Diseño de una herramienta para el análisis de tuberías sometidas a vibración forzada por flujo interno de fluido

Abstract

El objetivo de esta investigación es diseñar una metodología de análisis que permita al ingeniero diseñador de sistemas de tuberías considerar en sus proyectos los efectos de la vibración inducida por la turbulencia del flujo interno de fluido. De acuerdo con distintas fuentes consultadas, el diseño de sistemas de tuberías se realiza siguiendo un procedimiento establecido desde mediados del siglo XX, que en el continente americano se basa principalmente en la serie de normas ASME B31. Los cálculos establecidos por tales normas requieren la consideración de las posibles cargas a que estará sometido el sistema de tuberías, entre las cuales se incluyen la carga por presión de diseño, las cargas por peso, las cargas térmicas y de fricción, y las cargas dinámicas. Los tres primeros tipos de cargas se consideran en lo que podría llamarse el análisis estático del sistema de tuberías, y las del último tipo se toman en cuenta en el análisis dinámico del sistema. Si tras el análisis dinámico el sistema no es capaz de resistir las cargas a que estará sometido, se modifican algunas características del sistema y se lleva a cabo un proceso iterativo. En el pasado, debido a las dificultades que entrañaba la realización de análisis dinámicos exhaustivos, el efecto de las vibraciones – y particularmente las vibraciones inducidas por flujo interno de fluido – sobre los sistemas de tubería, por lo general no era considerado en el proceso de diseño. En la actualidad, y en virtud de los adelantos en las técnicas y equipos computacionales, es posible realizar análisis dinámicos cada vez más detallados. Se han realizado investigaciones relacionadas con vibraciones inducidas por fluido, considerando la circulación del flujo tanto por dentro como por fuera del sistema de tuberías, siendo estas últimas las más numerosas en tanto que las primeras son más bien escasas. Sin embargo, se han realizado otras investigaciones que, aunque no están orientadas al diseño de sistemas de tuberías, aportan información útil para ese fin. Tal es el caso de la investigación desarrollada por Pittard, Evans, Maynes y Blotter (2004), donde se llevó a cabo un estudio para relacionar la magnitud de las vibraciones con la cantidad de flujo que pasa por una tubería. En los resultados obtenidos en esa investigación, se encontró una relación funcional entre el caudal que circula por una sección de tubería de características dadas y la aceleración del punto medio de dicha sección. A partir de ese resultado, y mediante una correlación numérica de los datos experimentales obtenidos por Pittard et al. (2004), se obtiene una relación que permite estimar una carga equivalente que, actuando en el punto medio de la sección de tubería, provoca el mismo efecto vibratorio medido con el acelerómetro. Con esa carga equivalente como dato de entrada y utilizando un programa comercial de Elementos Finitos, es posible analizar de manera aproximada la interacción fluido-estructura del sistema de tubería estudiado. Los resultados obtenidos en esta investigación indican que la metodología de análisis propuesta puede constituirse en una herramienta para estimar, de manera preliminar, los efectos de la vibración inducida por el flujo interno de fluido en los proyectos de sistemas de tuberías, donde el parámetro v/vc (la relación de velocidad de flujo a la velocidad crítica para el conjunto tubería-fluido), tiene una relevancia importante.