Smart Pig

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE “SMART PIG” QUE PERMITA EL MONITOREO DE TUBERÍAS EN OLEODUCTOS, BASADO EN LA ESTRATEGIA MAGNETIC FLUX LEAKAGE (MFL)

YAMID ALONSO JAIME MANTILLA RODOLFO URIBE ESPARZA

UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA BUCARAMANGA 2011

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE “SMART PIG” QUE PERMITA EL MONITOREO DE TUBERÍAS EN OLEODUCTOS, BASADO EN LA ESTRATEGIA MAGNETIC FLUX LEAKAGE (MFL)

YAMID ALONSO JAIME MANTILLA RODOLFO URIBE ESPARZA

Proyecto de grado presentado como requisito para obtener el titulo de Ingeniero Electrónico

Director del proyecto: Sergio Andrés Zabala Vargas Ingeniero Electrónico

UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA BUCARAMANGA 2011

NOTA DE ACEPTACIÓN

_______________________

_______________________

_______________________

_______________________ Director

___________________________ Jurado ___________________________ Jurado

Bucaramanga, diciembre 11 de 2011

DEDICATORIA

A mis padres y hermana por todo el apoyo y el amor incondicional que me han brindado, al mismo tiempo por inculcar en mí desde siempre un gran sentido de responsabilidad, dedicación y respecto hacia todos y todas las cosas que se me presentan en la vida.

Yamid Alonso

A mis hijos Felipe y Tomás, mi esposa y mi familia que me acompañaron y apoyaron durante todo el proceso. Rodolfo Uribe

CONTENIDO Pág. INTRODUCCION ........................................................................................................ 9  1  GENERALIDADES DEL PROYECTO .............................................................. 12  1.1  PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................ 12  1.2  OBJETIVOS.................................................................................................... 16  1.3  OBJETIVO GENERAL .................................................................................. 16  1.4  OBJETIVOS ESPECIFICOS........................................................................ 16  1.5  JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 17  2  MARCO REFERENCIAL ..................................................................................... 20  2.1  ANTECEDENTES.......................................................................................... 20  2.2  ESTADO DEL ARTE ..................................................................................... 26  2.3  MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 31  2.3.1  PIG (Pipeline Inspection Gauge) ......................................................... 31  2.3.2  Clases de dispositivos para mantenimiento de tubería. ................. 31  2.4  FUGA DE FLUJO MAGNÉTICO ................................................................. 36  2.5  DEFECTOS QUE AFECTAN EL MFL........................................................ 37  2.6  TIPOS DE SENSORES ................................................................................ 38  2.6.1  SENSORES DE BOBINA...................................................................... 38  2.6.2  SENSORES DE EFECTO HALL ......................................................... 38  2.7  UNIDAD DE PROCESAMIENTO ................................................................ 39  2.7.1  DSP (Procesamiento de Señales Digitales) ...................................... 40  2.7.2  FPGA (Field Programmable Gate Array)............................................ 40  2.7.3  Microcontroladores ................................................................................. 41  2.8  SISTEMAS DE COMUNICACIÓN .............................................................. 41  2.8.1  SPI (Interfaz Periferico Serial) .............................................................. 41  2.8.2  UART (Transmisor-Receptor Asincrono Universal) .......................... 42  2.8.3  USB (Bus Serie Universal).................................................................... 42  2.9  METODOLOGÍA ............................................................................................ 43  2.10  PRESUPUESTO ........................................................................................ 45  2.10.1  Síntesis del presupuesto ................................................................... 45  2.10.2  Descripción del recurso humano ...................................................... 46  2.10.3  Descripción del presupuesto del software ...................................... 46  2.10.4  Descripción y justificación de materiales ........................................ 47  3  DESCRIPCIÓN ..................................................................................................... 48  3.1  DIAGRAMA ILUSTRATIVO ......................................................................... 48  3.2  MODELAMIENTO EN SOLIDWORKS ....................................................... 49  3.2.1  Módulo de sensado ................................................................................ 50  3.2.2  Base de escobilla ................................................................................... 50  3.2.3  Cabezal de sensado .............................................................................. 51  3.2.4  Módulo de alojamiento de las tarjetas ................................................ 52  3.2.5  Ejes de cardan ........................................................................................ 54  3.2.6  Prototipo completo ................................................................................. 54  3.3  PROTOTIPO DABEMITH 632 ..................................................................... 55  3.4  SENSORES .................................................................................................... 55  3.4.1  Diseño de la pieza de sensado ............................................................ 58 

3.5  DISPOSITIVO DE PROCESAMIENTO. .................................................... 59  3.6  MÓDULO DE CONVERSIÓN ANÁLOGA DIGITAL................................. 63  3.7  MÓDULO DE COMUNICACIÓN SPI ......................................................... 64  3.8  TARJETA SD.................................................................................................. 64  3.9  ETAPA FUNCIONAL ..................................................................................... 67  4  SOFTWARE DE APLICACIÓN .......................................................................... 70  4.1  SOFTWARE MICROCONTROLADOR ...................................................... 70  4.1.1  Configuración conversor análogo digital. ........................................... 70  4.1.2  Configuración Timer 1. .......................................................................... 71  4.1.3  Configuración SPI. ................................................................................ 71  4.1.4  Secuencia de ejecución. ....................................................................... 72  4.2  GUI DE MATLAB ........................................................................................... 73  5  PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS ................................. 75  5.1  RUEBAS Y RESULTADOS DE LA PRIMERA FASE .............................. 75  5.2  PRUEBAS Y RESULTADOS SEGUNDA FASE ...................................... 80  5.2.1  PRUEBA NUMERO 1 A LA 6 ............................................................... 83  5.2.2  Pruebas 7 al 12 ....................................................................................... 85  6  CONCLUSIONES ................................................................................................. 88  7  RECOMENDACIONES ....................................................................................... 90  BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 91 

TABLAS

Tabla 1. Comparación de las características principales de sensores......56 Tabla 2. Comparación de las características principales de dispositivos de procesamiento.................................................................................................59

 

La

industria petrolera es el bloque principal del sector de la energía para

muchas actividades humanas de la sociedad actual, por lo cual este trabajo se enfatiza en una alternativa de inspección en línea de las tuberías. Un análisis de los sistemas de ducterias del transporte de hidrocarburos refleja el alto costo de mantenimiento que se necesita para evitar pérdidas económicas ya sea por robo de combustibles o daño de la ducteria que causan disminución en la producción de hidrocarburos. ¾

Un proceso importante en la industria petrolera es realizar el

mantenimiento preventivo para lo cual se realizan diversos mecanismos internos y externos con diferentes tecnologías que ayudan a prevenir una gran cantidad de problemas como son la corrosión del tubo causado por daño de la protección catódica, pequeñas fugas, rupturas, defectos de la tubería y válvulas ilegales. ¾

Una temprana inspección de estos tubos es crucial ya que se evita el

daño al medio ambiente protegiendo el aire, los ríos, los cambios y daños que pueda causar en la flora y en la fauna; estos son los principales indicadores de este problema. Una fuga o derrame es un factor trascendental para evaluar los peligros que puede causar, produciendo diversos procesos físicos, químicos y biológicos como son: la evaporación proceso que afecta la composición del producto, decrece la solubilidad en el agua, ésta evaporación hace que se vuelva más pesado y pueda llegar a hundirse; la disolución, proceso que hace que parte del hidrocarburo se disuelva en el agua y sus alrededores; la oxidación es la combinación química del hidrocarburo con el oxígeno; la emulsificación es cuando un líquido se dispersa con otro líquido absorbiendo el agua; la sedimentación, cuando hay un incremento de densidad con respecto al agua o adhesión de partículas suspendidas; la biodegradación es el proceso

9

por el cual la mancha desaparece por medio de ciertas especies y organismos que lo utilizan como fuente de alimento. Por lo tanto siempre que ocurra un derrame se deben tomar acciones inmediatas para la reparación, limpieza y recuperación de las áreas afectadas.

En el capítulo 1 se presenta las principales generalidades del proyecto y sus objetivos así como los factores que pueden generar pérdidas en el sector petrolero, como son la extracción de combustible ilegalmente a medida de los años y el beneficio económico que se puede lograr al cumplir con los objetivos reflejados en reducción de costos, maquinaria y tiempo. En el capítulo 2 se exponen los antecedentes y el marco teórico en los que se basó el desarrollo del presente trabajo, se definen los métodos de monitoreo que existen para evitar derrames, fugas y deteriodos de la tubería; la evolución de toda esta tecnología a nivel regional, nacional e internacional así como las clases de dispositivos utilizados para el mantenimiento y limpieza de los ductos. Se define el principio fundamental de fuga de flujo magnético, los defectos que afectan a las tuberías, los tipos de sensores más utilizados, unidades de comunicación de todos estos dispositivos. Se

encuentra

una

metodología

cuantitativa

en

una

investigación

cuasiexperimental la cual se utilizó para finalizar el presente proyecto. En el capítulo 3 se presenta un diagrama general ilustrativo de todo el sistema explicando el proceso por el cual el prototipo tiene que pasar para poder detectar alguna falla, como hace el sensado y la forma en que se interpreta las señales procesadas por el microcontrolador. Este capítulo nos muestra cómo se elaboró el diseño de todas las piezas y su modelamiento en 3D por medio de un software, las opciones de sensores y

10

microcontroladores posibles a utilizar, el diseño electrónico de las tarjetas y elaboración del prototipo con toda la etapa funcional. El capítulo 4 describe el software de aplicación con su respectivo diagrama de flujo y la herramienta utilizada para programar.

El capítulo 5 describe las pruebas, funciones y resultados obtenidos en dos fases, la primera fase da constancia de pruebas de cada módulo y la segunda fase del prototipo en la tubería.

