8/17/2019 Vibraciones Mecánicas en Tuberías

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  VIBRACIONES MECÁNICAS EN TUBERÍAS

Las tuberías son elementos muy utilizados en la ingeniería civil, sobre todo,enfocados a la especialidad de mecánica de uidos. Durante el proceso deconstrucción de una vivienda, empresa o industria el sistema de tuberías a

emplear resulta muy variado y requiere de una serie de estudios que asegurensu correcto funcionamiento.

Esencialmente, las tuberías pueden sufrir daos por determinadas vibracionesmecánicas. Los casos donde podemos encontrar mayor presencia de ellas sonen re!nerías, plantas petroquímicas, plantas de producción, etc. Lospropietarios de las instalaciones son muy cuidadosos con estos riesgos a laintegridad debido a las consecuencias signi!cativas relacionadas con elderrame de productos ocasionado por una tubería rota.

Las vibraciones pueden causar problemas de con!abilidad en los equipos,

fallas por fatiga de las tuberías de proceso y elementos ane"os pequeos,como líneas de alivio, puertos de instrumentos, boquillas, drena#es y válvulas.

$lgunos de los principales elementos y efectos por vibraciones que se debenconsiderar son los siguientes%

Las cone"iones de diámetro pequeo y los elementos ane"os seconectan a la tubería de proceso principal. &ncluso si la tubería deproceso principal tiene un nivel de vibración aceptable, es posible que lavibración se ampli!que en las cone"iones de diámetro pequeo y causefallas.

La vibración de la tubería de proceso puede causar un e"ceso deesfuerzos por vibración en las boquillas y las piezas en forma de ' yocasionar grietas.

El análisis de esfuerzos de las tuberías puede estar en conicto con losrequisitos de diseo contra las vibraciones. $ menos que el diseoresuelva el conicto entre el diseo contra las vibraciones mecánicas(más rigidez para controlar las vibraciones) y el análisis de esfuerzos delas tuberías (más e"ibilidad para el análisis t*rmico), +ay riesgo de queel sistema de tuberías sufra fallas por esfuerzo.

En determinadas áreas de traba#o, los espacios son limitado y en generalel diseo de las tuberías es muy compacto, an más que algunas

requieren estructuras au"iliares. -omo se muestra en la !gura siguiente,la disposición compacta de las tuberías genera desafíos nicos paracontrolar las vibraciones.

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Las !guras muestran el desprendimiento de vórtices debido a corrientesdel uido y a puntos muertos, respectivamente.$sociado a frecuencias especí!cas, el u#o e"cita la resonancia acstica(vibración que posteriormente +aremos mención), lo cual causapulsaciones de alta presión. Esas pulsaciones pueden e"citar lasresonancias mecánicas, lo cual produce muc+a vibración y fallas porfatiga en las tuberías afectadas.or mencionar algunos e#emplos concretos, las tuberías de gas de altocaudal, producen pulsaciones de alta presión generadas cuando lafrecuencia de emisión de vórtices coincide con la frecuencia naturalacstica. Esa interacción +ace que las tuberías de diámetro pequeo

vibren y posiblemente fallen. /esulta interesante notar que la velocidadde u#o más alta podría no causar las peores vibraciones.

• VIBRACIONES INDUCIDAS ACÚSTICAMENTE: Las vibracionesinducidas acsticamente pueden causar rupturas en las válvulasreductoras de presión, las válvulas de seguridad o en otras zonas de unsistema de tuberías donde +ay caídas de presión. rincipalmente serealiza en tuberías conductoras de gas.Los dispositivos reductores de presión pueden generar energía acsticade alta frecuencia que e"cita los modos de vibrar de la carcasa de unatubería. Esas vibraciones inducidas acsticamente ocasionan fallas por

fatiga en las tuberías de proceso o cerca de las cone"iones de diámetropequeo y provocan radiación sonora de banda anc+a en el rango de011 2z a 3111 2z.

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En la !gura se muestra el modelado de una tubería sometida a

vibraciones acsticas, que vemos que podrían afectar altamente elfuncionamiento de la misma.• VIBRACIONES TORSIONALES: 4na vibración y resonancia torsionales

e"cesivas +acen que el cig5eal, los acoplamientos, los engrana#es, elequipo au"iliar, y demás sufran daos. 6on las vibraciones que másdaos generan y por consecuente, generan altas p*rdidas económicas almomento de construir.ara analizar las vibraciones torsionales, se utiliza soft7are quedetermina%

El modelo elástico de masa para determinar las frecuenciasnaturales torsionales.

