Análisis mecánico y de pulsaciones: bombas de pistón

Este análisis incluye un estudio de las pulsaciones, una revisión mecánica, un análisis de separación de frecuencias mecánicas y un análisis de respuesta forzada (según API 674, API RP 688), cuando es necesario.

INFORMACIÓN GENERAL

Las bombas de pistón (incluidas las bombas de diafragma, las bombas de émbolo buzo y otras bombas de desplazamiento positivo) se usan en muchas aplicaciones, entre ellas las plantas de producción de hidrocarburos y refinerías. 

Generalmente, es necesario hacer un análisis de pulsaciones y un análisis mecánico de las bombas de pistón nuevas o modificadas, para evitar problemas típicos como: 

• ​La vibración excesiva de las tuberías y las fallas de las mismas.
• Las fallas de las conexiones de diámetro pequeño.
• La cavitación inducida por pulsaciones de presión.
• La apertura indeseada de válvulas de seguridad debido a las pulsaciones.
• La dinámica inadecuada de las válvulas de las bombas, que acorta la vida útil de las válvulas y reduce la capacidad de flujo.

El análisis mecánico y de pulsaciones se aplica durante la etapa de diseño. Junto con este análisis, es común que se realice también el análisis de las tuberías de diámetro pequeño y el análisis de las vibraciones estructurales y del diseño dinámico si la bomba se monta sobre estructuras de acero. 

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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:

• Análisis mecánico y de pulsaciones (véase 1.1 y 1.2)
• ANÁLISIS DE ESFUERZOS DE TUBERÍAS (ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD TÉRMICA DE LAS TUBERÍAS)
• EVALUACIÓN DE CONEXIONES DE DIÁMETRO PEQUEÑO

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

• DISEÑO Y ANÁLISIS DE PATINES
• ANÁLISIS DEL DISEÑO Y DE LA DINÁMICA DE LOS CIMIENTOS (EN TIERRA)
• ANÁLISIS DE LAS VIBRACIONES DE LA ESTRUCTURA Y DEL DISEÑO DINÁMICO (COSTA AFUERA)

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

Para ayudarlo a determinar cuáles son los servicios necesarios para su aplicación de bombeo, establezca la categoría de riesgo de la aplicación usando la GUÍA DE APLICACIÓN PARA PULSACIONES DE BOMBAS (PDF, EN INGLÉS)o contáctese con nuestro soporte de aplicaciones para recibir asistencia.

1.1 Análisis de pulsaciones (también llamado análisis acústico)

​A este estudio también se lo conoce como enfoque de diseño 2 (DA2) según la terminología API 674 y se aplica en unidades con riesgo intermedio, de acuerdo con nuestra GUÍA DE APLICACIÓN (PDF, EN INGLÉS)

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:

• Condiciones de operación. Se lleva a cabo un análisis de las condiciones de operación para evaluar el funcionamiento de la bomba a lo largo de todo el rango de parámetros de operación. En el servicio estándar, se evalúan hasta 20 condiciones de operación.
• Niveles de pulsación. Se evalúan los niveles de pulsación en función de los cambios de rendimiento de las válvulas de las bombas. Los niveles de pulsación se ven influenciados drásticamente por el comportamiento de las válvulas de las bombas.
• Condiciones anormales. Se informan los efectos de las condiciones anormales, como los niveles de pulsación cuando falla la válvula de una bomba y se desactiva la carrera del pistón. Las características de las vibraciones y las pulsaciones se ven muy influenciadas por la cantidad de terminales hidráulicos (fluid ends) activos.
• Pulsaciones y otras cargas dinámicas. Wood evalúa las pulsaciones y otras cargas dinámicas para las condiciones provistas, incluidas las presiones, las temperaturas, la composición y los rangos de velocidad.
• Pulsaciones de presión. Usando el programa de simulación MAPAK, Wood 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 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 cargados con gas, recipientes para el control de pulsaciones disponibles en el mercado, placas con orificios, resonadores o realizando modificaciones en las tuberías. Las pulsaciones (presión y fuerzas) se controlan según la norma API 674 (versión más reciente) y otras directrices probadas en el campo.
• Caída de la presión. Como característica estándar, Wood evalúa la caída de la presión estática y total (según API 618). La caída de la presión total incluye las pérdidas por caída de la presión dinámica.
• Análisis de la sujeción de las tuberías o 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 informes. El programa DataMiner™ de Wood y nuestro enfoque de elaboración de informes brindan información valiosa sobre las hipótesis en cuanto a las pulsaciones y el rendimiento de las bombas.