11

1 1.1

GENERALIDADES DEL PROYECTO

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Durante décadas, el petróleo ha sido una de las fuentes de energía que casi literalmente, “mueve el mundo”. Al ser este producto la principal fuente de energía con que se cuenta actualmente se hace necesario la optimización y aseguramiento de los procesos de extracción, refinamiento y distribución del hidrocarburo tanto en su forma bruta como sus derivados refinados. Uno de los puntos más críticos en esta cadena es la distribución de hidrocarburos bien sea por la antigüedad de los sistemas de distribución que tienden a corroerse e incluso a presentar fallas que pueden llegar a ser catastróficas, de otro lado el robo de hidrocarburos mediante el método de perforación de los ductos de transmisión genera grandes pérdidas al sector petrolero. Otro aspecto importante es la integridad de las ducterias, hasta hace poco se creía que manteniendo con un mínimo de requerimientos la infraestructura de poliductos estos serían seguros, sin embargo recientemente muchos de estos han sufrido fallas debidas a diversos factores que generan corrosiones internas y externas que llevan al rompimiento del ducto; poco lo que se puede hacer para la prevención de estos sucesos que son producidos debido a diversas razones como desastres naturales, fallos humanos, sabotajes entre otros, la clave para evitar este tipo de desastres es la detección temprana y específica de cada falla a lo largo de una línea de conducción. De las lecciones aprendidas a través de los años por los países productores de hidrocarburos han demostrado que la mejor forma de corregir daños antes de que se presente un derrame es la vigilancia continua de los poliductos; esta vigilancia de mano de la tecnología reduce considerablemente los costos de prevención y hace más efectivo el mantenimiento correctivo ya que se puede ubicar un daño especifico en determinado tramo de la línea.

12

Las estadísticas con las que se cuenta con respecto al robo de combustible presentado por ECOPETROL1 y ratificado por la Fiscalía General de la Nación demuestran que las pérdidas por robo de combustible a través de ventosas ascienden a los 368 millones de dólares anuales lo cual significa un aproximado

de

135

barriles

diarios.

Una

estadística

entregada

por

ECOPETROL y que abarca del año 2002 hasta el 2010 demuestra que si bien hay una reducción en el robo a través de este método aun la cantidad es alarmante con un estimado de 942 galones diarios para el año 2006. Estadísticas más recientes muestran que durante el año 2009 el promedio de hurto diario ascendió a 196 barriles diarios que suponen una defraudación de 6 millones 37 mil dólares y los 6 primeros meses del 2010 promediaban los 130 barriles diarios [1]. Como se puede ver en la figura 1, la disminución del hurto de combustible a medida de los años ha decrecido, pero esto no significa que no sean necesarias las herramientas de inspección en línea, al contrario se hace necesario tener estas herramientas de inspección en el país ya que la pérdida económica es demasiado grande. Figura 1. Hurto de Combustibles años 2006-2010.

Fuente: Autores del Proyecto-Basados en http://www.minminas.gov.co/minminas/downloads/UserFiles/File/OLGA%20BAQUERO/Hidrocarburos%20VILLAVIC ENCIO.pdf

1

Empresa Colombiana de Petróleos

13

Si bien la gráfica muestra que el robo de combustible ha disminuido a medida de los años, el costo de mantener vigilados los poliductos del país ha venido incrementándose de acuerdo a la cantidad de personal que tiene que verse envuelto en esta actividad, personal que pertenece tanto al sector privado como el sector público teniendo en cuenta incluso grandes cantidades de efectivos del ejército y la policía se destinan a la protección de las cuadrillas que recorren los poliductos en busca de fallas o de válvulas ilegales. Es aquí donde se observa que la disminución en el robo de combustible y la tendencia notable a la baja del mismo también requiere una gran inversión para que la tendencia continúe y es en este punto que la búsqueda de estrategias alternativas a bajo costo minimiza el riesgo y la seguridad de personas, nos lleva directamente hacia un punto en el cual la tecnología permita la detección de las fallas puntuales para así lograr concentrar los recursos humanos y técnicos en la resolución de fallas plenamente identificadas y puntualizadas. Si bien existen países con tecnología para detectar las fugas y robo de combustible ilícito también se evidencia que existen compañías prestadoras de servicios las cuales se han encargado de robar un gran porcentaje del robo de combustible como ocurre en el país de México

el cual ha impuesto una

demanda a varias compañías y particulares exigiendo la devolución de más de 300 millones de dólares por el porcentaje del combustible robado [2]. La extracción de estos combustibles ilegalmente a causado explosiones de gran magnitud cobrando vidas, daños ecológicos y perdidas incalculables como ocurrió en México en la compañía PEMEX2, este hurto de combustible es causado por grupos de crimen organizado y particulares los cuales tienes más de 580 tomas clandestinas en más de 100 oleoductos distribuidos por todo el país causando grandes pérdidas para la empresa [3]. Otra faceta de este problema reside en el daño medio ambiental y la pérdida de vidas humanas debido a los derrames y las explosiones que se presentan 2

Petróleos Mexicanos

14

por la mala manipulación de estas válvulas ilegales, un ejemplo de esto se presentó el lunes 20 de diciembre de 2010 cuando una persona murió y 35 más resultaron heridas al registrarse una explosión por acumulación de gases en un punto donde se extraía ilegalmente el combustible en Colombia [4]. En octubre de 2010 una gran emergencia ecológica se presentó al derramarse más de 20 mil galones de combustible en aguas marítimas pertenecientes a las playas de Don Jaca3, el daño al ecosistema y al medio de manutención de los pescadores puede tardar meses e incluso años en ser reparado. Sin embargo en la mayoría de estos casos el poder de tener esta práctica fraudulentas esta fuera del alcance de las autoridades por cuanto la extensión de los poliductos no permite mantenerlos vigilados constantemente o realizar inspecciones visuales a lo largo de todo su recorrido [5]. En Colombia se han abierto investigaciones a personas internas a Ecopetrol por presunto robo de hidrocarburos y sus derivados, este robo de combustible lo hacían en los muelles de las bahías en Cartagena ya que es necesario transportarlo fluvialmente desde la refinería de Barrancabermeja, estas personas sustraían el combustible y para esto utilizaban documentación falsa lo que les permitía acceder a estos sitios; las pérdidas están estipuladas por 221.424 galones de petróleo avaluados en más de 1000 millones de pesos. [6]. Coherente con lo anterior, los autores de este proyecto, junto a la dirección del mismo, han decidido diseñar y construir una solución basada en un sistema de inspección a través de tubería; basado en una red de sensores, almacenamiento de datos y transmisión de los mismos a un sistema de cómputo.

3

Playas de Don Jaca ubicadas en el departamento de Magdalena

15

1.2

OBJETIVOS

1.3

OBJETIVO GENERAL

•Diseñar y construir un prototipo para inspección en línea con análisis de anomalías en poliductos de 6 pulgadas de diámetro basado en la estrategia de detección de fugas de flujo magnético con sensores de efecto Hall.

1.4

OBJETIVOS ESPECIFICOS

•Realizar un estado del arte detallada de las estrategias de inspección en línea, enfocados a las más utilizadas en el ámbito nacional; realizando un compendio de dicha información en un artículo de revisión. •Diseñar la infraestructura física del prototipo con una etapa de alimentación que optimice la carga de las baterías del dispositivo para que pueda validar su funcionamiento con una tubería a pruebas (dummy), verificando el rendimiento y la precisión en los registros de fallo. •Diseñar y construir un sistema de adquisición de datos con conversión análoga digital y registro en una memoria; capaz de realizar el registro de al menos

32 sensores lineales de efecto Hall y una tasa de muestreo

superior a 16 ksps. •Desarrollar un aplicativo software, capaz de comunicarse con el prototipo, descargar los datos en él almacenados y mostrarlos al usuario final para permitir la manipulación e identificación de los posibles daños en la infraestructura así como su ubicación.

16

1.5

JUSTIFICACIÓN

Al desarrollar el presente proyecto de grado se busca con una sola solución atacar varios problemas derivados del daño natural e intencionado de las redes de transporte de hidrocarburos tanto en estado crudo como refinado. Al poder efectuar una inspección con una alta tasa de muestreo y procesamiento de datos en tiempo real de la integridad de los poliductos se pueden implementar estrategias mucho más efectivas precisas y económicas para el mantenimiento de ducterías y la detección de válvulas ilegales a lo largo del recorrido. Estas técnicas utilizadas tendrán un avance tecnológico en cuanto al diseño del prototipo en la que se implementaran estrategias que ayudaran al rendimiento del mismo, dando un estímulo de la actividad intelectual creadora por parte de los autores y del director del proyecto para poder tener un aporte científico que ayudará a mejorar las futuras

investigaciones que se hagan acerca del

prototipo y las diferentes tecnologías que se puedan aplicar para mejorar su desarrollo según las necesidades. El beneficio económico de lograr estos objetivos se verán reflejados en una reducción en los costos por tiempo, maquinarias, derrames y costos de desplazamiento entre otros; en aquellas eventualidades en que fallas por corrosión, fallas geológicas u otros eventos naturales deterioran hasta el punto de falla estructural a los poliductos, o en el caso de la instalación de válvulas ilegales que debido al tamaño de los poliductos son de difícil

y costosa

detección por métodos de observación en el terreno. El beneficio social viene de la mano de los beneficios económicos ya que en los países como Colombia donde las redes de distribución sirven a empresas propiedad del estado y de accionistas como fondos de pensiones y personas del común, una baja en las perdidas significara mayores ganancias para el estado que se ven reflejadas en mayores regalías y mayor presupuesto para inversión social así mismo el sistema pensional se consolida fortaleciéndose

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económicamente y los accionistas del común recibirán un mayor dividendo por acción que como ingreso adicional permitirá el mejoramiento de su nivel de vida. Por último, pero no menos importante, se debe considerar el alivio al medio ambiente éste se verá reflejado como consecuencia de la reducción de vertimientos y derrames causados por la falla de la infraestructura. Es de gran importancia utilizar estos métodos que ayudan a localizar daños físicos donde las fugas en los ductos puede causar un daño ambiental, y las compañías tiene el compromiso con la sociedad de mantener estos ecosistemas cumpliendo con la seguridad y normas que se les impone. [7]. Teniendo en cuenta todo lo anterior y los grandes costos que acarrea la inspección física de las líneas de conducción de hidrocarburos, es lógico tratar de buscar alternativas a través de medios tecnológicos que permitan la inspección de los ductos sin la intervención directa del personal que efectúe seguimientos a todo lo largo de la línea de transmisión. Dichas herramientas han sido desarrolladas aprovechando diferentes fenómenos físicos, efectos como la distorsión, reflexión y refracción de ondas acústicas, la fuga de flujo magnético, la inspección visual entre otras. Este proyecto se considera de vital importancia para la UDI4 ya que es un proyecto tecnológico e innovador en la que los grupos de investigación pertenecientes se pueden enfocar a un desarrollo en el cual puede haber un impacto sobre los medios que los rodean colaborando con el desarrollo del país mejorando la calidad y competitividad de la universidad, así como para los autores de este proyecto esto representa un avance científico e investigativo en la que se puede lograr exponer a entidades como COLCIENCIAS5 en la busca de

promover la formación del recurso humano, aprovechando el talento

humano, apoyando con estímulos a instituciones y personas por sus aportes a la ciencia y la tecnología a través de distinciones y reconocimientos. 4 5

Universitaria de Investigación y Desarrollo Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Investigación

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La consecuencia lógica para el presente proyecto considerada como la mejor opción de las antes citadas, es el diseño de una herramienta de inspección en línea que aprovecha el fenómeno de fuga de flujo magnético que puede ser evaluado cuantitativamente atreves de sensores de efecto hall capaces de entregar una señal lineal correspondiente a la cantidad de flujo magnético que le atraviesa, la digitalización de dicha señal a través de conversores análogos digitales su procesamiento y posterior almacenamiento para así poder efectuar la visualización de estos datos en una computadora.

