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Metodología analítica y numérico-experimental para el análisis de causa raíz de vibraciones debidas al flujo de proceso en sistemas de tuberías
Paul Bosauder
Sequence Computational Engineering, Bluff Hill, New Zealand.
Advanced Failure Prognosis - Industrial Research Group. Universidad Nacional de Educación a Distancia, Madrid, España.
Ernesto Primera
Advanced Failure Prognosis - Industrial Research Group. Universidad Nacional de Educación a Distancia, Madrid, España.
Machinery and Reliability Institute (MRI), Adair Ct. Mobile, USA.
Alvaro Rodríguez-Prieto
Advanced Failure Prognosis - Industrial Research Group. Universidad Nacional de Educación a Distancia, Madrid, España.
Department of Industrial Inspection and Technical Assistance, SGS Tecnos, Madrid, Spain.
RESUMEN
Este estudio destaca el papel esencial de las técnicas avanzadas de simulación para abordar las vibraciones inducidas por flujo (FIV) en procesos industriales. Utilizando modelado de interacción fluido-estructura (FSI), análisis de elementos finitos (FEA) y dinámica de fluidos computacional (CFD), se logró reducir las incertidumbres en la evaluación de riesgos de vibración y facilitar la identificación de estrategias de mitigación efectivas.
En un proyecto real de mejora de termopozos en una línea de vapor, la metodología permitió cumplir los objetivos de eliminación de cuellos de botella sin comprometer la integridad de la infraestructura crítica. El diseño revisado de los soportes de termopozos disminuyó significativamente las respuestas vibratorias y los esfuerzos, garantizando así una mayor fiabilidad operativa. Además, el modelado apoyó el análisis de causa raíz de las grietas detectadas en los termopozos, proporcionando una base sólida para futuros diseños.
Los resultados enfatizan la importancia de integrar herramientas avanzadas de modelado FSI en proyectos de ingeniería de procesos para lograr diseños seguros, resolver problemas complejos y mejorar la toma de decisiones mediante capacidades predictivas confiables. Este enfoque ofrece un camino sistemático hacia la optimización operativa y la preservación de la infraestructura a largo plazo.
Keywords: Integridad Estructural, Diagnóstico de vibraciones, Análisis modal, Fallo estructural, Seguridad operativa.
1. INTRODUCCIÓN
La evaluación de las vibraciones inducidas por flujo (FIV, por sus siglas en inglés) en sistemas complejos puede ser un desafío debido a las interacciones entre las respuestas dinámicas estructurales y fluidas. Las consecuencias de las FIV pueden tener implicaciones significativas para la integridad estructural de componentes críticos para la misión, como termopozos, tubos de intercambiadores de calor, chimeneas y otros equipos de proceso (Figura 1).
Figura 1: Ejemplo de fisura en termopozo debido a fatiga mecánica por FIV.
Los métodos tradicionales generalmente se basan en comparaciones no acopladas entre los modos estructurales y las frecuencias de desprendimiento de vórtices del flujo [1][2]. Estos métodos son efectivos para evaluar el riesgo de FIV debido a excitaciones tonales; sin embargo, en flujos complejos donde las velocidades de entrada no son uniformes o cuando ocurre una excitación de banda ancha, los resultados de la evaluación pueden ser inconclusos (Figura 2 y 3). Además, los efectos complejos en la estela, como en el caso de termopozos cercanos a curvas de tubos, no pueden ser considerados con estos métodos.
Figura 2: Método de evaluación de FIV detallado en ASME PTC 19-3-Thermowells.
Figura 3: Descripción de los efectos de estela según las directrices de JSME.
Se presenta aquí un caso de estudio sobre la evaluación de vibraciones inducidas por flujo (FIV) en termopozos de una planta de metanol. Como parte del proceso de eliminación de cuellos de botella, se llevó a cabo un estudio de viabilidad para comprender los impactos del aumento del flujo a través de la infraestructura clave. Una evaluación inicial de los termopozos en las líneas de vapor de alta presión (HP) y baja presión (LP) utilizando el estándar ASME PTC 19.3- Thermowells identificó varios termopozos como potencialmente en riesgo de sufrir FIV. Los termopozos en cuestión estaban ubicados inmediatamente aguas abajo del codo de tubería en la línea, y varios de ellos se encontraban dispuestos en conjuntos de tres (Figura 4). Las verificaciones iniciales sobre la interferencia de la estela mostraron que los termopozos serían ciertamente afectados por los efectos de la estela. La guía presentada por la JSME indica que los efectos de la estela pueden agravar los problemas de FIV y que puede ocurrir el fenómeno conocido como "lock-on", aumentando la respuesta de las estructuras a la excitación del fluido (Figura 3) [3]. Además, durante una inspección reciente, se identificaron grietas por fatiga en la base de algunos de los termopozos (Figura 1).
