Análisis de elementos finitos (FEA) para termopozos clásicos y termopozos de láminas helicoidales

Tempsens ha desarrollado un diseño de termopozo con tracas helicoidales que eliminaría las vibraciones inducidas por el flujo, permitiendo resultados más precisos y confiables de los termopozos en servicio, superando así el riesgo de fallas de los termopozos.

Las fuerzas que pueden causar oscilaciones perjudiciales en el vástago de un termopozo al sumergirse en un fluido fluyente se asocian con vibraciones inducidas por vórtices. A medida que aumenta la velocidad del fluido, la tasa de formación de vórtices aumenta linealmente y la magnitud de las fuerzas aumenta con el cuadrado de la velocidad del fluido. El termopozo responde elásticamente según la distribución de fuerzas, lo que proporciona la gráfica de deformación elástica equivalente.

Este informe pretende demostrar que el termopozo con tracas helicoidales no presenta desprendimiento regular de vórtices (Figura 5.6) en comparación con el termopozo clásico (Figura 5.5). Los gráficos que muestran las líneas de flujo proporcionaron una excelente visualización de la influencia de las tracas helicoidales.

Se lleva a cabo con la sugerencia de que las tracas perturban el flujo en la región de la estela lo suficiente como para evitar la formación de vórtices. Además, las tracas fomentan un flujo transversal a lo largo del termopozo en una medida no observada con el termopozo clásico, lo que interfiere con la formación de vórtices.

Tempsens ha demostrado a través de pruebas físicas junto con análisis CFD y estructurales estáticos de termopozos que es la solución más confiable y precisa al reducir significativamente las vibraciones y las fallas por deformación junto con la reducción de los efectos de los vórtices inducidos por la vibración del termopozo.

Este informe presenta un análisis estructural estático comparativo. Se realizaron dos estudios independientes del tiempo: uno para un termopozo cilíndrico liso estándar y otro para un termopozo equipado con tracas helicoidales. El informe describe los procedimientos adoptados y los resultados.

Geometría del modelo:

Las geometrías se desarrollaron como modelos sólidos tridimensionales. Las figuras 1.1 y 1.2 muestran la geometría bidimensional utilizada para el termopozo clásico y el termopozo con trabes helicoidales, respectivamente. El termopozo está soldado a una brida estándar ANSI B16.5 150# de 2". La longitud suspendida, o la longitud por debajo del radio de giro de la brida, en ambos casos se considera de 650 mm, como se muestra en las figuras. En el caso del termopozo con trabes helicoidales, los trabes helicoidales comienzan a 450 mm del radio de giro de la brida. Los trabes helicoidales están situados a un ángulo de 120° entre sí y con una separación de 125 mm.

Propiedades del material para análisis:

ANÁLISIS DE SIMULACIÓN

 Modelo CAD 3D:

Los modelos tridimensionales del termopozo clásico y del termopozo con traviesas se muestran en la figura 3.1 y la figura 3.2 respectivamente.

Fig. 3.1: Geometría del modelo 3D (pozo térmico clásico)

Fig3.2: Geometría del modelo 3-D (termopozo de traca helicoidal).

Condiciones de contorno:

Las condiciones de contorno introducidas en el modelo FEA son las siguientes:

• El peso propio del modelo se considera como la carga de gravedad de la Tierra estándar en direcciones descendentes.
• Presión debida a la velocidad (tomada 3,5 m/s)²) de agua.
• Geometría fija en la brida debido a la soldadura del termopozo a la brida.

Figura 4.1: Condición de contorno en el termopozo clásico.

Figura 4.2: Condición de contorno en el termopozo de tranca helicoidal.

Resultados:

Las gráficas de deformación para el termopozo clásico y helicoidal se muestran en las figuras 5.1 y 5.2, respectivamente. Las deformaciones elásticas equivalentes para el termopozo clásico y helicoidal se muestran en las figuras 5.3 y 5.4, respectivamente.

Figura 5.1: Gráfico de deformación para el termopozo clásico

Figura 5.2: Diagrama de deformación del termopozo de tranca helicoidal.

Figura 5.3: Gráfico de deformación elástica equivalente para un termopozo clásico

Figura 5.4: Gráfico de deformación elástica equivalente para termopozo de tranca helicoidal.

El termopozo con tracas helicoidales no presenta desprendimiento regular de vórtices, a diferencia del termopozo clásico. Se observó turbulencia en el termopozo clásico. Sin embargo, no se observó turbulencia en el termopozo con tracas helicoidales. Las gráficas de energía cinética turbulenta se muestran en las figuras 7.5 y 7.6. Las tracas perturban el flujo en la región de la estela lo suficiente como para impedir la formación de vórtices. Además, las tracas favorecen un flujo transversal a lo largo del termopozo, algo que no se observó con el termopozo clásico, lo que interfiere con la formación de vórtices.

Figura 5.5: Gráfico de energía cinética turbulenta para un termopozo clásico (bidimensional).

Figura 5.6: Gráfico de energía cinética turbulenta para termopozo de traca helicoidal (bidimensional)

Inferencia del análisis:

ANÁLISIS PRÁCTICO

Condiciones del proceso:

• Los termopozos están suspendidos en una boquilla que tiene instalado un caudalímetro electromagnético para medir el caudal de agua en la tubería.
• La longitud de inmersión de los termopozos es de 200 mm en una boquilla RF 150# de 2”.
• Se utiliza un medidor de vibración de lápiz para registrar las lecturas de vibración en valor RMS de velocidad.
• Las condiciones ambientales fueron una temperatura de 30,8°C y una humedad relativa de 55%.

Resultado obtenido:

Se obtienen los siguientes resultados para cada caso de termopozo clásico y helicoidal:

Inferencia:

La vibración en el diseño actual del termopozo con traviesas helicoidales se reduce significativamente en aproximadamente 40% en comparación con el termopozo clásico.