19

2

2.1

MARCO REFERENCIAL

ANTECEDENTES

Desde que se analizan los oleoductos ha habido la necesidad de utilizar diferentes métodos de monitoreo para evitar derrames, fugas y deterioros de las tuberías, esto ha conducido a desarrollar dispositivos robóticos que ingresan en el manejo de algoritmos de búsqueda o desplazamiento con el manejo de sensores para el reconocimiento del entorno para el cual el robot se tiene que desplazar y detectar la falla; estos sistemas tienen una gran variación en sus características físicas y las funciones operacionales ya que cada empresa se ha enfocado en mejorar todas las características posibles que se basan en los sistemas de detección para satisfacer al cliente pero esto no es del todo posible ya que en ocasiones se sacrifica alguna por mejorar otra dependiendo la aplicación , esto significa que no existe algún método universal aplicable que reúna todas las características y para ello es necesario utilizar diferentes métodos de detección. Para esto existen métodos de detección internos y externos, los métodos externos detectan las fugas desde afuera de la tubería y se clasifican en métodos biológicos y métodos de hardware. Los métodos biológicos utilizan personas y animales amaestrados el cual camina a lo largo del oleoducto en busca de anomalías

como ruidos, olores, escape de presión o robo del

producto esto se hace visualmente, por sonido u olor donde está la fuga. Los métodos por hardware utilizan dispositivos con sensores para detectar la fuga, los más comunes son los sensores acústicos, sensores detectores de presión negativa, sensores de gas, termógrafos infrarrojos, tecnologías de detección vía fibra óptica y cables dieléctricos, sensores de ultrasonido y sensores de efecto hall.

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Los métodos internos o también llamados CPM6 monitoreo computacional de oleoductos están basados en software y utilizan sistemas algorítmicos en los cuales se detectan anomalías en los parámetros del funcionamiento hidráulico de las tuberías tales como presión flujo, temperatura, etc. [8] Figura 2. Métodos de inspección de los ductos.

Fuente tomada de: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mgd/leon_b_ra/capitulo2.pdf

Los sistemas de emisión acústica utilizan sensores colocados por fuera a lo largo de la tubería monitoreando de esta forma niveles de ruido en los diferentes puntos del oleoducto creando por medio de los datos obtenidos un mapa acústico de base sobre la línea del oleoducto así cuando acurra un fuga da como resultado una señal de baja frecuencia la cual al ser detectada es procesada por el sistema dando una señal de alerta. Figura 3. Método acústico.

Fuente tomada de: http://www.sapiens.itgo.com/documents/doc19.htm

6

Computational Pipeline Monitoring

21

Los sistemas de detección por fibra óptica detectan fugas muy pequeñas con gran precisión esto se basa utilizando un método que sansa la temperatura del ducto ya que el cable posee fibras sensoras de temperatura, este cable se instala a lo largo de la tubería en forma paralela y muy cerca de esta forma se obtiene un espectro de la temperatura alrededor de todo el oleoducto así que cuando ocurra una fuga el petróleo cae por fuera de la tubería y causa un cambio de temperatura dando una alerta, cuando la fuga es de algún gas este se propaga de acuerdo a la presión el cual causa el cambio de temperatura alrededor del oleoducto dando una señal de alerta en tiempo real así el sistema compara constantemente la información del espectro formado a lo largo del oleoducto. Este funcionamiento es basado en el efecto Raman que se basa en la dispersión inelástica de un fotón por la absorción de energía del átomo o molécula incidida y el efecto OTDR7 el cual se relaciona con los cambios en el índice de refracción de la fibra ya que los pulsos de laser emitidos en la fibra óptica los fotones interactúan con las moléculas del material y la luz se esparce por los cambios de densidad y composición [9]. Figura 4. Método por fibra óptica.

Fuente tomada de: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/960/1/CD-1423.pdf

Los sistemas de sensores de líquido utilizan cables alrededor del oleoducto diseñados específicamente para reflejar los cambios en los pulsos de energía transmitidos dando como respuesta diferentes impedancias inducidas por el contacto de los líquidos hidrocarburo, estos pulsos son enviados a un 7

Reflectrometría Óptica en el Domino del Tiempo

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microprocesador a través del cable los cuales son reflejados y enviados de vuelta de esta forma se crea un mapa de reflexión el cual es usado como base para el microprocesador así que cuando ocurre una fuga el cable se satura por medio del fluido y éste fluido altera la impedancia del sensor alterando el patrón de reflexión que al ser analizada por el microprocesador da una señal de alerta en tiempo real y manteniendo un registro sobre los acontecimientos ocurridos. Los sistemas

de sensores de vapor se basan en el sensado de gas del

hidrocarburo son usualmente aplicados en almacenamiento de tanques pero también se aplican en los oleoductos y consiste en que cuando el líquido se filtra en la tierra este produce un vapor que migra desde los poros de la atierra y unas sondas colocadas en la tierra crean un vacío de estos poros al cual estos vapores son recolectados y analizados con análisis de campo para identificar desde adonde los vapores son emitidos e identificar la fuga. Figura 5. Métodos por sensores de vapor.

Fuente tomada de: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/960/1/CD-1423.pdf

Los sistemas de detección de fugas internas utiliza herramientas de monitoreo para reconocer anomalías estos sistemas de CPM trabajan con los datos recolectados por el instrumento los cuales se procesan por medio de un microcontrolador o PC utilizando un software que matemáticamente o estadísticamente analizan la información determinando si hay una fuga. Existen tres tipos básicos de CPM, los modelos con transitorios en tiempo real RTTM8,

8

Modelo Transitorio en Tiempo Real

23

los balances de volumen o masa y los de análisis de presión o monitores de la onda de refracción. Los sistemas de balance de volumen se basan en la medida de la discrepancia entre lo que ingresa y lo que sale es decir el volumen del producto de un segmento del oleoducto. El método de probabilidad secuencial de radio SPRT9 es un método estadístico basado en una forma matemática aplicada sucesivamente la cual revela la existencia de una fuga comparando los valores de las variables del oleoducto con los parámetros de comportamiento que ya se conocen. El monitoreo por onda de refracción es basado en análisis de variación de presión del oleoducto y consiste en que cuando ocurra una rotura en la pared del oleoducto se produzca una caída de presión causando una onda de baja presión que viaja a la velocidad del sonido por medio del líquido en ambas direcciones desde la fuga activando los instrumentos colocados a lo largo del oleoducto respondiendo a la onda se puede decir que si la onda viaja a velocidades considerables en el orden de una milla por segundo este método es muy útil [10]. Figura 6. Análisis semicuantitativo de defectos en tuberías mediante el uso técnicas de ultrasonido guiado por ondas.

Fuente tomada de: https://www6.cityu.edu.hk/seam/Papers/7.pdf

El moldeamiento de transitorios en tiempo real es un sistema complejo, costoso y muy sensitivo ya que implica una simulación computarizada de las condiciones en la cual se encuentra el oleoducto utilizando moldeamiento 9

Sequential Probability Ratio Test

24

mecánico e hidráulico del fluido con ecuaciones de flujo y

cálculo de la

conservación de la energía que por medio de un software me puede predecir la localización de la fuga y su medida. Estos sistemas también utilizan sensores de efecto hall que consisten en la aparición de un campo eléctrico en un material conductor cuando es atravesado por un campo magnético, este campo magnético es conocido con el nombre de campo hall, este efecto fue descubierto por en el año 1879 por el físico Estadounidense Edwin Herbert Hall. Figura 7. Detección de daños mecánicos con la técnica de flujo de salida magnética.

Fuente tomada de: http://www.physics.queensu.ca/~lynann/references/conference4.pdf

Los sensores de efecto hall constan de un elemento conductor o semiconductor y un imán, cuando un elemento ferro magnético se aproxima al sensor el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Estos sensores son utilizados también en la industria automotriz para medir velocidades de rotación y de posición , en la robótica se utilizan para la medición de ángulos de proximidad y de movimiento y en la industria en general para censado de corriente eléctrica, llaves digitales sin contacto mecánica, generador de pulsos para conteo de eventos [11]. Otro de los sensores más utilizados para la detección

de fugas de los

oleoductos son los sensores de ultrasonido los cuales proporcionan detección de tiempo real de pequeños y grandes escapes de los diferentes fluidos, facilidad de acceso a los datos de rendimiento del oleoducto notificación y seguimiento de paso de los limpiadores en línea.

25

Los inicios del ultrasonido empezaron Glasgow10 en el departamento universitario de obstetricia dirigido por el profesor Lan Donald en el año 1955. El funcionamiento del sensor de ultrasonido se basa en una emisión de un pulso de ultrasonido cuyo campo de acción es de forma canónica, el cual mide el tiempo en que transcurre la emisión del sonido y la percepción del eco la cual establece la distancia en que se encuentra el obstáculo que a producido la reflexión de la onda sonora. Los sensores de ultrasonido tienen la debilidad de un factor conocido como falsos ecos que se da por que la onda es emitida por el transductor y esta se refleja varias veces en diferentes superficies antes de que vuelva a incidir en el transductor es decir la distancia es mucho mayor a la cual está el obstáculo [12].

