraciones
  • ISBN 978 0 85293463 0
  • Vibraciones del sistema de tuberías

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