Forma de desviación operativa provocada por las fuerzas de trepidación acústica de la 3ra interetapa a 11 Mz   (2X, 330 r.p.m.) Este modelo acústico del sistema de tuberías 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.

REDUCCIÓN DE LAS FUERZAS DE PULSACIÓN
Estado original del sistema de tuberías (Sin estudio de pulsaciones)	Después del estudio de pulsaciones de Wood (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

1.2 Análisis mecánico

Este estudio forma parte de un enfoque de diseño 2 (DA2) según la terminología API 674 e incluye las siguientes características.

• Modelo de elementos finitos. Wood genera rápidamente un modelo preciso de elementos finitos de las bombas, 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 de la bomba o de todo el patín y cimientos. Para garantizar resultados precisos, Wood 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.
• 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 de la velocidad de pasada del pistón y deberán alejarse un 20% de otros órdenes que tengan fuerzas significativas.
• Resultados y elaboración de informes. Se proporciona un informe detallado, donde se resumen las recomendaciones y los resultados mecánicos.

En el análisis mecánico, se requieren modelos de elementos finitos precisos del sistema de tuberías de las bombas 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 requiere experiencia de campo y mediciones para determinar con precisión las condiciones límite, las fuerzas dinámicas y brindar recomendaciones prácticas para evitar problemas.

1.3 Opciones

A continuación, se detallan las opciones que usualmente son necesarias.

1. Conexiones de diámetro pequeño. Wood 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. 
   EVALUACIÓN DE CONEXIONES DE DIÁMETRO PEQUEÑO
2. Condiciones de operación adicionales. Para algunas aplicaciones, definir 20 puntos de operación (incluidos en el análisis estándar) 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. Wood puede brindar asistencia para definir la cantidad recomendada de condiciones por analizar.
3. Análisis de respuesta forzada. Este análisis se recomienda 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 las bombas (incluidas las fuerzas elásticas producidas por los fluidos, las fuerzas de pulsación, los momentos y pares de fuerzas) y evalúa las vibraciones y los esfuerzos según las normas API 674 y otras directrices de la industria. Hay dos zonas donde se lleva a cabo este análisis:​
   • Sistema distribuidor de la bomba: análisis de los amortiguadores y de las tuberías que rodean el bastidor de la bomba.
   • Tuberías alejadas del sistema distribuidor: 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.
4. Tuberías alejadas del patín o tuberías de la estación. Wood evalúa las pulsaciones de las tuberías que están lejos del conjunto de bombas (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 de bombas o sea necesario evaluar las pulsaciones en los colectores y en el sistema de tuberías de la planta.
5. Análisis de múltiples unidades (interacción entre unidades). Cuando hay muchas bombas conectadas entre sí, en serie o en paralelo, Wood evalúa las pulsaciones en los colectores y en el sistema de tuberías de la planta, incluida la interacción entre las unidades.

Análisis del golpe de ariete. También llamado análisis de fenómenos transitorios de sistemas de líquidos. Es otro estudio adicional que a veces se precisa cuando las bombas de pistón y los sistemas de tuberías se ven afectados por fenómenos transitorios como los cortes de energía, la oscilación de las válvulas, el cierre repentino de las válvulas de seguridad y otras causas. Algunos operadores exigen investigar los transitorios del sistema para garantizar la integridad en condiciones anormales. 
VÉASE EL ANÁLISIS DEL GOLPE DE ARIETE