2.2

ESTADO DEL ARTE

La evolución de toda esta tecnología empieza en el año de 1964 creando el primer cerdo comercial para la inspección de tuberías utilizando MFL11, en el año de 1966 se creó el primer cerdo de circunferencia completa, para el año 1971 diversos vendedores introdujeron en el mercado el MFL de baja resolución, en el año de 1978 la compañía British Gas introduce el primer cerdo12 con MFL de alta resolución esto hace que otros vendedores introduzcan en el año 1986 al 1996 el cerdo de MFL de alta resolución, en el año de 1997 hasta la presente se viene desarrollando la capacidad de inspección para el daño mecánico, en el año 1998 se crea el primer cerdo circunferencial con tecnología MFL con campo transverso. La asociación interestatal de Gas de la América (INGAA)13 y GRI14

han

proporcionado ayuda para que informes como el de Guirnaldas hawaianas de Tom Bubenik, J.B Nestleroth y Brian; estos contribuyen a la selección de un Smart pig para la inspección en línea de una tubería de gas natural dando las 10

Ciudad del Reino Unido Magnetic Flux Leakage 12 Traducción al español de la palabra Pig 13 Interstate Natural Gas Association of America 14 Gas Research Institute 11

26

diferencias entre los cerdos sagaces y los cerdos de dolor

pulsante así

llamados según los estudios realizados, se dice que los cerdos sagaces tienen las herramientas de proporcionar la información según la integridad de la tubería y los cerdos de dolor pulsante son una herramienta para controlar o evaluar la integridad de una tubería de gas natural pero no son la herramienta correcta en todas las aplicaciones ya que esto se debe escoger basándose en las condiciones estimadas a lo largo de una tubería y la manera en que los resultados van a ser usados[13]. Estados Unidos ha patrocinado proyectos por medio de agencias en las cuales se implementaron sensores electromagnéticos en las tuberías, se basaron en imanes permanentes de fortaleza móviles para generar energía de inspección por medio de corrientes a través del tubo, a medida de los años estas han tenido un gran desarrollo sobre estos

sensores por medio de sistemas de

inspección giratorio y grabación de datos en tiempo real estos eran los experimentos puestos en práctica y fundamentales para proporcionar datos a la ayuda en el diseño del sistema del magnetizador giratorio el cual evalúa una amplia gama de condiciones en la tubería las cuales incluyen corrosión (picadura, parches, daño mecánico, rompimiento y raye por defectos de soldadura)[14]. Países con alta gama de tecnología han implantado diferentes métodos para poder

analizar las fugas

y derrames que ocurren en los oleoductos y

poliductos se han desarrollado proyectos de investigación como en Rice University en Houston Texas la cual desarrollo un método interno y externo de inspección de fugas por flujo magnético en el cual se hace la comparación entre la inspección y el análisis por medio de flujo magnético atreves de la tubería [15]. Hernando Efraín León Rodríguez, un ingeniero electromecánico, egresado de la Uptc, que desde hace un par de años se dedica a la fabricación de prototipos para la Comisión Europea, con los cuales ha sido merecedor de premios a la

27

innovación y a la competencia. A sus 37 años el ingeniero ya cuenta con un doctorado en robótica y pruebas no destructivas de la Universidad London South

Bank,

de

Inglaterra

y

además

es

especialista

en

redes,

telecomunicaciones y mecatrónica este colombiano ha diseñado un prototipo de un Smart Pig para escanear el interior de las tuberías europeas además de eso

ha diseñado para la

British Petroleum

un sistema para escanear

soldaduras de un buque petrolero [16]. La asociación Argentina de ensayos no destructivos y estructurales presento una conferencia en el año 2007 la cual muestra una investigación sobre MFL en tubos de acero con simulaciones numéricas con FEM15 y BEM-FEM esto como un gran aporte al campo de investigación para las técnicas utilizadas en la inspección de tubos de acero para detectar el campo magnético expulsado por los defectos del tubo [17]. Colombia empezó a utilizar los marranos inteligentes para la detección de corrosión en poliductos y oleoductos en el año 2005 el Consejo Nacional de Política Económica y Social (Conpes) catalogó este programa de Inspección y Diagnóstico de las Tuberías como uno de los proyectos estratégicos de Ecopetrol y le dio vía libre para obtener las vigencias fiscales futuras que requiera. En principio, el Conpes aprobó US$10 millones para trabajar en los primeros 2.000 kilómetros, incluyendo una línea submarina, de este modo se realizó el primer gran diagnóstico de más de 5.000 kilómetros de tubería en veinte años con el objetivo de garantizar mejores condiciones de seguridad y de operación de los ductos[18]. La Universidad Nacional en Manizales para la realización de un posgrado exponen los aspectos a los que se recurrieron para el diseño y construcción de un prototipo para localizar y medir corrosiones en tubería de acero, llamado” prototipo pig intelligent”.

15

Métodos de Elementos Finitos

28

Presentan los cálculos y normas requeridas para el dimensionamiento del pig así como los materiales y técnicas de fabricación, anexando ocho planos con los cuales se construyó el prototipo [19]. En la Universidad del Norte en Barranquilla se realizó un proyecto de grado el cual consiste en un análisis de la hidrodinámica exterior de una herramienta multitareas mediante CFD (COMPUTER FLUID DYNAMICS). Es un método, estrategia o herramienta que contrarresta el tipo de ilícito, y no en menor medida, ayude a reducir los costos operacionales que implica el transporte de hidrocarburos a lo largo del país los objetivos principales de este proyecto de grado fueron: - Analizar de manera general la hidrodinámica de una herramienta multitareas confinada en un ducto utilizando CFD. - Modelar mediante simulación computacional la hidrodinámica del flujo alrededor de la herramienta. - Realizar un diseño conceptual flexible de una herramienta multitarea. - Evaluar el desempeño de la herramienta bajo diversas condiciones de operación (regímenes de flujo y geometrías) [20]. La universidad Nacional de Medellín realizo investigaciones sobre el desarrollo de un mecanismo de inspección al interior de tuberías que trata de una unidad controlada por fibra óptica y comandada externamente por un operario, también del desarrollo de un software para hacer el análisis de imágenes, con el fin de compararlas e identificar los obstáculos en el interior de la tubería, con esto se pretende analizar las imágenes que se transmiten vía fibra óptica a un puerto externo, que al aprovechar las ventajas que ofrece esta tecnología, como el bajo peso y la inmunidad electromagnética, permite una mejor calidad de la transmisión de la señal de video hacia el exterior de la tubería, lo que significa una mejor calidad de las imágenes sin pérdida de la señal, como ocurre frecuentemente con otras tecnologías de este modo se espera a futuro identificar el estado de los oleoductos de la empresa petrolera de Colombia, Ecopetrol, con base en el uso de la tecnología de fibra óptica[21].

29

Una tesis de maestría presentada por Carlos Andrés García Jiménez en el año 2010 en la Universidad Nacional de Colombia trata de a investigación que busca realizar el diseño de un palpador mecánico, adaptable a los robots de inspección de tuberías para proporcionar la geometría interna (redondez) de un ducto específico, esto con el fin de obtener las características internas y poder aclarar si las condiciones de funcionamiento son las adecuadas o si es necesario realizar algún cambio en la misma[22]. A nivel regional el campo investigativo de este sector es más pequeño, en la Universidad Industrial de Santander

de la ciudad de Bucaramanga se

encuentra una tesis de grado con el nombre de

Métodos de diseño,

operaciones de inspección y control de corrosión en los oleoductos / por Gerzain Mora Gelvez y Gustavo Rojas Rubiano la cual habla de los diferentes métodos y operaciones de inspección que son sometidos los oleoductos y poliductos [23]. El verdadero centro de investigación para el robo de combustibles se encuentra en el Instituto Colombiano de Petróleos (ICP) esto se debe por las pérdidas económicas generadas que han motivado a la búsqueda de una solución a bajo costo, que permitiera detectar con precisión las perforaciones ilícitas por donde son extraídos los productos, para repararlas oportunamente. De ahí surge la “Herramienta Inteligente para la Detección de Perforaciones e Interpretación de Datos en Línea”, desarrollada en el ICP. El prototipo de la Herramienta Inteligente ya fue trabajado en plantas piloto y próximamente se realizará la prueba en algún tramo del oleoducto que transporta combustibles en el país. Con los resultados de este ejercicio se establecerá cuál es el comportamiento de la herramienta a gran escala y los ajustes que se le deban hacer. Lo innovador del desarrollo, aparte de la modificación de la configuración habitual para el MFL (Magnetic Flux Leakage), es la detección de la imperfección en el ducto y la determinación de si hay o no perforación con el procesamiento de datos en línea, de tal manera que una vez

30

se termine una inspección, se obtiene la información de todas las perforaciones en la pantalla de un computador tipo laptop [24].

2.3

MARCO TEÓRICO

La presente sección permite introducir al lector en los tópicos más importantes del desarrollo de un sistema de inspección en línea. Dichos términos giran en torno a: Definición,

clases de dispositivos que se utilizan en la industria

petrolera, así como la fuga de flujo magnética y los defectos que la afectan, tipos de sensores utilizados en los sistemas de flujo magnético, los diferentes sistemas de procesamiento de datos y los puertos más convencionales.

2.3.1 PIG16 (Pipeline Inspection Gauge)

La palabra PIG viene de la traducción al español de cerdos o marranos, son dispositivos utilizados para el mantenimiento de oleoductos y poliductos para realizar diversas operaciones sin que el flujo se pare, son una herramienta típica que contienen escobillas, sensores, baterías, procesadores de datos entre otros. La función de los sensores es medir los datos de inspección, estos están registrados por las computadoras, como esta herramienta se mueve a través de la tubería los datos son analizados después de la inspección; el material que esta elaborado el dispositivo debe resistir presiones además estos dispositivos experimentan aceleraciones alrededor de curvas y abruptamientos por cambio de grosor de la pared de la tubería. 2.3.2 Clases de dispositivos para mantenimiento de tubería.

● Dispositivos de limpieza: Se utilizan para limpiar las tuberías, eliminan sólidos, semisólidos y desechos de la tubería. Existe una variedad de dispositivos de limpieza con diferentes capacidades como son los dispositivos 16

PIG-Acrónimo del inglés – Pipeline Inspection Gauge

31

de navajas, copas y cepillos, superficies abrasivas, semirrígidos, esferas, espumas de poliuretano, etc. Normalmente la parafina es el material que se queda en las tuberías de petróleo crudo, cuando los inhibidores son usados en una tubería de gas, el solvente en los inhibidores se evapora formando la mugre en las paredes, esta clase de cerdo de limpieza se puede ver en la figura 2. Figura 8. Cerdo de Limpieza.

