Criterios de aceptación de niveles de Vibración en Compresores Reciprocantes

Autor: MSC. Ing Pedro Nava

Uno de los grandes problemas que se tiene en la puesta  en servicio de los compresores reciprocantes, bien sea como nueva instalación o luego de una reparación  mayor (revamping) son los altos niveles de vibración en sus componentes principales, así como también los altos  niveles de  pulsaciones  en  el sistema  de tuberías, aun considerando en estudios previos en  la fase  de  diseño  como  es  la simulación acústica & análisis en las tuberías  (API 618, 5th Ed. pag.54) para minimizarlos, sin embargo, es de mencionar que existen factores como los relacionados  a la fundación,  pernos  de aclajes (anchor bolts), alineación de los equipos  en el skid (o en la fundación), alineación  entre  ejes, etc,  que  no  forman  partes  en  dichas simulaciones  y  que tienen  efectos considerables en la generación de altos niveles de vibración & pulsación.

Los compresores reciprocantes se caracterizan por sus grandes  masas en movimiento, torques de entrada  variando  ciclicamente, pulsaciones inducidas por las fuerzas en movimiento asociadas al cilindro del compresor  (mecánicas y del  gas  de  proceso),  botellas de succión  & descarga  (pulsation  damper)  que  son  fuentes que pueden causar  considerables  niveles  de vibración y stress cíclicos en diferentes partes del sistema del compresor.

La importancia  de medir vibración y llevar su tendencia tanto  en  amplitud  como  en frecuencia partiendo de las pruebas  de funcionamiento (mechanical running test, MRT) efectuados en  los bancos  de  pruebas  en  los talleres del fabricante  y luego en la puesta en servicio permitirá  diagnosticar  si la fuente  de generación de vibración/pulsación (resonancia) es propia de los componentes internos del compresor  (cilindros, cruceta, frame, etc), o por si  el contrario  provienen   de  entes   externos como la fundación, sistema de tuberías y/o damper (botellas de succión/descarga).

En el presente documento se tratara  lo relacionados  a los compresores reciprocantes del tipo horizontal, ya que son los mas comumente usados en las plantas compresoras de     gas,    refinerias, plantas     químicas     y petroquimicas;  sin embargo, el procedimiento también aplica para los del tipo vertical.

SISTEMA  DE PROTECCIÓN  DE ALARMA  Y DISPARO DEL COMPRESOR

De acuerdo a API 618, 5th Ed, los requerimientos mínimos de alarma y disparo viene dada por la tabla siguiente.

Tabla 1. Señales de alarma y disparo en Compresores Reciprocantes.
Fuente: API 618, 5th Edicion, pag. 47.

De acuerdo a las mejores practicas de GE/Bently Nevada para compresores API 618, recomienda los  siguientes   puntos   de   monitoreo relacionados con la medición de vibración.

Tabla 2. Señales de alarma y disparo en Compresores Reciprocantes.
Fuente: GE/Bently Nevada, mejores practicas para Compresores API 618.

La EFRC  (European  Forum  for  Reciprocating Compressor) guía para vibraciones en compresores reciprocantes recomienda los siguientes puntos de medición.

Tabla 3. Puntos de medicion de vibracion en Compresores Reciprocantes.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.

La Tabla 3, contiene  ademas  de los puntos  de medición recomendados por  API y las mejores practicas  de  GE/Bently Nevada, los correspondientes a los pernos de anclajes (fundación), dampers  y las tuberías  del sistema de compresión, los cuales son los componentes a considerar  cuando  se tiene  altos  niveles de vibración/pulsación en la puesta  de servicio de estos equipos  y hacia donde  va dirigido los criterios  de  aceptación del  presente documento.

Los puntos  de medición  y direcciones  en cada uno  de  los puntos indicados  por  la EFRC son como se indica a continuación:

  • Frame del compresor: En la parte superior del frame del compresor, en cada punto  de las equinas.
  • Cilindro del  compresor: En la  cubierta   del cilindro (en la parte rígida). En la dirección de la barra del cilindro del compresor
  • Cruceta/conexión   con  el  frame:  En  cada conexión de la guía de la cruceta con el frame del compresor  (parte  superior  del frame) para un compresor con mas de 2 cilindros.
  • Botellas succión/descarga  (Dampers): En la brida de entrada y salida y en el cabezal.
  • Tuberia: En las  partes   criticas  del  sistema (tuberías de entrada/salidas),  incluyendo las de diámetro    pequeños,   atención    especial    en donde            se         presentan        las        altas vibraciones/pulsaciones.