2 Ventajas de Wood

Wood 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.
• Año tras año, invertimos considerablemente en herramientas de simulación acústica y en verificaciones basadas en el campo para garantizar que nuestro programa MAPAK sea de primerísima línea. (La 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 y que no está disponible en los programas disponibles en el mercado usados por empresas pequeñas).
• 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 debido a que hacemos foco en la calidad, las revisiones técnicas y la comunicación eficaz con el cliente para 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.
• Contamos con un equipo de ingenieros que trabajan a tiempo completo para ayudar a realizar verificaciones iniciales o brindar asistencia in situ a nivel mundial.
• Técnicas comprobadas en la práctica para el modelado de vibraciones mecánicas y pulsaciones. (Nótese que otras empresas no cuentan con ingenieros trabajando a tiempo completo que brinden la información de campo y la verificación de modelos necesarias para el proceso de diseño, por lo cual solo brindan resultados teóricos).
• Asistencia al cliente mediante el personal situado en Houston, Texas; Calgary, Canadá; Kuala Lumpur, Malasia; y Tianjin, China.
• Solución para las vibraciones completamente integrada, que abarca el diseño y la asistencia en el campo para compresores, bombas y tuberías, con el fin de cumplir con las exigencias de confiabilidad e integridad.
• Participamos (y somos líderes) de proyectos de investigación en la industria para el Gas Machinery Research Council (GMRC), gracias a lo cual obtenemos conocimiento y experiencia superiores.

Wood 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 contra las pulsaciones, Wood es capaz de ofrecer una cantidad de servicios y características únicos, entre ellos: análisis mecánico y de pulsaciones precisos que benefician 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 de 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

El análisis mecánico y de pulsaciones de bombas de pistón es muy similar al análisis ofrecido para los compresores de pistón. Para acceder a explicaciones sobre los problemas, por favor remítase a nuestro centro de información, donde encontrará videos y artículos relacionados con estos temas.

​

• ESPECIFICACIONES PARA SOLICITAR UN ESTUDIO DE DISEÑO CONTRA VIBRACIONES (PDF, EN INGLÉS)
• CONSEJOS PARA UN ANÁLISIS DE VIBRACIONES EXITOSO
• Directrices y referencias recomendadas
• ABRAZADERAS PARA TUBERÍAS, PARA CONTROLAR LAS VIBRACIONES

Artículos sobre bombas:

• EL DISEÑO DEFICIENTE DE LAS BOMBAS PUEDE LIMITAR LAS OPERACIONES (PDF, EN INGLÉS)
• EFECTOS DE LARGO ALCANCE DEL CONTROL INADECUADO DE LAS PULSACIONES (PDF, EN INGLÉS)
• LoS DEFECTOS DEL DISEÑO DE UNA BOMBA DE PISTÓN PROVOCAN UNA PARADA NO PROGRAMADA DE UNA PLATAFORMA PETROLERA (PDF, EN INGLÉS)
• LA INTEGRIDAD DE LOS AMORTIGUADORES DE PULSACIONES EN LOS SISTEMAS DE LÍQUIDOS (PDF, EN INGLÉS)
• SELECCIÓN INCORRECTA DE VÁLVULAS EN BOMBAS DE ÉMBOLO BUZO (PDF, EN INGLÉS)

Ejemplos en video:

• VIDEOS Y ANIMACIONES (VER VIDEOS SOBRE PULSACIONES Y BOMBAS)

5 Servicios relacionados

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

• EVALUACIÓN DE CONEXIONES DE DIÁMETRO PEQUEÑO
• ANÁLISIS DE LA VIBRACIÓN TORSIONAL
• ANÁLISIS DE ESFUERZOS DE TUBERÍAS (ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD TÉRMICA DE LAS TUBERÍAS)
• DISEÑO Y ANÁLISIS DE PATINES
• ANÁLISIS DEL DISEÑO Y DE LA DINÁMICA DE LOS CIMIENTOS
• ANÁLISIS DEL GOLPE DE ARIETE

6 Palabras clave

• Análisis de pulsaciones API 674 
• Estudio acústico
• Amortiguadores​

Información más relacionada

Pulsaciones en tuberías de succión (bomba de pistón)  •   Ejemplos de vibración en bombas (vídeo, en inglés)  •