Fuente tomada de: http://www.tdwilliamson.com/es-mx/Products/PiggingProducts/CleaningPigs/Pages/PencilBrushCleaningPig.aspx

Los de tipo esférico son de una composición solida o inflable los dispositivos inflables se pueden llenar con gricoL17 o agua para alcanzar un diámetro deseado. Existen cuatro tipos de esferas; solubles, inflables, espuma y sólida. Dependiendo de la aplicación material en que está hecha la esfera ésta es inflada al 1% y 2% arriba del diámetro del interior de la tubería; las esferas pueden manejar radios de 90°, curvaturas y giros irregulares su principal uso es el de quitar los líquidos de los sistemas de gas húmedo, parafina, agua de las tuberías también son usadas para separar los diferentes tipos de productos como aceites crudos, gasolina, combustibles de motor de reacción entre otros.

17

Compuesto orgánico con dos grupos oxhidrilos unidos a diferentes átomos de carbono.

32

Figura 9. Dispositivos Esfericos.

Fuente tomada de: http://www.tdwilliamson.com/es-mx/Products/PiggingProducts/CleaningPigs/Pages/PencilBrushCleaningPig.aspx

● Dispositivos de sellado:Se utilizan para proporcionar sellos para liquidos o barridos de linea, o proporcionar una interfaz entre dos productos distintos dentro de la tuberia, como las pruebas hidrostaticas de las tuiberias para el llenado en linea con agua y la separacion de diferentes productos en una tuberia, esta clase de dispositivos de sellado se puede ver en la figura 3. Las esferas conforman el grupo de los dispositivos de sellado y extisten cuatro tipos basicos;solido, inflable, espuma y soluble. Figura 10. Cerdos de Sellado.

Fuente tomada de: http://www.girardind.com/espanol/products.cfm?cat=9

33

● Dispositivos de mandril: son los que tienen un tubo en el cuerpo central y varios componentes que pueden montarse sobre el mandril para configurar un cerdo. Los dispositivos de mandril tienen el cuerpo de metal (acero o en aluminio) y están equipados con discos para proporcionar la presión diferencial para propulsar este elemento en el camino, este se equipa con cepillos metálicos o cuchillas de poliuretanos para limpiar la línea. Una ventaja del dispositivo de mandril es que puede ser limpiador y se puede utilizar como dispositivo para sellar o una combinación de ambos, esta clase de dispositivos se puede ver en la figura 4. Figura 11. Cerdos de Mandril.

Fuente tomada de: http://www.girardind.com/espanol/products.cfm?cat=10

● Dispositivos de Inspeccion en línea: Son los que proporcionan informacion del estado de la tuberia y su contenido; estos elementos

utilizan varios

métodos de ensayos no destructivos para llevar a cabo las inspecciones. Los dispositivos de inspección en línea que utilizan sensores de ultrasonido tienen una serie de transductores que emite un pulso de frecuencia de sonido de alta perpendicular a la pared del tubo y recibe señales de eco de la superficie interior y la superficie exterior. La herramienta mide el intervalo de tiempo entre la llegada de unos ecos reflejados desde la superficie interna y la superficie externa para calcular el espesor de la pared.

34

La mayoría de los dispositivos de inspección en línea utilizan el método de flujo de dispersión magnético para realizar las inspecciones a través del oleoducto o poliducto, esta clase de dispositivos inteligentes se observa en las siguientes figuras. Figura 12. Dispositivo de inspeccion en linea.

Fuente tomada de: http://www.mapl.com/mapl_home_spa/media/smart_pig/mag_flux_pig_detail.html

El dispositivo de inspección en línea que utiliza un campo magnético hace que se establezca en la pared de la tubería usando imanes o mediante la inyección de corriente eléctrica en el acero. Las áreas dañadas de la tubería no pueden apoyar el flujo magnético y por lo tanto este se sale; en las áreas no dañadas el flujo magnético no se puede salir de la pared. Una serie de sensores en todo el perímetro del dispositivo detecta la fuga de flujo magnético y señala el área de daño [25]. Figura 13. Dispositivo de inspeccion en el interior de la tuberia.

Fuente tomada de: http://balvanera.olx.com.ar/pigs-scrapers-inteligentes-para-bloqueo-obturacion-smart-plug-iid-128753327

35

2.4

FUGA DE FLUJO MAGNÉTICO

El flujo magnético sucede debido a las líneas magnéticas de fuerza (flujo) prefieren viajar a través de una placa de acero al carbono que por el aire, el flujo se resiste a viajar por el aire a menos que se le fuerce a no tener otro medio, como se puede ver en la figura 6. El escape de flujo en una región con pérdida de metal es causado por una disminución local en el grosor de la pared del tubo. Cuando un campo magnético en una tubería encuentra una anomalía tal como un defecto de perdida de metal, el flujo es desviado o se escapa. Los sensores miden la parte del campo de escape, el escape en el interior del tubo, el campo de escape alrededor de un defecto puede asemejar el defecto pero normalmente no tiene la misma forma, así que la forma del campo de escape no es necesariamente un indicador bueno de la forma del defecto, también la ubicación del defecto por ejemplo, la pared interior del tubo contra la pared del tubo exterior afecta el escape. Figura 14. Fuga de flujo Magnético.

Fuente tomada de: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mgd/leon_b_ra/capitulo2.pdf

36

2.5

DEFECTOS QUE AFECTAN EL MFL

Cuando una herramienta de MFL encuentra un defecto de pérdida del metal, el flujo se desvía, este flujo es desviado en la pared del tubo alrededor del defecto y a fuera del tubo al diámetro interior y exterior. La cantidad del flujo que es desviada fuera del tubo depende de la geometría del defecto y para esto se deben tener en cuenta las variables primarias que afectan el escape del flujo que es lo que define el volumen de pérdida del metal, tales variables son la profundidad como el máximo grosor que ha sido quitado por el proceso de corrosión, la longitud que es la extensión axial del defecto, la anchura depende de la extensión circunferencial del defecto. Figura 15. Defectos de las Tuberías.

Fuente tomada de: http://www.penspenintegrity.com/virtual-library#corrosion

Otras de las variables que pueden afectar la fuga son la agudeza que es la forma de la transición del grosor de la pared nominal a profundidad máxima como se mira el plano axial; la redondez

como se mira en un plano

circunferencial axial; la orientación que son las rupturas alineadas con el campo magnético aplicado que no son perceptibles mientras que rompen transverso al campo; las localizaciones de los defectos adyacentes como los defectos de fosos que por lo general son parches de corrosión [26].

37

2.6

TIPOS DE SENSORES

Los sensores son dispositivos diseñados para detectar magnitudes físicas o químicas las cuales transforman las variables medidas en una magnitud generalmente eléctrica son utilizados principalmente principales

funciones

son

las

de

sensar

en la industria y sus

velocidad,

desplazamiento,

aceleración, temperatura, presión, fuerza capacidad eléctrica, tensión eléctrica, intensidad lumínica, campos magnéticos etc. Existen dos tipos de sensores que se utilizan para detectar los campos de fuga de flujo estos son los sensores de bobina y los sensores de efecto Hall; entre ellos existe la diferencia que genera los campos de fuga y la forma que se genera esta respuesta.

2.6.1 SENSORES DE BOBINA

Consisten en que cuando una bobina pasa por un campo magnético, se genera un voltaje en ella y el nivel del voltaje depende de la cantidad de vueltas de alambre de la bobina y la velocidad del cambio de la fuga del flujo. Históricamente, las bobinas de inducción han sido comúnmente usadas en las herramientas de inspección de MFL porque no requieren una fuente de poder, en vez, un voltaje es generado en una espiral pasiva de alambre o circuito impreso como pasa por un campo magnético cambiante. Un dispositivo de grabación mide este voltaje, que es proporcional al cambio en la densidad de flujo, desde un espiral responde al cambio en densidad de flujo, la salida del espiral es la función de velocidad que se está moviendo

2.6.2 SENSORES DE EFECTO HALL

Son dispositivos de estado sólido que forman un circuito eléctrico, su funcionamiento consiste en que cuando el sensor pasa por un campo

38

magnético el valor del voltaje varía dependiendo del valor absoluto de la densidad del flujo magnético, esto se puede ver en la figura 16. El defecto más pequeño que puede ser detectado y medido tiene un ancho igual al espacio del sensor y la longitud igual a tres veces la distancia axial del sensor, estos se pueden clasificar como de baja y alta resolución. La magnetización es una variable de inspección significativa, desde entonces es mucho más difícil saturar el material de tubo en la dirección circunferencial. La fortaleza del campo magnético es máxima cerca de los polos de magnetizador y pequeño al centro. [27]. Figura 16. Sensor de Efecto Hall.

Fuente: Autores del Proyecto Basados en http://www.mfescan.com/mflspanish.html

2.7

UNIDAD DE PROCESAMIENTO

Una de las necesidades primordiales del dispositivo es la unidad de procesamiento, la cual está encargada de la adquisición de señales análogas, su conversión digital y su posterior almacenamiento. La forma de escoger dichas unidades está basada en la velocidad y capacidad de procesamiento de las señales, así como la disponibilidad de módulos necesarios para cada una de las tareas que debe llevarse a cabo, tales como son los módulos de conversión analógica digital, módulos SPI o UART, entre otros. Algunas de las posibilidades son: DSP, las FPGA y los microcontroladores, los cuales son discretos a continuación, así como una descripción breve de los módulos mínimos requeridos para la realización del prototipo.

39

2.7.1

DSP (Procesamiento de Señales Digitales)

Es un sistema basado en un procesador y un microprocesador el cual tiene un hardware, un software y un proceso de instrucciones, se utilizan para la representación de señales análogas y su procesamiento en tiempo real. Estos dispositivos trabajan con datos en paralelo e instrucciones específicas para el proceso digital. Estos dispositivos se pueden programar en lenguaje C como en lenguaje ensamblador y cada familia tiene su lenguaje ensamblador y sus herramientas propias dadas por el fabricante.

2.7.2 FPGA (Field Programmable Gate Array)

Son dispositivos lógicos programables diseñados para ser configurados, la configuración del FPGA se hace generalmente mediante un lenguaje de descripción de hardware HDL, similar a la utilizada para los circuitos integrados específicos de aplicación ASIC. Los FPGA se pueden utilizar para implementar para cualquier función lógica que podría realizar un ASIC. Los FPGAs contienen circuitos lógicos programables componentes llamados bloques lógicos y una jerarquía de interconexiones reconfigurables que permiten a los bloques ser interconectados, los bloques lógicos se pueden configurar para realizar funciones complejas y combinadas o simplemente lógicas, la mayoría de los bloques de la lógica también contienen elementos de la memoria que pueden ser flipflops o bloques completos de memoria. Los FPGAs contienen también características análogas como velocidad de respuesta y fuerza de impulsión, otra característica del análogo son los comparadores diferenciales en los pines. Se han integrado convertidores análogos digital ADC y digital análoga DAC con bloques de señal análoga acondicionada que permiten funcionar como un sistema en un chip.