Las curvas de esfuerzo para todas las condiciones de operaciónclaves.

La respuesta forzada para pronosticar con e"actitud el esfuerzo yla vibración torsional.

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En la !gura se distinguen las zonas que pueden resultar másafectadas por las vibraciones torsionales.

or e#empli!car algn caso particular de lo que puede ocurrir, mencionaremoslas vibraciones que sufren las tuberías enterradas por causa de voladuras. Estees un típico caso que se le puede presentar a cualquier ingeniero, donde tieneque realizar algn otro traba#o cerca de una tubería que se encuentra en elsuelo.

&nicialmente, por e"periencia, sabemos que la velocidad de vibración producidapor la e"plosión en el terreno es muy seme#ante a la que posee la tubería enese instante, por ello, cuando se representan estas velocidades en función deltiempo, observamos que la duración y la frecuencia son similares en amboscasos.

Generalmente las tensiones originadas en una tubería enterrada serán las mismas que se originan

en el terreno que rodea la tubería. Una tubería enterrada en las inmediaciones de una voladura se

ve sometida a diferentes tipos de tensiones.

Cuando las ondas P se propagan paralelamente a eje de la tubería se producen tensiones. Estas

tensiones hacen que la tubería se vea sometida a deformaciones por compresión tracción.

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!tro tipo de tensiones son las producidas perpendicularmente al eje de la tubería cuando las ondas

" se propagan paralelamente a dicho eje. #ambi$n se producen tensiones verticales paralelas al

eje de la tubería cuando las ondas %aleigh se propagan paralelamente a dicho eje. &a tubería

entonces se ve sometida a deformaciones por fuer'as actuando a compresión por fuer'as de

tracción a(adidas.

)inalmente* tambi$n se pueden producir tensiones en la tubería cuando las ondas P* " o %aleigh

se propagan perpendicularmente a la dirección del eje de la misma. En este caso la tubería se ve

sometida a deformaciones circunferenciales* que no afectan considerablemente el posible da(o a

las tuberías.

Para los estudios que refieren a las vibraciones de las tuberías* se considera que la tubería

enterrada es fle+ible que se deforma conjuntamente con el medio que la rodea* lo que induce en

ella unas tensiones que son función de dicha deformación. Por tanto suponemos que la tubería

enterrada no posee grados de libertad no e+iste fenómeno de resonancia en la tubería.

,a una gran variedad de tuberías dentro de este tipo -tuberías de hormigón para traídas de aguas

alcantarillado* tuberías de acero soldadas para gaseoductos oleoductos*..... En cada caso

habrá que considerar además de la tubería principal los elementos secundarios tales como

válvulas* juntas aislantes* vainas* respiraderos* purgas* elementos para protección catódica* etc.

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&as deformaciones producidas por las ondas " % que se propagan paralelamente al eje de la

tubería se calculan a partir de la deformada las producidas por las ondas P que se propagan

paralelamente al eje de la tubería se calculan a partir de la variación longitudinal del terreno. Por 

tanto* se considera que las ondas se propagan paralelamente al eje de la tubería. /esde luego* la

propagación de las ondas no solo se produce paralelamente al eje de la tubería* pero en estos

casos las deformaciones producidas son menores que en el caso anterior* por eso generalmente

se limita al cálculo de las deformaciones producidas por las ondas que se propagan paralelamente

al eje de la tubería.

Despu*s de los cálculos respectivos se concluye la velocidad de vibraciónmá"ima que puede poseer la voladura en función de la distancia entre lavoladura y la zan#a, mediante el estudio de la zona respectiva.

8&8L&9:/$;<$

=ibraciones, dinámica y ruidos. -oorporación 8E'$.E"traído de los siguientes enlaces%

• Evaluación de las vibraciones y de la integridad de las tuberías+ttp%>>es.betamac+inery.com>services>piping?vibration?and?integrity?assessment@aABC

• $nálisis de vibración lateral+ttp%>>es.betamac+inery.com>services>lateral?vibration?analysis

• $nálisis de vibraciones inducidas por el u#o+ttp%>>es.betamac+inery.com>services>o7?induced?vibration?!v?analysis>• $nálisis de vibraciones inducidas acsticamente

+ttp%>>es.betamac+inery.com>services>acoustic?induced?vibration?aiv?analysis

• $nálisis de vibraciones torsionales+ttp%>>es.betamac+inery.com>services>torsional?vibration?analysis?tva

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