Análisis y diseño de patines

Izamiento, carga medioambiental: diseño estático y dinámico

Para nuevos diseños de patines, se requiere realizar un análisis dinámico para resolver los problemas de vibración. Además del análisis dinámico, también se deben abordar otros criterios de diseño. 

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1 Retos del diseño de patines

La mayoría de los conjuntos compresores y de bombas están montados sobre plataformas de acero o placas base. Diseñar un patín para un conjunto de maquinaria nueva puede ser un reto a causa de los siguientes factores:

• Los patines deben estar diseñadas para evitar la resonancia y las vibraciones (procedentes de una maquinaria dinámica y de fuerzas y acoplamientos desequilibrados).
• La industria busca los conjuntos con los costos más bajos. Esto puede causar que los proveedores reduzcan el costo de los patines, lo que ocasiona con frecuencia una reducción perjudicial para la rigidez del patín. Pero un diseño inapropiado del patín provocará vibraciones y problemas de confiabilidad. En algunos casos, los patines se consideran demasiado endebles para las aplicaciones para las que se necesitan.
• Los nuevos diseños deben considerar los problemas de carga, izamiento y transporte, además de las limitaciones de peso. La altura de la base también puede ocasionar problemas.
• El diseño debe cumplir con una serie de códigos y normas muy diversos, para tomar en cuenta las cargas medioambientales como el viento, el oleaje y la actividad sísmica.

2 Ejemplos de vibración y resonancia en el patín

Estas dos animaciones son ejemplos en donde el patín ha sufrido problemas serios de vibración por la resonancia. Las animaciones se denominan como formas de deflexión operacional (ODS) y se basan en las medidas de vibración del campo. Una ODS sirve de gran ayuda para comprender la vibración relativa e incluso las formas modales. Estos ejemplos ilustran la razón por la que, con frecuencia, se necesita hacer un análisis dinámico del patín. La imagen de la derecha ilustra las modificaciones necesarias para dar soporte al motor (en amarillo). Esta solución ha resuelto los problemas de vibración. 

Video: ejemplos del análisis dinámico estructural y de la vibración

3 Soluciones para el diseño de patines

Se realizan dos estudios de patines que se necesitan habitualmente para abordar los retos mencionados más arriba. El propietario o el contratado EPC deben especificar este tipo de requisitos de ingeniería para asegurar que se incluyen en el proyecto.
Especificaciones

1. Estudios sobre izamiento, transporte y mediombientales. Estos estudios asegurarán que el patín se puede izar, transportar a su lugar y que resistirá las cargas medioambientales como aquellas inducidas por el viento o por terremotos. Las aplicaciones del patín deberán cumplir con los códigos industriales y las especificaciones del cliente para esas cargas.
2. Análisis dinámico del patín. El estudio se centra en la máquinas de pistón y rotativas. Evaluará las amplitudes del esfuerzo dinámico y de la vibración en la estructura del patín y en los componentes montados en ella para identificar si se necesita hacer modificaciones.

Para la mayoría de los empacadores, Wood puede ayudar también a reducir el costo del patín (Estudio de optimización del patín). Contacte con nosotros para obtener información adicional sobre las maneras de reducir los costos innecesarios (materiales y trabajo).

Nótese que el diseño final del patín está afectado por el diseño de los cimientos del compresor (es decir, la rigidez dinámica variará dependiendo de si el patín está soportada por estructuras de acero, concreto o grava o cimientos de pilotes). 

3.1 estudio de izamiento, carga y Transporte – alcance y características

Análisis de elevación (uno de los aspectos del análisis de elevación, carga y transporte)

Alcance

• ​Se aplica a cualquier aplicación de patín (soporte de las tuberías y recipientes de proceso, compresores, bombas, motores, generadores, etc.)
• Evaluar el diseño del patín para asegurar que los esfuerzos de los componentes del patín están debajo de unas especificaciones de código adecuadas, como los requisitos de AISC. Se pueden aplicar otras normas de elevación para las aplicaciones de la plataforma costa afuera o flotas FPSO (como API RP-2A-W5D).
• Evaluar el diseño del patín basado en las cargas de izamiento y los requisitos de transporte y sujeción, así como las cargas medioambientales como el viento, actividad sísmica, movimiento y/o inclinación del patín en aplicaciones de plataformas para producción y almacenamiento (FPSO) o de costa afuera.

