Vibraciones en los sistemas de tuberías

La vibración es una de las principales causas de falla en los sistemas de tuberías conectados a equipos de turbo maquinaria. Los sistemas de tuberías están sometidos a niveles de vibración excesivos siempre que la frecuencia natural mecánica del sistema sea producida por una pulsación o por una fuente mecánica.

Si la frecuencia de la vibración de la carga es la misma o se acerca a la frecuencia natural mecánica del sistema de tuberías, se producirá una fuerte resonancia.

La frecuencia natural y los modos de funcionamiento son propiedades dinámicas de la estructura y están controladas por la masa y la rigidez del sistema. La frecuencia natural y los modos de funcionamiento describen la tendencia de la estructura a vibrar cuando se somete a una carga dinámica.

Las frecuencias naturales y los modos de funcionamiento de una estructura se determinan mediante un análisis modal yse calculan a partir del modo de menor frecuencia. La frecuencia natural más baja se denomina frecuencia natural fundamental.

Dado que sólo los modos con frecuencias más bajas presentan una respuesta significativa a la fuente de vibración, sólo estos modos son los que se tienen en cuenta para el análisis.

La frecuencia natural se define como el número de ciclos de vibración por unidad de tiempo. Para tramos rectos y uniformes de tubería, la frecuencia natural puede calcularse de la siguiente manera:

donde,

Fn – frecuencia natural del tramo de tubería

λ – factor de frecuencia

g – aceleración de la gravedad

E – módulo de elasticidad

I – momento de inercia

L – longitud del tramo

w – peso por unidad de longitud de la tubería, del servicio de fluidos y del aislamiento, si procede

Para vanos de tuberías con masa uniformemente distribuida y una carga concentrada, la frecuencia natural fundamental puede calcularse a través la siguiente ecuación:

donde,

Fw: frecuencia natural fundamental del tramo de tubería con masa concentrada

Fn: frecuencia natural del tramo de tubería sin masa concentrada

M: masa total uniformemente distribuida del tramo de tubería

P:carga concentrada

C: factor de corrección

Existe una gran variedad de fuentes de vibración en las tuberías. Las fuentes de estimulación típicas que pueden provocar grandes vibraciones son:

• Pulsaciones causadas por bombas centrífugas y compresores alternativos.
• Energía mecánica procedente de los momentos y fuerzas en desequilibrio de las turbomáquinas
• Pulsaciones generadas por los cambios de presión/momento debidos a la operación de válvulas
• Vibraciones inducidas por el flujo (FIV)
• Vibraciones inducidas por la acústica (AIV)
• Pulsaciones inducidas por fenómenos de cavitación y flashing

Las pulsaciones que se producen en los sistemas de tuberías llenos de fluido son básicamente fluctuaciones de presión que viajan a la velocidad del sonido a través de ellos.  La velocidad del sonido depende del módulo aparente del fluido, el material, el diámetro y el espesor de la tubería.

Las características de las pulsaciones de los sistemas de tuberías dependen de las propiedades del servicio del fluido bombeado, la disposición de las tuberías, el número de bombas, la velocidad de funcionamiento, el tipo de bomba, la potencia de la bomba y las condiciones de funcionamiento del sistema.

Las vibraciones inducidas por el flujo suelen ser causadas por las discontinuidades del flujo de fluido que se producen en las tes , los reductores, las curvas cortas o a inglete y las válvulas parcialmente cerradas. La vibración inducida por el flujo excita las regiones de baja frecuencia de la tubería (rango de 0 Hz a 100 Hz). Este tipo de vibración hace que la tubería se desplace en dirección longitudinal y transversal.

La vibración inducida acústicamente es un fenómeno caracterizado por la gran caída de presión que se produce en los dispositivos de reducción de presión, como las placas de orificio, las válvulas de alivio de presión, las válvulas de control y las válvulas de purga. La vibración acústica inducida estimula las regiones de alta frecuencia de la tubería (rango de 500 Hz a 2.500 Hz). Este tipo de vibración hace que la tubería se desplace en la dirección circunferencial.

Las vibraciones pueden provocar cavitación en las líneas de aspiración, aflojamiento de las conexiones roscadas, grietas por fatiga en los accesorios de las tuberías, en los soportes de las tuberías soldadas, fugas en las bridas, rotura o pérdida de las abrazaderas de las tuberías, fallos en las válvulas, reducción del rendimiento hidráulico de las bombas y degradación de la eficiencia del sistema.

Para mitigar los efectos del exceso de vibración en los sistemas de tuberías se pueden adoptar las siguientes directrices básicas:

• Minimizar el número de codos instalados en el sistema de tuberías
• Los pesos concentrados se soportarán rígidamente con abrazaderas para tuberías
• Instalar soportes de tuberías a cada lado de las curvas y en todas las discontinuidades de las tuberías
• Reducir la distancia entre soportes de las tuberías para aumentar las frecuencias naturales mecánicas
• Aumentar la rigidez del sistema incrementando el espesor de la tubería
• El aumento del diámetro de la tubería en uno o dos tamaños reduce la velocidad del flujo en la tubería, lo que puede evitar la aparición de vibraciones
• Las guías con espacios libres empleadas para permitir la expansión térmica no se utilizarán para mitigar las vibraciones en las tuberías
• Usar tirantes de balanceo para limitar los efectos de las vibraciones de las tuberías
• La frecuencia natural del sistema de tuberías debe estar por encima de el doble de la frecuencia de excitación más alta
• La rigidez de los soportes y abrazaderas debe ser dos veces superior a la rigidez de la tubería
• Las conexiones roscadas para instrumentación y  tuberías de pequeño calibre son propensas a los fallos por vibración en las raíces de las roscas
• Las tuberías de pequeño calibre deberán estar arriostradas a la tubería principal para reducir las vibraciones relativas entre las líneas de pequeño calibre y la tubería principal
• Utilizar dispositivos de control de pulsaciones, como amortiguadores, filtros acústicos, acumuladores, aisladores hidráulicos, amortiguadores y placas de orificio

Para más información:

Fundamentals of pipe stress analysis