40

2.7.3 Microcontroladores

El microcontrolador es un circuito integrado o chip capaz de llevar a cabo procesos lógicos, un microcontrolador puede disponer de un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM, para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz

serie

especializados,

como

I2C

y

CAN,

entre

otros.

Los

microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería [28].

2.8

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

Los sistemas de comunicación son los elementos encargados de poder transmitir información; existen una variedad de sistemas y dispositivos en el cual se debe escoger el más adecuado según el campo de aplicación que se requiera ya sea por la velocidad de transmisión, la distancia de enlace y los protocolos de comunicación, a continuación se hablara de los más importantes para los sistemas de inspección en línea.

2.8.1 SPI (Interfaz Periferico Serial)

Es un estándar de comunicaciones usado para la transferencia de información entre circuitos integrados, utiliza un bus como interfaz de periféricos serie. Cuentan con una línea de reloj, dato de entrada, dato de salida y un pin de chip de selección. 41

Su principal ventaja es que puede minimizar el número de conductores, de tal forma que reduce costos; el hardware consiste en señales de reloj, data in, data out y chip select para cada circuito integrado que tiene que ser controlado. Otra ventaja principal es la comunicación full dúplex, protocolo flexible para tener control absoluto de los bits transmitidos, la implementación en hardware es simple.

2.8.2 UART (Transmisor-Receptor Asincrono Universal)

Es el microchip con la programación de los controles de la interfaz de los puertos y dispositivos serie, se encuentra incorporado en la placa base. El UART convierte los bytes que recibe en una sola serie de bits para la transmisión de salida y en la transmisión de entrada convierte los bits en serie en los bytes que el equipo maneja, además de eso agrega una paridad de bits a las transmisiones y descarta el bit de paridad, maneja interrupciones desde el teclado y ratón.

2.8.3 USB (Bus Serie Universal)

Denominado como el puerto para conectar periféricos, creado en el año de 1996 por empresas que forman el consejo directivo. Este puerto puede conectar varios tipos de dispositivos como son los teclados, cámaras, discos duros, sistemas de adquisición de datos y muchos otros componentes que se pueden conectar sin necesidad de una fuente de alimentación. Se clasifica en cuatro tipos de velocidades de transferencias de datos y las señales de USB se pueden transmitir en cable de par trenzado; este

estándar

especifica

tolerancias

compatibilidad [29].

42

mecánicas

para

maximizar

la

2.9

METODOLOGÍA

Para comenzar el desarrollo de este proyecto es importante tomar una investigación cuasiexperimental como estrategia de control y metodología cuantitativa para analizar los datos recolectados

ya que trabaja una parte

descriptiva y exploratoria para que finalmente se pueda realizar el diseño y fabricación del prototipo. ● Fase de exploración bibliográfica: La exitosa culminación del presente proyecto está relacionada con la calidad y la cantidad de información que se logre recolectar por diferentes medios, de tal forma que se pueda parametrizar y llevar acabo la totalidad de las necesidades que el entorno del mismo proyecto requiere, es así que lo primero a tener en cuenta es tener unas fuentes confiables de información y a su vez realizar las preguntas correctas para que el enfoque de este trabajo se mantenga dentro de los lineamientos reales de la necesidad y de los objetivos propuestos. ●Fase de revisión y restricciones: Así pues teniendo en cuenta lo anterior primero se ha de tener una búsqueda extensa de datos acerca del manejo propio de los oleoductos en nuestro país, para poder tener certeza de datos tales como presión, temperatura, velocidad,(ya que la velocidad para cada fluido depende en gran parte de la viscosidad y la densidad del mismo de tal forma que la herramienta de inspección puede diseñarse para ser enviada durante la trasmisión de crudo, gasolina, o cualquier otro producto o subproducto del petróleo que nos permita una adecuada toma de datos sin pérdida de los mismos debido a velocidades muy altas), de igual forma se debe investigar la forma en la cual son afectadas las teorías por cada uno de los problemas antes mencionados ya que la geometría y la forma en la cual se afecta internamente el ducto puede afectar el diámetro y la forma del ducto en sí obligando a que la herramienta de detección en línea cambie su configuración de tamaño para evitar quedar atrapada durante el trayecto.

43

●Fase de diseño conceptual: La construcción del prototipo mecánico deberá fundamentarse en el diámetro interno del ducto, las deformaciones que sufre el mismo durante su trayecto debido a fallas geológicas, cambios de dirección necesarios para seguir la geografía, válvulas, entre otras. El dispositivo podrá estar conformado por una o más secciones cilíndricas que contendrán la unidad de procesamiento, los sensores, la unidad de baterías, un odómetro y los elementos necesarios para que la presión del fluido impulse el dispositivo a través del ducto; junto con los sensores una unidad magnetizadora se encarga de imprimir el campo magnético en el ducto. Una posible configuración de dicha estructura mecánica puede observarse en la figura 17. Figura 17. Anatomía de un dispositivo de inspección en línea.

Fuente: Autores del Proyecto Basados en http://www.pacificenergypier400.com/index2.php?id=26

La parte posterior del dispositivo ha de ser flexible y crear un sello en el ducto para crear un efecto de tapón que obligue a que la presión del fluido impulse el dispositivo a través de todo el recorrido. ●Fase de diseño electrónico: El diseño electrónico en su parte física estará limitado por el espacio que quede disponible dentro de cada uno de los cilindros que hacen parte del cuerpo del equipo, en cuanto a la parte electrónica del diseño se ha de tener en cuenta la velocidad con la cual viaja el dispositivo, el número de sensores, el tipo de almacenamiento de datos, así como la cantidad de bits necesarios para hacerlo un reconocimiento de la variable.

44

●Fase de montaje, pruebas y resultados: Ya teniendo todos los diseños y elementos que conforman la planta, se hace una evaluación de viabilidad para proceder a la construcción y ensamble de esta forma se hacen las pruebas necesarias para obtener los mejores resultados que se necesitan para cumplir con las especificaciones requeridas y propuestas. ●Fase de recolección y tratamiento de datos: Teniendo en cuenta que el procesamiento de los datos se va a llevar a cabo en un software en el pc, la parte electrónica sólo va a guardar directamente los datos que recibe de cada uno de los sensores. El software para él tratamiento de datos permitirá observar la lectura de cada uno de los sensores de tal forma que al hallarse una imperfección el cambio de valor se notará como un pico o una depresión cuyo valor dependerá del tamaño del defecto.

2.10 PRESUPUESTO 2.10.1 Síntesis del presupuesto Rubro

Justificación

Solicitado UDI

Contrapartida

(en pesos)

(en pesos)

Total

Personal

Ver tabla especifica

$

-

$

5.760.000

$

5.760.000

Materiales

Ver tabla especifica

$

-

$

2.840.000

$

2.840.000

Software

Ver tabla especifica

$

-

-

$

-

Imprevistos TOTAL

$

1.300.000 $

$

200.000

$ $

Fuente: Autores del proyecto

45

1.300.000 200.000 10.100.000

2.10.2 Descripción del recurso humano Dedicación Investigador

Yamid Jaime

Rodolfo Uribe

Formación

Función

académica

(horas x

Valor

semana)

Hora

Recurso

# Sema nas

UDI

Contrapa rtida

(%)

(%)

Valor

Estudiantes pregrado Ingeniería

Responsables

Electrónica

12

$ 10.000

36

0

100

$ 4.320.000

2

$ 20.000

36

100

0

$ 1.440.000

proyecto de investigación

Sergio Zabala

Director del proyecto

TOTAL:

TOTAL

$ 5.760.000

Fuente: Autores del proyecto

2.10.3 Descripción del presupuesto del software Recursos (Pesos) Descripción

Justificación

Valor Unidad

Cantidad

UDI (%)

Solidworks**

Prototipo 3d

Pickit2

Grabación micro

Mplab**

$

Software programación PIC

-

1

0

$ 100.000

1

0

-

1

0

$

Estudiantes (%)

Total

$ $ 100.000 $ 100

-

Ejecución de tareas Computadores personales*

de simulación, desarrollo,

$ 600.000

2

0

$ 600.000

2

100

1

0

$ 600.000

investigación, etc.

Equipos laboratorios**

Pruebas de tarjetas

Aplicación MATLAB 7.1**

manipulación

para de

$

-

datos

TOTAL:

0

$ 600.000

$ -

$ 1.300.000

* Alquiler de equipos de cómputo. **Elementos existentes en la Universidad de Investigación y Desarrollo. Fuente: Autores del proyecto

46

2.10.4 Descripción y justificación de materiales

Descripción

Valor

Justificación

Unidad

Procesamiento de la

Elementos CPU

Recursos (Pesos) Cantidad

UDI (%)

Total

2

0

100

$ 70.000

NA

NA

0

100

$ 600.000

NA

NA

0

100

$ 400.000

$ 200.000

0

0

100

$

Material de apoyo

$ 200.000

0

0

100

$ 200.000

Registro de datos

$ 100.000

1

0

100

$ 100.000

$ 5.000

74

0

100

$ 370.000

Cuerpo del prototipo

$ 400.000

1

0

100

$ 400.000

Fabricación prototipo

$ 400.000

1

0

100

$ 400.000

$ 100.000

1

0

100

$ 100.000

toma de datos

$ 35.000

Contrapartida (%)

Elementos circuitales varios: Montajes

dispositivos

de

pasivos, circuitos prototipos. integrados varios, etc. Diseño

e

construcción

de

PCB

Tarjetas

hardware

finales

Elementos fuente de

poder,

baterías,

Suministro

de

la

tensión continua al

reguladores

200.00

circuito

elementos electrónicos varios Fotocopias

y

adquisición

de

material bibliográfico Elementos

para

almacenar datos

Elementos Sensores

para

la

medición y actuación de las variables.

Diseño Mecánico Mecanizado

de

piezas Tubería diámetro

6’

de

x

2 Pruebas

metros, (Dummy) TOTAL:

$ 2.840.000

47

3

DESCRIPCIÓN

En el presente capítulo, se presenta al lector un panorama detallado de la implementación del prototipo; centrado en el diseño de la etapa física del sistema, la justificación de la fabricación y puesta a punto del mismo, la electrónica

asociada

(sensórica

y

circuitería),

destacables. 3.1

DIAGRAMA ILUSTRATIVO

Figura 18. Diagrama ilustrativo general del sistema.