(a). Dibujo lineal del diseño isométrico
(b). Geometría del modelo CFD
Figura 4: Ubicación de termopozos en la línea de vapor de alta presión (HP)
Modelos computacionales detallados que combinaban dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis por elementos finitos (FEA) permitieron realizar una evaluación menos conservadora y desarrollar rápidamente medidas de mitigación para controlar las FIV bajo las condiciones mejoradas de operación de la planta. Una evaluación de una medida potencial de mitigación del FIV se evalúa y se compara con el diseño de soporte de termopozos de referencia. En la Figura 5 se presenta una comparación entre la configuración base y la configuración revisada de soporte del termopozo.
Figura 5: Comparación de la configuración base y revisada de soporte del termopozo
2. METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
El modelado de interacción fluido-estructura (FSI) se realizó utilizando modelos acoplados de CFD y FEA desarrollados en STAR-CCM+ ® y Abaqus ®, respectivamente. El dominio computacional incluyó la región de fluido aguas arriba de la curva, donde se especificó un perfil de velocidad turbulento completamente desarrollado (Figura 6). La turbulencia se modeló utilizando un modelo de Detached Eddy Simulation (DES) de dos capas. Este modelo modifica las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS), cambiando a una formulación de escala de submalla en regiones suficientemente finas para cálculos de simulación de grandes vórtices (LES, Large Eddy Simulation). El resultado final es que el modelo puede capturar estructuras finas de turbulencia con un esfuerzo computacional significativamente menor que los cálculos completos de LES.
Los gráficos que muestran el perfil de velocidad de entrada y la malla computacional desarrollada en STAR-CCM+ se presentan en las Figuras 6 y 7.
Figura 6: Ubicación de termopozos en la línea de vapor de alta presión (HP)
Figura 7: Malla computacional
El modelo de elementos finitos en Abaqus ® se desarrolló utilizando un análisis elástico con grandes desplazamientos, aplicando condiciones de frontera apropiadas para soportar el termopozo. Las propiedades mecánicas a la temperatura de operación se obtuvieron de ASME Sección II, Parte D [4], y se incluyeron en el modelo de elementos finitos. Además del cálculo acoplado FSI, también se realizó un análisis de respuesta en frecuencia asumiendo un coeficiente de amortiguamiento estructural. Este análisis permitió determinar rápidamente la respuesta del termopozo a la excitación y calcular los rangos detallados de esfuerzo a lo largo de un rango de frecuencias de excitación.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El modelado computacional de FIV en los termopozos confirmó que era probable la ocurrencia de FIV en la configuración base de los termopozos. El modelo CFD predijo un fuerte desprendimiento de vórtices, con una combinación de excitación tonal y de banda ancha. Las predicciones del modelo de elementos finitos sobre la frecuencia natural coincidieron bien con los valores calculados. Se observó una superposición significativa entre las frecuencias de excitación obtenidas del modelo CFD y los modos estructurales. La separación del flujo en la curva aguas arriba generó distribuciones de velocidad complejas y no estacionarias alrededor de los termopozos. Esto se puede observar en las Figuras 8 e 9, donde las velocidades de los termopozos se ven afectadas por la separación del flujo en el codo de tubería aguas arriba.
Figura 8: Magnitud instantánea de la velocidad predicha por CFD en la línea de vapor de alta presión (HP).
Figura 9: Estructuras de vórtices CFD (criterio Q) contorneadas por magnitud de velocidad en la línea de vapor de alta presión (HP).
