Análisis del diseño dinámico y de la vibración estructural

para estructuras elevadas, plataformas y unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga

Las plataformas de producción costa afuera o las unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO) con maquinaria de pistón o rotativa pueden experimentar vibraciones intensas. Las vibraciones altas pueden causar fallas en los equipos, pérdidas en la producción, costos excesivos de mantenimiento, además de problemas medioambientales y de seguridad humana. Las buenas noticias son que los riesgos procedentes de las vibraciones estructurales se pueden mitigar si se abordan de manera apropiada en la fase de diseño.

Minimizar las vibraciones estructurales requiere experiencia, metodología y herramientas de diseño especializadas combinadas con una experiencia extensa - competencia principal de Wood. 

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1 Resumen

• Reciprocating compressors
• Reciprocating pumps including those mounted on smaller sized skids
• Engines used for machines or power generation
• Fire water pumping systems
• Piping fatigue failures including main piping and small-bore connections
• Elevated pipe racks
• Off-skid pulsation forces acting on the piping system
• Many other associated maintenance and integrity issues

For more information, visit these links:

• Vibraciones estructurales y formas de evitarlas
• Enfoque integrado para gestionar las vibraciones
• Ejemplo de análisis dinámico estructural y de las vibraciones (video)
• Resonancia estructural causada por una bomba pequeña (video)

2 Alcance

• Implicación en la fase de planeamiento (ingeniería básica ampliada - FEED) para definir los requisitos del análisis y del programa, y proporcionar recomendaciones preliminares sobre el trazado.
• Coordinar el esquema y el alcance del análisis con el análisis mecánico relacionado de las bombas, compresores, motores u otros módulos como por ejemplo API 618, API 674, etc. Esto asegura la consistencia en los valores de las fuerzas dinámicas, inercias, amortiguamiento y rigidez. La consistencia y la precisión de estos componentes son la clave para un sólido diseño general.
• Crear un análisis de elementos finitos (AEF) de la estructura de soporte. Utilizar y perfeccionar los modelos existentes utilizados para el análisis estructural estático como sea conveniente. Hay que centrarse especialmente en las condiciones límites, valores del amortiguamiento y otras suposiciones clave basadas en nuestra experiencia de campo y en diseño.
• Integrar los modelos de AEF del patín de la maquinaria y del equipo con el modelo de la plataforma (ver imagen inferior). Se necesita el modelaje preciso de las fuerzas de excitación, vías de carga y opciones de montaje.
• Realizar un análisis modal del sistema combinado.
• Evaluar las áreas con riesgos altos utilizando el enfoque de la densidad de energía de deformación de Wood, una técnica patentada para acelerar el análisis dinámico y mejorar su precisión.
• Realizar un análisis de respuesta forzada de la estructura incluyendo todas las fuerzas dinámicas para las condiciones operativas planificadas.
• Revisar las opciones de diseño y convenir en un diseño óptimo, basado en la coordinación cercana con los diseñadores estructurales, proveedores de paquetes de soluciones y propietarios. 

Dos ejemplos de un modelo de un patín para maquinaria y un sistema mecánico integrados en un análisis dinámico de la plataforma –  ​La integración es un requisito indispensable para asegurar unas predicciones precisas de la resonancia y de las vibraciones.