En todos  los  puntos   de  medición  indicados anteriormente se deben de tomar  en  valores totales   (overall  /   mm/s,  RMS) en   las  tres direcciones (vertica, horizontal y axial). En la Fig. 1 y 2 se muestra  un esquema de un compresor horizontal de doble accion (DA), con los puntos de medición.

Figura 1. Puntos de medición de vibración en Compresores Horizontal
Figura 2. Puntos de medición de vibración en los Damper del Compresor (Botellas de Succión/Descarga)
PROCEDIMIENTO DE MEDICIONES

De tal forma  de  poder  detectar la fuente  de generación de los altos niveles de vibración y/o pulsaciones  en el sistema  de tubería,  se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones.

  • Preferiblemente  usar  acelerometro  y efectuar las mediciones de vibración total (overall)  en  velocidad  (mm/s  RMS). Generalmente las frecuencias  de excitación de los componentes principales del compresor reciprocante se encuentran en el rango de frecuencia entre 2 Hz a 300 Hz, sin embargo, al considerar  el sistema completo  de compresión(incluyendo   los  equipos   auxiliares)  que   son parte funcional del compresor  el rango se encuentra entre 2 Hz a 1000 Hz.
  • Las mediciones   de  vibración  deben efectuarse en los puntos  indicados en la tabla 3 y en las tres posiciones  (Vertical, Horizontal y Axial) perpendiculares.
  • Registrar  todos  los resultados  de  las mediciones. Para los equipos nuevos tener presente los registros en el banco de prueba del fabricante  (Mechanical running  Test,MRT) este aunque no esta instalado en la fundación ni con todos los componentes del sistema de compresión,  pueden ser  útil para  cuando  se comparen con los obtenidos en las puesta  en servicio en planta, es muy importante usar los mismos puntos de referencias de medición empleados en el MRT y los de planta (sitio).
  • Condiciones de operación. En la puesta en  servicio  en  sitio,  las mediciones  deberán realizarse cuando el compresor se encuentre en su  estado  estable  (temperatura y presión  de operación), en los diferentes casos de operación indicados en la hoja de datos de proceso (diferentes  presiones,  gas  alternativo ej. arranque   con  nitrógeno  N2, condiciones   de carga, etc) y si esta  operando en paralelo  con otro compresor, este ultimo caso es muy importante, ya que se puede  transmitir vibración/pulsación  de uno a otro a través del sistema de tubería.
CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

Las zonas  de  evaluación  (key zones)  son  las definidas en la ISO 10816-6 para permitir una evaluación cualitativa de la vibración en un determinado compresor   y  proporcionar   una guía sobre posibles acciones.

Zona  A:  En esta  zona  normalmente caen  los niveles de vibración de los compresores nuevos en su puesta en servicio.

Zona B: Los compresores con vibración dentro de esta zona se consideran normalmente aceptables para funcionamiento a largo plazo.

Zona C: Los compresores con vibración dentro de   esta   zona   se consideran    normalmente insatisfactorios  para  un  funcionamiento continuo  a largo plazo. Generalmente, el compresor  puede  ser operado durante un período  limitado  en esta  condición  hasta  que surja una adecuada acción correctiva.

Zona  D: Valores de  vibración  dentro  de  esta zona se consideran suficientemente graves para causar daños  en los componentes internos  del compresor.

Tabla 4. De nicion de zonas de Evaluación.
Fuente: ISO 10816 General Guidelines, 1995

Valores guia para Vibraciones Aceptables. Los valores de referencia de niveles de vibración en velocidad  (mm/s  RMS) aceptables  para compresores  horizontales   de   acuerdo   a  las zonas  claves indicadas en  la tabla  anterior  se muestran a continuación  y en la  guras 3 a 5.

Tabla 5. Niveles de vibración en velocidad aceptables de acuerdo a componentes y zonas.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009

Existen  consideraciones  que   hay  que   tener presente para  los valores  dados  en  la  tabla anterior con respecto a algunos componentes:

Fundación:  Los  valores  indicados  son  validos para  sistemas rígidos,   esto   significa   que   el compresor deberá estar montado directamente sobre la fundación de concreto. Si el compresor esta sobre    el    skid,    este    debe     ser    lo suficientemente       rígido        y        montado directamente sobre la fundación de concreto.

