Análisis de vibraciones inducidas por flujo en grandes circuitos de procesos

Abstract

Las vibraciones inducidas por flujo causan daño por fatiga en una serie de circuitos de procesos donde se manejan fluidos. Dentro de las fuentes de generación destaca la creación de vórtices, pulsaciones de bombas o compresores, turbulencia provocada por una desafortunada condición de operación o cambios bruscos de geometría.

En este Trabajo de Título se desarrolla una metodología de ingeniería que permite detectar, analizar y diseñar la remediación de las vibraciones inducidas por flujo y aplicar aquella metodología en un circuito de procesos de la minería Chilena. La metodología contempla una serie de pasos cualitativos, como inspección en terreno, y cuantitativos, como análisis de vibraciones, simulaciones computacionales de elementos finitos y fluidodinámicas.

Debido a los alcances del caso de estudio se aplican 4 técnicas computacionales, análisis modal para estudiar las frecuencias naturales y modos de vibración, análisis fluidodinámico estacionario para estudiar el comportamiento del flujo, análisis fluidodinámico transiente para estudiar la creación de vórtices y análisis interacción fluido-estructura para estudiar las demandas del flujo hacia el sistema de tuberías.

Se analiza un caso de estudio correspondiente a un sistema de tuberías con una capacidad para operar con seis bombas, actualmente opera con tres de ellas, cuando se instala la cuarta bomba se producen una serie de problemas de vibración; muy probablemente por los cambios en las matrices de masa y rigidez del sistema, traduciendo esto en un problema de resonancia.

El diagnóstico presentado en este trabajo corresponde a resonancia por pulsaciones de las bombas. La frecuencia de operación del rotor de la bomba es de 16,6 Hz y cuando se opera con tres bombas la primera frecuencia natural corresponde a 14,4 Hz. Por otro lado, cuando se instala la cuarta bomba la primera frecuencia natural cambia a 15 Hz, estando más cerca de la frecuencia crítica. Se proponen dos soluciones, la primera consiste en cambiar la condición de operación de las bombas, y la segunda en añadir soportes rigidizadores en una zona específica del sistema de tuberías.

Antes de aplicar la solución se deben realizar un análisis de vibraciones con acelerómetros, para confirmar el diagnóstico computacional y validar los modelos numéricos hechos en Ansys. Además, se debe realizar una visita a terreno, para identificar algún cambio actual en el sistema de tuberías y poder actualizar los modelos.