Fuente: Autores del Proyecto

48

entre

otros

elementos

Este diagrama ilustrativo

permite observar el proceso para el cual está

diseñado el prototipo, dicha función es viajar a través de la tubería de seis pulgadas de diámetro impulsado por la presión del fluido, durante dicho viaje un cabezal de sensores compuesto por una dupla de imanes de Neodimio que se encuentran sujetos en extremos opuestos de un cabezal de material ferró magnético, magnetiza esta tubería hasta el punto de saturación en la sección comprendida entre ambos, cuando una sección de la tubería que se encuentra dañada pasa entre los dos imanes se genera un efecto denominado fuga de flujo magnético, en el cual el flujo magnético se separa de la superficie de la tubería atravesando los sensores que se encuentran en medio del cabezal, cuando este flujo magnético atraviesa el sensor la cantidad de flujo es discriminada gracias al efecto Hall que se opera al interior del sensor, dicho sensor entrega una señal lineal proporcional a la cantidad de flujo magnético detectado, esta señal análoga es recibida por el microcontrolador que se encarga de la conversión análoga/digital y su posterior grabado en una tarjeta de almacenamiento masivo. Cuando el dispositivo llega al final del recorrido de la tubería la tarjeta de almacenamiento masivo es retirada y los datos allí almacenados son leídos en un computador en el cual una cadena de comandos del programa MATLAB se encarga de permitir la visualización de los datos para su estudio e interpretación.

3.2

MODELAMIENTO EN SOLIDWORKS18

Para realizar la geometría de las piezas se elaboró un diseño basado en una tubería de 6 pulgadas de diámetro, los diseños creados de las piezas se toman como referencia para elaborar el diseño final, ya que ésta herramienta permite hacer mejoras sobre las piezas para moldearlas y simularlas en un entorno de 3 dimensiones.

18

Programa de diseño asistido por computadora para modelado mecánico

49

Una de las piezas más importantes es el cabezal de sensores el cual fue modificado en varias ocasiones para darle las dimensiones ideales requeridas en el prototipo, también se realizaron modelos en icopor, permitiendo tener medidas reales y tangibles del prototipo.

3.2.1 Módulo de sensado Este módulo está diseñado para alojar 4 sensores con sus respectivos imanes y escobillas, este módulo está construido en material ferró-magnético ya que los polos magnéticos de los imanes deberán conformar un circuito cerrado donde el flujo magnético viaja a través del módulo desde el norte hacia el sur magnético, asimismo el módulo cuenta con las perforaciones necesarias para su posicionamiento y el posicionamiento de los elementos que lo conforman como se observa en la figura. Figura 19. Módulo de alojamiento de sensores, imanes y escobillas.

Fuente: Autores del Proyecto

3.2.2 Base de escobilla Esta base estará puesta sobre un imán de neodimio que a su vez estará alojado en el módulo de sensado, contara con 49 cerdas metálicas que se alojan en las 49 perforaciones de la base, de esta forma se podrá transmitir el campo magnético de imán hacia la pared del tubo, el modelamiento de esta pieza se puede observar en la figura 20 y 21.

50

Figura 20. Módulo de alojamiento de las cerdas metálicas escobilla.

Fuente: Autores del Proyecto

Figura 21. Módulo de sensado.

Fuente: Autores del Proyecto

3.2.3 Cabezal de sensado Este cuenta con 16 módulos de alojamiento de sensores organizados en circunferencia con lo cual el cabezal completo cuenta con 64 sensores, 32 imanes y 32 escobillas, este cabezal está montado sobre un tramo del ducto de dos pulgadas de diámetro recubierto por una capa de aproximadamente media pulgada de espuma de alta resistencia que permiten que los módulos se expandan y contradigan para así ajustarse a la geometría cambiante del ducto, ya que durante su recorrido él mismo sufre desviaciones e incluso abolladuras que lo comprimen o estiran cambiando su perfil.

51

Figura 22. Cabezal de sensado.

Fuente: Autores del Proyecto

Figura 23. Vistas de Cabezal de sensado.

Fuente: Autores del Proyecto

3.2.4 Módulo de alojamiento de las tarjetas Éste diseño se realiza para dos módulos, uno de alojamiento de tarjetas de procesamiento de datos y otro módulo para la tarjeta de alimentación del circuito; para el módulo de alojamiento de las tarjetas se hace necesario diseñar un tapa de 12 cm de diámetro la cual tendrá 16 perforaciones con un diámetro de 12 mm cada una, esto se hace necesario ya que se colocaran

52

conectores para poder comunicar la tarjeta de procesamiento de datos con los conectores de los sensores esto lo podemos observar en la figura 23 . Figura 24. Tapa de conectores.

Fuente: Autores del Proyecto

Para el módulo de alojamiento de las tarjetas se diseña un cuerpo cilíndrico de 15cm de largo y 12cm de diámetro el cual las protegerá contra los elementos externos, esto se puede observar en la figura 24. Figura 25. Cuerpo de alojamiento.

Fuente: Autores del Proyecto

53

3.2.5 Ejes de cardan Para poder unir cada sección del prototipo se diseñaron ejes de cardan los cuales permiten que el cuerpo de cada sección se mueva sin ninguna dificultad y que la energía del movimiento se transmita en forma óptima. Figura 26. Ejes de cardan.

Fuente: Autores del Proyecto

3.2.6 Prototipo completo Las siguientes figuras

presentan al lector un diseño completo de todo el

ensamble con texturas y acabados para dar un ambiente real de cómo debe quedar el prototipo en el momento de ser armado. Figura 27. Vista del prototipo.

Fuente: Autores del Proyecto

54

3.3

PROTOTIPO DABEMITH 632

DABEMITH 632 es el nombre comercial que los autores del presente proyecto escogieron, su nombre tiene relación con los componentes y con el ambiente que manejara. Su significado es: Dispositivo Autónomo Basado en Efectos Magnéticos para la Inspección de Tuberías de Hidrocarburos (6 pulgadas de diámetro, 32 unidades de sensado) 3.4

SENSORES

En la siguiente tabla se observa las posibles opciones de los sensores que se pueden utilizar con sus principales características así como su disponibilidad en el mercado. Tabla 1. Comparación de las características principales de sensores.

UGN3503 Sensor

U

SS361RT SS351AT SS495A1-T3

OH090U

Voltaje de

4,5 A 6

3 A 18

3 A 24

operación

VOLT

VOLT

VOLT

5 o 9 volt

volt

suministrada

9mA

8mA

4,5mA

8,7mA

6mA

Rango de

(-20 a 85

(-40 a

(-40 a

temperatura

C)

150 C)

150 C)

5 o 9 o 12

Corriente (-40 a 150 (-40 a 150 c)

C)

200

465 G

Baja

Media

Campo magnético

900 G

Sensibilidad

Alta

Sin limite sin limite Alta

Alta

Omnipola

Proporcionar

Tipo operativo

Bipolar

r

Bipolar

lineal

Hallogic

Tamaño en ml

4*3

4*2

4*2

8*5

4*3

Precio

$4000

$6000

$5500

$6000

$7000

Disponibilidad

SI

No

No

No

Si

Fuente: Autores del Proyecto

55

Una de las opciones es el sensor SS361RT tiene una alta sensibilidad para campos magnéticos de 50 Gauss y una temperatura de 25°C, tiene una amplia gama de tensión que va desde los 3vcc hasta los 24 voltios vcc. El sensor APS00B tiene una alta resolución magnética angular ya que permite realizar mediciones de +- 90° con una capacidad de resolución de de 0.05°, tiene una respuesta de 0 a 5 MHz con 190 Gauss de campo aplicado, apto para aplicaciones de alta velocidad, solo requiere 5 va 4 mA Para el sensado se decidió utilizar el sensor UGN3503U ya que tiene una respuesta lineal para campos magnéticos con un B>2;

// Send HIGER 8 bits to hbits

Mmc_Fat_Write(hbits); ADC1_Get_Sample (0), La secuencia es una rutina preconfigurada del programa que permite tomar la muestra del canal deseado y ejecuta su conversión analógica digital.

72

4.2

GUI DE MATLAB

La GUI (Graphical User Interface) se encarga de hacer más asequible al usuario los datos plenamente almacenados, ya que como su nombre lo indica la secuencia de comandos necesaria para la manipulación de los datos se lleva a cavo a través de una interfaz gráfica de fácil manejo y cuyos comandos son intuitivos. La ventana de la GUI cuenta con 6 espacios: El primer espacio es un botón a través del cual se busca el archivo al cual se quiere manipular, una vez se secciona dicho archivo la dirección del mismo aparece en el segundo espacio que es un espacio de texto fijo inmediatamente se produce la primer manipulación de dicho archivo por parte del programa entregando algunos datos de variables en la pantalla de comandos de Matlab, de allí se puede extraer el número de columnas que contendrá la matriz creada a partir del archivo dicho dato se procede a insertar en el siguiente espacio, nuevamente un botón permite la búsqueda del archivo, que al ser seleccionado entrega un gráfico de los datos procedentes del archivo. El gráfico entregado corresponde en sus tres dimensiones a los siguientes parámetros: Valor de la lectura, número del sensor, muestra. Teniendo en cuenta que el dato correspondiente al valor de cada muestra a sido previamente almacenado en un formato binario de igual forma la lectura de datos llevada a cavo por Matlab es la de un binario. Debido al poco entrenamiento con que contaban los autores del presente proyecto, la creación de esta interfaz gráfica requirió de gran investigación y un proceso de construcción basado en ejemplos y ensayos de prueba y error por lo cual si bien la interfaz es totalmente operable en este momento la misma aún se encuentra en etapa de optimización. La siguiente figura muestra la interfaz gráfica e identifica sus partes.

73

Figura 45. Interfaz gráfica de usuario de Matlab.

Fuente: Autores del proyecto.