Características del estudio de Wood

• Las deflexiones del patín debidas a la elevación se comparan con las especificaciones industriales y del cliente
• Los tamaños de las orejas de izamiento del patín son apropiadas.
• Se calcula el centro de gravedad.
• Se recomienda realizar el diseño de la barra de abducción y del grillete.
• Wood da la opción de realizar  el análisis de elementos finitos (AEF)y de la carga del perno de anclaje para evaluar la flexibilidad localizada del patín, así como el diseño del montaje del equipo y de las escuadras de refuerzo.
• El informe incluye las modificaciones propuestas para el diseño del patín y un resumen de los resultados calculados y la carga aplicada.

3.2 Análisis dinámico de los esfuerzos y vibraciones del patín - alcance y características

Ejemplos de los modelos de AEF utilizados en el análisis dinámico del patín para evitar los problemas de resonancia y vibración.

Alcance

• Definición de la magnitud y frecuencia de la carga dinámica en el patín. (Las cargas dinámicas variarán en función de la aplicación).
• Para las máquinas de pistón, las cargas dinámicas incluyen momentos y fuerzas desequilibradas, fuerzas del cabezal transversal, fuerzas de carga del vástago de gas, fuerzas inducidas por pulsaciones en los recipientes y tuberías, y fuerzas desequilibradas y momentos en el impulsor.
• Cálculo del esfuerzo y las vibraciones del patín y su comparación con las directrices industriales y del cliente.
• Consideración de las condiciones límite de los cimientos (pilotes, cojín de grava, bloque de concreto y estructura de acero).

Características del estudio de Wood

• Todas las fuerzas de operación del compresor se aplican vectorialmente tanto al modelo como a las cargas dinámicas.
• Los esfuerzos y las vibraciones se calculan para cada etapa de carga y caso operacional.
• Las fuerzas desequilibradas y momentos se añaden a la carga operacional. Wood calcula las fuerzas del gas del compresor y las de la guía de la cruceta y se aplican al modelo de elementos finitos (EF) como una carga dinámica.
• Se aplica la relación de amortiguamiento apropiada basado en la experiencia de campo de Wood.
• Las modificaciones sobre el diseño se proporcionan cuando las vibraciones o esfuerzos sobrepasan las directrices.
• Si se requiere, Wood puede calcular los esfuerzos en las soldaduras del patín y compararlos con los límites permitidos.
• El informe incluye recomendaciones para el diseño del patín y un resumen de las cargas aplicadas y de los resultados (formas modales calculadas, frecuencias naturales mecánicas (FNM), y la amplitud de las vibraciones).

4 Beneficios para los clientes

• El diseño del patín cumple con las normas internacionales (ABS, API y AISC) y las especificaciones de los clientes.
• Operación, transporte e izamiento seguros.
• Optimizar los costos del patín mediante la reducción de equipo y modificaciones innecesarias.
• Asegurar una rigidez suficiente (en lugares clave) para evitar los problemas de vibración para componentes montados en patines.

5 Ventajas de Wood

• Diseño rentable y confiable, basado en nuestra experiencia en dinámica estructural y de patines
• Modelos de elementos finitos precisos
• Tiempo de entrega rápido
• Incluye el sistema completo (dinámica de la máquina y cimientos de soporte)

6 Información relacionada

• Especificaciones para compresores de pistón (pdf, en inglés)
• Diseño DEL PATÍN optimizado para conjuntos compresores (GMRC 2013, pdf, en inglés)
• Módulo de capacitación 1: ecuación de vibraciones, resonancia (Video, EN INGLÉS)
• Vibración estructural y formas de evitarla (pdf, en inglés)

7 Servicios relacionados

• Compresores de pistón – análisis mecánico y de las pulsaciones
• Bombas de pistón – análisis mecánico y de las pulsaciones
• Diseño de la cimentación y análisis dinámico
• Diseño dinámico y DE vibración estructural

Modelo de patín utilizado para el análisis de elevación		El patín requiere modificaciones para cumplir con el código AISC (las áreas rojas exceden las directrices)		Modelo de barra de tiro detallado para evaluar un nuevo diseño del patín

8 Palabras clave

• Sísmico
• Transporte
• Viento
• Oleaje
• Cargas medioambientales

Información más relacionada

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