Las historias de tiempo de fuerza y desplazamiento predichas por el modelo FSI se presentan en la Figura 10. Transformar estos datos al dominio de frecuencia mediante una Transformada Rápida de Fourier (FFT) permite comprender mejor el contenido de frecuencia tanto de la excitación como de la respuesta. Se observa claramente una excitación tonal aproximadamente a 400 Hz, lo cual corresponde estrechamente con la frecuencia natural estimada de 390 Hz. La FFT de la respuesta de desplazamiento muestra una clara excitación modal en sus frecuencias naturales (Figura 11).
(a). Historia de fuerzas
(b). FFT de fuerzas
Figura 10: Historia de tiempo de fuerza normalizada y resultado de la transformación FFT.
(a) Historia de desplazamientos
(b) FFT de desplazamientos
Figura 11: Historia de tiempo de desplazamiento normalizado y resultado de la transformación FFT.
Las distribuciones de esfuerzo predichas muestran una región de alto esfuerzo en la base del termopozo debido a la flexión. La ubicación de la concentración de esfuerzo predicha coincidió estrechamente con la región de fisuras observadas en los termopozos existentes (Figura 12).
Figura 12: Esfuerzos y desplazamientos normalizados previstos para el diseño base del termopozo.
Con base en los hallazgos de esta evaluación, se determinó que la probabilidad de vibraciones inducidas por flujo era alta, por lo que serían necesarias modificaciones en los soportes de los termopozos para lograr una actualización exitosa de las condiciones del proceso. Los resultados
del modelado FSI para el diseño revisado indican que las frecuencias de excitación permanecen sin cambios, pero la magnitud de la respuesta se ha reducido en varios órdenes de magnitud. Asimismo, la magnitud del esfuerzo normalizado también ha disminuido significativamente. En la Figura 13 se presenta una comparación de los análisis de respuesta en frecuencia para ambos diseños. El diseño mejorado de los soportes del termopozo demuestra ser claramente efectivo en la mitigación del riesgo asociado a las vibraciones inducidas por flujo (FIV).
Figura 13: Comparación de los análisis de respuesta en frecuencia para los diseños original y revisado de los soportes del termopozo
4. CONCLUSIONES
El uso de modelado de interacción fluido-estructura (FSI) combinado con análisis de elementos finitos y dinámica de fluidos computacional permite reducir la ambigüedad al evaluar problemas de vibraciones inducidas por flujo. Este enfoque disminuye el riesgo de vibraciones indeseadas inducidas por fluidos y permite evaluar estrategias de mitigación con mayor confianza. La aplicación de este procedimiento de evaluación a un proyecto real de mejora de termopozos permitió que la planta alcanzara sus objetivos de eliminación de cuellos de botella sin asumir riesgos no calculados en relación con la infraestructura crítica. Además, el modelado fue exitoso al proporcionar evidencia que respaldó el análisis de causa raíz de las grietas observadas en los termopozos de la línea de vapor.
Los resultados obtenidos destacan la importancia de integrar herramientas avanzadas de simulación en la toma de decisiones durante proyectos de actualización de procesos. Este enfoque no solo mejora la comprensión de los fenómenos complejos asociados con las vibraciones inducidas por flujo, sino que también proporciona una base sólida para diseñar modificaciones efectivas y respaldar decisiones críticas. La capacidad de predecir y mitigar estos problemas con precisión es esencial para garantizar la seguridad operativa y la integridad de los equipos en instalaciones industriales.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se ha realizado en el marco de actividades de transferencia del Grupo AFP (ref. 2022-CTINV-0084), así como parte de la investigación desarrollada en el proyecto 2021V/- TAJOV/006 “Prognosis de la degradación y fallo de componentes mecánicos mediante el empleo de técnicas avanzadas de analítica de datos e inteligencia artificial” financiado por el Banco Santander.
5. REFERENCIAS
[1]. American Society of Mechanical Engineers. ASME PTC 19.3 TW-2024: Thermowells.
[2]. New York: ASME; 2024
[3]. Young WC, Budynas RG. Roark's Formulas for Stress and Strain. 7th ed. New York: McGraw-Hill; 2002.
[4]. Kaneko S, Nakamura T, Inada F, Kato M. Technical Section on Flow-Induced Vibrations. Mureithi NW(Ed.; English Translation). Amsterdam: Elsevier; 2008.
[5]. American Society of Mechanical Engineers. ASME Boiler and Pressure Vessel Code: Section II – Materials, Part D – Properties. 2023 ed. New York: ASME; 2023
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