74

5

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS

El funcionamiento del prototipo se divide básicamente en dos fases, la primera fase consiste en hacer pruebas en tramos rectos con cada módulo de sensado, de esta forma garantizamos el funcionamiento de cada uno de ellos logrando así discriminar cualquier modulo con alguna falla. La segunda fase consiste en hacer pruebas sobre una tubería de 6 pulgadas de diámetro con un número de defectos y anomalías para lo cual el prototipo tendrá la capacidad de tomar estos registros y poderlos ver gráficamente de esta forma se garantiza que los cables y la tarjeta están funcionando correctamente. 5.1

RUEBAS Y RESULTADOS DE LA PRIMERA FASE

Estas pruebas se realizaron con cada módulo de sensado con campo magnético y sin campo magnético teniendo un total de 32 gráficas por los 16 módulos que conforman el cabezal esto se puede observar en las siguientes gráficas, la del lado izquierdo es una gráfica sin campo magnético y la del lado derecho con campo magnética. En el cabezal de prueba 1 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 46. Cabezal 1.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 2 se observa en la gráfica izquierda que existe un sensor que está en corto lo mismo se observa en la gráfica derecha pero esto

75

no significa que el modulo este completamente dañado ya que los otros tres sensores si están detectando las anomalías. Figura 47. Cabezal 2.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 3 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 48. Cabezal 3.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 4 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 49. Cabezal 4.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 5 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía.

76

Figura 50. Cabezal 5.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 6 se observa en la gráfica izquierda una pequeña no alinealidad de un sensor pero está cumpliendo con su función de sensar como se observa en la gráfica derecha. Figura 51. Cabezal 6.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 7 se observa en la gráfica izquierda que existe un sensor que está en corto lo mismo se observa en la gráfica derecha pero esto no significa que el modulo este completamente dañado ya que los otros tres sensores si están detectando las anomalías. Figura 52. Cabezal 7.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 8 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía.

77

Figura 53. Cabezal 8.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 9 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 54. Cabezal 9.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 10 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 55. Cabezal 10.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 11 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía.

78

Figura 56. Cabezal 11.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 12 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 57. Cabezal 12.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 13 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 58. Cabezal 13.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 14 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía.

79

Figura 59. Cabezal 14.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 15 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 60. Cabezal 15.

Fuente: Autores del proyecto.

En el cabezal de prueba 16 se observa en la gráfica que todos los sensores están

correctamente estabilizados y en la gráfica derecha se observa el

comportamiento cuando detecta una anomalía. Figura 61. Cabezal 16.

Fuente: Autores del proyecto.

5.2

PRUEBAS Y RESULTADOS SEGUNDA FASE

En ésta segunda fase el lector se informara y vera la evidencia de cómo se hicieron las pruebas y los resultados que se obtuvieron

del prototipo

DABEMITH 632. Para poder realizar las pruebas se introdujo el prototipo en un

80

tubo de 6 pulgadas de diámetro con 2.4 mts de largo y su espesor es de ¼ de pulgada estos tubos están hechos de hierro fundido o acero según la norma API20, su revestimiento interno y externo se pueden ver en la siguientes figuras. Figura 62. Estructura externa del tubo.

Fuente: Autores del proyecto.

Figura 63. Estructura interna del tubo.

Fuente: Autores del proyecto.

Para empezar con el proceso de pruebas se introduce el cabezal de sensado del prototipo DABEMITH 632 en el tubo; en esta parte del proceso se ajustó cada módulo de sensado para que se pudiera adaptar a la circunferencia del tubo, cabe aclarar que para que pudiera tener movimiento se le ajusto una guaya al cabezal de sensado para poder halarlo del otro extremo del tubo. Estas pruebas se realizaron varias veces para poder obtener datos

20

Instituto Americano de Petróleos

81

satisfactorios para confirmar la repetitividad y confiabilidad de los resultados, el proceso de inserción y pruebas del prototipo se puede observar en las siguientes figuras. Figura 64. Prueba 1 del prototipo.

Fuente: Autores del proyecto. Figura 65. Prueba 2 del prototipo.

Fuente: Autores del proyecto. Figura 66. Prueba 3 del prototipo.

Fuente: Autores del proyecto.

82

Con los datos obtenidos y almacenados en la memoria se procedió a efectuar una revisión de los resultados así como el ajuste mecánico de ciertas piezas que en su momento provocaron fallos en el desplazamiento y en las medidas, usando el programa básico de Matlab se graficó cada una de las pruebas dentro de las cuales se obtuvieron los siguientes resultados 5.2.1 PRUEBA NUMERO 1 A LA 6 Las primeras seis pruebas fueron básicamente pruebas de ajuste que permitieron detectar fallos en diferentes zonas del prototipo, fallas que procedían de diferentes orígenes, las principales eran: Fallas mecánicas, estas fallas provenían de la estructura física del prototipo unas de ellas eran, desajuste de las piezas del cabezal de sensores por lo cual el mismo no ingresaba correctamente en el ducto o el cabezal quedaba separado de la pared. Fallas en los ejes de cardan debido al material de construcción, por ultimo fallas en el desplazamiento debidas a la longitud de los cables. Fallas eléctricas, algunas de estas fallas están asociadas

a soldaduras

defectuosas, conectores con problemas de ensamblaje y cables demasiado gruesos que producían contacto innecesario entre conductores. La siguiente gráfica muestra el comportamiento de la tarjeta en ausencia de sensores es decir los pines correspondientes a los canales análogos digitales se encontraban al aire, podemos observar el ruido presente debido a la ausencia de señal.

83

Figura 67. Gráfica datos sin sensores.

Fuente: Autores del proyecto.

Durante las primeras pruebas las fallas mecánicas y electrónicas hacían que el comportamiento de los datos fuera errático como se observa en la siguiente figura. Figura 68. Gráfica de primeros datos obtenidos.

Fuente: Autores del proyecto.

84

Consecuentemente con la sucesiva solución de fallos las gráficas poco a poco se iban refinando y mostrando valores más cercanos a la realidad como se puede ver en la siguiente figura. Figura 69. Gráfica de primeros datos obtenidos.

Fuente: Autores del proyecto.

5.2.2 Pruebas 7 al 12 Unas vez solucionadas los fallos más graves las gráficas tienden a mejorar y a mostrar valores reales y puntos concretos de daño en el ducto (daños producidos por los autores del proyecto bajo condiciones controladas), ahora pueden observarse algunos fallos que no corresponden a toda la gráfica si no que son fallos puntuales en algunos puntos del recorrido, estos están asociados a problemas en el ajuste del cableado pero no constituyen fallas que desestimen la veracidad de todos los datos adicionales, estos resultados se pueden ver en la siguiente figura.

85

Figura 70. Gráfica de pruebas sin fallos graves.

Fuente: Autores del proyecto.

Al lograr resultados coherentes con los fallos existentes en el ducto las gráficas reestabilizaron mostrando patrones definidos y mostrando la detección de fallas en puntos específicos acordes con el tamaño y la ubicación de las imperfecciones

del ducto. Estos resultados se pueden identificar de varias

formas al observar la gráfica desde diferentes ángulos como se puede observar en las siguientes gráficas. Figura 71. Gráfica resultados finales vista 3D.

Fuente: Autores del proyecto.

86

La vista superior de las gráficas de los resultados también permiten observar los daños con la ventaja adicional de que grandes picos no obstruyen la vista de daños que se encuentran es sitios posteriores o alejados, esto se evidencia en las siguientes figuras. Figura 72. Vista superior de resultados graficados

Fuente tomada de: Autores del proyecto.

87

6

CONCLUSIONES

El uso de sistemas electrónicos y digitales para la exploración, limpieza y análisis de los ductos de la industria petrolera surgieron como una necesidad casi desde el mismo inicio del transporte de hidrocarburos a través de poliductos, para tal fin se desarrollaron diferentes procedimientos y tecnologías que han evolucionado a la par con la ciencia y la tecnología, esto es evidente al hacer una revisión exhaustiva de la bibliografía existente tal como se desarrolló en el documento del estado del arte. Al desarrollar una solución para este tipo de problema es necesario hacer una revisión profunda de aquellos elementos electrónicos que pueden conformar el dispositivo, enfrentándose a múltiples desafíos como es las características básicas de los elementos electrónicos, su accesibilidad y la resistencia a los factores físicos y mecánicos a los que se ven expuestos; todas estas características van descalificando las opciones hasta reducirlas aun número muy pequeño que limita la capacidad de los diseñadores. Al estar el proyecto dividido en dos partes una electrónica y otra mecánica, los autores se enfrentan a un desafío para el cual están poco preparados, ya que el ajuste mecánico de las piezas y en general del prototipo conllevan a muchas horas de investigación y pruebas en busca de la optimización y de un funcionamiento que amalgame de forma perfecta lo mecánico y lo electrónico en búsqueda de resultados óptimos. La adquisición de datos in situ se complementa con una óptima manipulación de estos, convirtiendo esta manipulación y graficación en un paso tan importante como los anteriores ya que de esto depende que el analista pueda realizar una evaluación certera y objetiva

acerca de los pasos a seguir en

cuanto a mantenimiento preventivo y correctivo en campo.

88

La oportunidad de realizar una investigación de este tipo es de gran interés por los conocimientos adquiridos a medida que se fue desarrollando el prototipo ya que genera una ambiente especial, porque estas investigaciones son muy cerradas y no permiten la divulgación de su información debido a los costos que representa desarrollar estas tecnologías, lo cual representa un reto para el investigador pues casi no cuenta con información relacionada y la misma cambia dependiendo la aplicación dada.

89

7

RECOMENDACIONES

El mejoramiento del prototipo a partir del punto en que queda el presente diseño deberá pasar primero por una labor de miniaturización en

aras de

disminuir el tamaño del prototipo e incluir otros módulos importantes y que mejorarían el desempeño del prototipo, como son módulos de filtrado e incluso amplificadores de señal. El diseño mecánico debe complementarse teniendo en cuenta algunas características que no fueron analizadas en el presente proyecto, algunas de estas son la presión dentro del ducto y la durabilidad de algunos elementos que se ven expuestos a desgaste por corrosión, fricción y exposición a agentes químicos. Es importante realizar un diseño electrónico de forma concienzuda y que algunos elementos tienen características eléctricas incompatibles por lo cual el voltaje e un elemento si no está bien aislado pueden destruir el microcontrolador como sucedió en las primeras etapas de diseño. La búsqueda de elementos para la construcción electrónica del prototipo no siempre debe limitarse al entorno local o nacional, existen opciones en el extranjero para la adquisición de tecnología inexistente en el país, los autores del proyecto debieron recurrir al uso de proveedores como eBay para la compra de elementos como el microcontrolador y algunos otros que hicieron parte de la fase inicial de diseño; sin embargo hay que tener en cuenta que algunos elementos se encuentran en países muy lejanos, caso del microcontrolador que fue adquirido en Singapur y que tomo tres semanas en llegar.

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