Criterios de aceptación de niveles de Vibración en Compresores Reciprocantes

Objetivos

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 anclajes (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 cíclicamente, 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 tratará lo relacionados a los compresores reciprocantes del tipo horizontal, ya que son los más comúnmente usados en las plantas compresoras de gas, refinerías, plantas químicas y petroquímicas; 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.
Tabla 1. Señales de alarma y disparo en Compresores Reciprocantes.
Fuente: API 618, 5th Edicion, pag. 47.

De acuerdo a las mejores prácticas 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.
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 medición de vibración en Compresores Reciprocantes.
Tabla 3. Puntos de medición de vibración en Compresores Reciprocantes.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.

La Tabla 3, contiene además de los puntos de medición recomendados por API y las mejores prácticas 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 dónde 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.
  • Tubería: 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 (vertical, horizontal y axial). En la Fig. 1 y 2 se muestra un esquema de un compresor horizontal de doble acción (DA), con los puntos de medición.

Figura 1. Puntos de medición de vibración en Compresores Horizontal
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)
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. Definición de zonas de Evaluación.
Tabla 4. Definición de zonas de Evaluación.
Fuente: ISO 10816 General Guidelines, 1995

Valores guía 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 las figuras 3 a 5.

Tabla 5. Niveles de vibración en velocidad aceptables de acuerdo a componentes y zonas.
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 válidos 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 es causante de vibración en la dirección de la barra del cilindro. En general las vibraciones en la dirección de la barra son más altas que en la dirección lateral. Las vibraciones en la dirección de la barra del cilindro causan 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 (líneas de purga, conexiones con válvulas pesadas, etc.) conectadas a los dampers y tuberías principales, atención especial a las líneas de diámetro pequeño durante las mediciones de vibración.

Materiales de los Componentes

Tener presente que varios materiales del compresor son más susceptibles a iniciación de grietas (hierro fundido y algunos materiales de alta aleación) que son más frágiles 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
Figura 3. Curva de velocidad para la zona A/B.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.
Figura 4. Curva de velocidad para la zona B/C
Figura 4. Curva de velocidad para la zona B/C.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.
Figura 5. Curva de velocidad para la zona C/D
Figura 5. Curva de velocidad para la zona C/D.
Fuente: EFRC Guidelines, 2009.

Conclusiones / Recomendaciones

  • 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 la 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 colocará 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 definidos 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.

Referencias

  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.

Autor: MSC. Ing Pedro Nava
Rotating & Reciprocating
Equipment Engineer

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