Cilindros de Compresor

La fuerza del gas en el cilindro is causante de vibración en la dirección de la barra del cilindro. En general las vibraciones en la dirección de la barra son mas alta que  en la dirección lateral. Las vibraciones en la dirección de la barra del cilindro causa esfuerzo de tensión y compresión y consideradas generalmente  menos  dañinas que las vibraciones laterales, las cuales causan esfuerzos de tensión, por tal razón los altos niveles de vibración en la dirección de la barra del cilindro son permitidas  que en la dirección lateral.

Damper y Tubería

Falla por fatiga se presentan frecuentemente en conexiones    de    instrumentos   y   pequeños orificios   (lineas   de   purga,   conexiones   con válvulas pesadas, etc.) conectadas a los dampers y tuberías  principales, atención  especial  a las lineas de diámetro  pequeño durante las mediciones de vibración.

Materiales de los Componentes

Tener presente que varios materiales del compresor  son mas susceptibles  a iniciación de grietas (hierro fundido y algunos materiales de alta aleación) que son mas frágil que el acero al carbón.

A continuación  la representación gráfica de los niveles aceptables de vibración de acuerdo a la tabla 5.

Figura 3. Curva de velocidad para la zona A/B.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.
Figura 4. Curva de velocidad para la zona B/C.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.
Figura 5. Curva de velocidad para la zona C/D.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.
CONCLUSIONES
  • El   registro   de   niveles  de   vibración (overall y frecuencia) deben comenzar desde las pruebas  de funcionamiento en los bancos  del fabricante (Mechanical Running Test, MRT), aunque esta  información  no es determinante, ya  que   el  equipo   no   se encuentra  en   la fundación a la cual funcionara, es un insumo a evaluar  una  vez de  las puesta  en  servicio en sitio, en  caso  de presentarse altos  niveles de vibración y/o pulsación en las tuberías. Siempre es conveniente usar los mismos puntos  de medición,  de ser posible solicitar al fabricante colocar   provisión   para   la  medición   con   el equipo portátil (rosca para instalar el acelerómetro).
  • Con respecto  a compresores ya en uso, es conveniente aprovechar en las reparaciones mayores   (revamping)   limpiar   bien   la  zona donde  se colocara el acelerómetro y marcar las posiciones para las siguientes mediciones. Muy importante  el montaje   y  ajuste  del acelerómetro en la zona de medición,  ya que esto puede afectar las mediciones.
  • Es de  mencionar  que  los valores  de niveles aceptables indicados  en la tabla  5, no reemplaza   el  sistema   de   protección   de   la maquina  (Machinery Protection  System, MPS) que vienen por especificación  del fabricante  o requerimiento del comprador (dueño de la instalación),  este  es  útil  para determinar de dónde  se genera  la fuente de la alta vibración / pulsación en el sistema de compresión, llegar a la causa raíz del problema  y tomar las medidas preventivas, especialmente para equipos considerados de alta criticidad en el proceso.
  • En los compresores reciprocantes los patrones de problemas  de vibración no están claramente   de nidos  como   en  los  equipos rotativos (compresor centrífugo, turbinas, bombas,  etc.)  de  allí por  lo  que  hay  que comenzar  con los registros  y tendencia de los puntos  de  medición  y niveles  de  aceptación indicados  en este  documento con los equipos considerados de alta criticidad y tener presente que cada equipos tiene su comportamiento especifico      aun      teniendo     la      mismas características de diseño  y mismo fabricante.
Bibliografía
  1. API 618  Reciprocating  Compressor  for Petroleum,  Chemical and  Gas Industry Services, 5ta Edición, Diciembre 2007.
  2. API 670  Machinery  Protection  System, 5ta Edición, 2014.
  3. ISO      10816-6       Mechanical Vibration-Evaluation of Machine Vibration      by      Measurements      on non-rotating Parts-Part 6: Reciprocating Machines with Power rating  above  100 kW, First Edition 1995.
  4. EFRC Guidelines: Guidelines for Vibrations in Reciprocating Compressor System, First Edition, 2009.

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