3 Características del enfoque de beta y beneficios para el cliente

3.1 Características

• Al principio del proceso de diseño, Wood proveerá contribuciones en el diseño de la cubierta, emplazamiento de los equipos y técnicas de montaje de los equipos. Esto evita tener que rehacer el trabajo y que se produzcan retrasos en el programa del proyecto.
• Wood tiene herramientas de software propias para calcular la distribución de la densidad de la energía de deformación y las cargas dinámicas de la maquinaria como las fuerzas del gas de un cilindro compresor, fuerzas de la cruceta, cargas del impulsor y fuerzas inducidas por pulsaciones.
• La evaluación incluirá el análisis del conjunto del equipo y de la cubierta de la plataforma.
• El estudio de respuesta forzada de Wood evaluará las cargas para un extenso rango de condiciones de operación, además de evaluar la respuesta a lo largo del rango de las velocidades de operación de la maquinaria.
• Las amplitudes de la vibración y el esfuerzo dinámico se evalúan frente a las directrices industriales.
• Para aplicaciones en FPSO, el análisis asume una rigidez típica en el punto de montaje de la estructura superior del barco. El cálculo de la rigidez de la cubierta del barco en cada uno de los puntos de montaje se puede incluir como un análisis opcional. El alcance se puede ampliar para incluir: resistencia de la estructura de la cubierta del barco (análisis de pandeo); y análisis de la fatiga en la conexión de la estructura superior con la cubierta del barco donde la dobladura de la viga-casco es la causante de la carga por fatiga.
• Wood ha desarrollado técnicas propias de modelaje para el análisis de elementos finitos (AEF). Estos métodos han sido rigurosamente probados en el campo y utilizados en centenares de estudios dinámicos estructurales.
• Entre las recomendaciones se incluyen modificaciones prácticas para para incrementar la rigidez dinámica del patín y/o la estructura de soporte del patín. Se proporciona un resumen de las cargas aplicadas y los resultados (formas modales calculadas, frecuencias mecánicas naturales y amplitudes de vibración) en un informe.
• Inspecciones in situ realizadas por ingenieros expertos en vibración para evaluar las medidas de las pulsaciones y vibraciones en la estructura, patín, tuberías y máquinas.
• Análisis para evaluar la eficacia de los soportes anti-vibración (SAV), teniendo en cuenta las propiedades dinámicas de la cubierta y del patín. Muchos de los diseños de SAV asumen que el patín (conjunto máquina) es rígido y que la cubierta que soporta el patín también. Esto es una simplificación que puede dar por resultado un diseño inapropiado. Podemos recomendar tanto las propiedades del SAV requeridas como los cambios en el patín o en la plataforma para acomodar una selección de SAV o determinar un diseño que establece un equilibrio entre el diseño estructural y el del SAV. 

3.2 Beneficios para los clientes

• El análisis dinámico estructural evitará condiciones de resonancia y de alta vibración en la plataforma, en FPSO y en los módulos de maquinaria. Los enfoques para análisis estructurales estáticos no pueden proporcionar estos beneficios, ya que los enfoques estáticos no incluyen los detalles técnicos para evaluar la respuesta dinámica.
• Este análisis es eficaz en función de su costo, y la implementación de las recomendaciones también lo es cuando se formulan durante la etapa de diseño.

4 Ventajas de Wood

Nuestra solución integrada abordará los problemas crónicos de vibraciones, e incrementará la confiabilidad, bajará los costos del proyecto y gestionará los riesgos a la integridad para un traspaso perfecto de bienes a la operadora.

• Basado en centenares de estudios, Wood ha demostrado su liderazgo y experiencia en el análisis estructural de vibraciones. Experiencia quiere decir un tiempo de entrega más rápido y una operación de confiabilidad más alta.
• El enfoque integrado de Wood incluye las características de la maquinaria, del patín y del módulo y/o plataforma para obtener unos resultados más precisos. Hay muy pocas empresas de ingeniería expertas en vibraciones que tengan la solución completa para abordar  las vibraciones estructurales, de la maquinaria y de las tuberías.
• Expertos en trabajar en el campo que dirigen las evaluaciones de las vibraciones y ayudan con la resolución de problemas. La experiencia de campo impulsa nuestro enfoque de diseño práctico y evita los enfoques teóricos y no testados. 

5 Información relacionada

• Vibraciones estructurales y formas de evitarlas
• Enfoque integrado para gestionar las vibraciones
• Ejemplo de análisis dinámico estructural y de las vibraciones (video)
• Resonancia estructural causada por una bomba pequeña (video)
• Evaluación de la integridad y vibraciones de las tuberías
• Cursos de capacitación

6 Servicios relacionados

• Resolución de problemas de vibraciones estructurales
• Soporte de diseño y revisión
• Análisis de causa raíz y resolución de problemas
• Análisis mecánico y de las pulsaciones de un compresor de pistón
• Análisis mecánico y de las pulsaciones de una bomba de pistón
• Evaluación de LAS CONEXIONES de diámetro pequeño
• Programa de inspección de las vibraciones

7 Palabras clave

• Análisis dinámico estructural
• Resonancia estructural

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