ÍNDICE DE TABLAS
ANTECEDENTES DEL DESARROLLO DE “DIABLOS” INSTRUMENTADOS
CAPITULO 1
ANTECEDENTES DEL DESARROLLO DE “DIABLOS”
INSTRUMENTADOS
1.1. Diablos No Inteligentes o Convencionales.
Un diablo convencional, es un dispositivo que no posee instrumento alguno que detecte defectos o anomalías en los ductos.
Funciones principales: eliminación, separación de fluidos o limpieza.
1.1.1. Diablos de pistoneo.
Un diablo de pistoneo se utiliza para preparar un ducto vacío antes de transportar el fluido de interés, con la finalidad de eliminar agua condensada y remueve la acumulación de óxidos en la tubería.
Figura 1.1. Diablos para limpieza tipo espuma de poliuretano. [31]
1.1.2. Diablos para separación por lotes.
Se emplea para transportar diversos fluidos. Esto se logra mediante uno o dos diablos que usan copas de tipo convencional.
Otro diablo que se emplea para este efecto, es el de esfera efectúa su recorrido por diferentes tamaños de ductos.
Debido a diversas causas los ductos pierden su geometría circunferencial, ovalizándose, de ahí que para tener un buen contacto entre el diablo y el ducto y que a la vez se adapte a las paredes internas de la tubería, se prefiera a los de geometría esférica.
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES DEL DESARROLLO DE “DIABLOS” INSTRUMENTADOS
1.1.3. Diablo de limpieza.
Un diablo convencional de copas está formado básicamente por un tramo de tubería, en sus extremos se sueldan dos bridas en donde se sujetan copas de elastómero con tornillos de acero.
Figura 1.3. Diablo convencional de 4 copas.
Se ensamblaron elementos de limpieza entre las copas, para la limpieza de sus elementos y para prevenir la obstrucción, se hicieron agujeros permanentes en la parte trasera del cuerpo. El centro del cuerpo se selló con una placa, y en la parte frontal se equipó con tapones roscados. Además, este arreglo proporciona un balance efectivo de la presión en la copa trasera, se transfiere la propulsión a la copa frontal, lo que significa que el diablo es jalado a través del ducto, en lugar de ser empujado de la parte trasera. En la figura 1.4 se muestra este diablo.
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1.2. Características Generales de los Diablos Instrumentados.
Un diablo es un dispositivo mecánico o electromecánico, que viaja en el interior de un ducto por medio de una presión diferencial. Sus funciones principales son limpieza e inspección.
Un diablo instrumentado está compuesto por 3 módulos: módulo de baterías, módulo de sensores, y un módulo de grabación. en cada módulo se acoplan al menos dos copas de elastómero tipo cónico, éstas soportan el peso del diablo y lo direccionan en su recorrido.
en la parte trasera del módulo de grabación se instalan unas ruedas odómetro de diámetro conocido, su función es calcular la localización del defecto. También se acopla una cápsula radioactiva o ultrasónica, que se utiliza para detectar el instrumento en puntos de referencia. En la figura 1.6
Figura 1.6. Esquema general de un diablo instrumentado.
La tabla 1.1 no representa a todos los diablos que existen hoy en día, tampoco a todas las compañías involucradas en la investigación y desarrollo de estos dispositivos, pero da una idea de la tecnología y el equipo utilizado en la actualidad.
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES DEL DESARROLLO DE “DIABLOS” INSTRUMENTADOS Nombre del
Instrumento Compañía Sistema De detección Propósito Año Medición de diámetros y diablos geométricos
Calibrador T. D. Williamson Mecánico y físico Asegurar que el ducto tiene un diámetro libre de obstrucciones 1950 Diferencial de
presión T. D. Williamson Mecánico y físico Localizar reducciones de diámetro, el incremento de presión se relaciona con la magnitud de la obstrucción
Mediado s de los 60´s Kaliper de
Observación T. D. Williamson Electromecánico Medir las reducciones de diámetro, y detectar cualquier obstrucción Mediados de los 60´s Detector roof-
efect
Pipeline Service Electromecánico Diseñado para detectar deformación circunferencial en soldadura causado por rolado
Mediado s de los 60´s Calibre topógrafo Pipeline Service Electrónico Mide el diámetro mínimo sobre una
distancia determinada
Mediado s de los 60´s Caliper HRE H. Rosen
Engineering Electrónico La medición del diámetro es acompañada por un ensamble de calibradores de deformación en un disco de poliuretano
Mediado s de los 60´s
Detección y medición de la corrosión
De diferencial de
presión y temperatura
T. D. Williamson Mecánico y físico Permite hacer una comparación entre las condiciones reales y teóricas del ducto
Mediado s de los 60´s Detección
magnética Vetcolog Magnético Utiliza un campo magnético para inducir un flujo magnético en la pared de la tubería 1965 Detección magnética International Pipeline Engineering Ltd.
magnético Capaz de detectar corrosión interna y deformaciones
1972 Detección
ultrasónica Elf Aquitaine and Det Norske Veritas
Ultrasónico Los sensores ultrasónicos se deben mantener en contacto cercano a las paredes de la tubería
1972
RTD Caliper plus RTD en Holanda Electrónica Capaz de detectar mediciones geométricas y corrosión. Los sensores localizan picaduras de corrosión.
1983
WLC AMF Tuboscope
Linalog Magnético Detección de grietas en soldaduras 1983
Detección de fugas
Caída de presión HRE Mecánico y físico Trabaja sobre el principio de la medición de caída de presión entre dos puntos.
1984 Medición del flujo H. Rosen
Engineering Mecánico y físico Trabaja sobre el principio de registro de caudal y dirección del flujo a través del diablo cuando pasa por un orificio.
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Ultrasonido Maihak Shell Ultrasónico El fluido que escapa a través de orificios causa ondas de sonido. Las frecuencias de ondas dependen de un número de factores cuando se relacionan con los ductos.
1985
1.3. Antecedentes de las corridas de diablos.
La instalación del equipo en un diablo instrumentado es delicada, ya que debe viajar cientos de kilómetros sujetos a presiones altas y cambios rápidos de velocidad. Así como a vibraciones durante su recorrido.
1.3.1 Mantenimiento de ductos.
La pared interna de la tubería se deteriora debido principalmente a los productos que se transportan y a las condiciones de servicio.
Si la eficiencia se reduce, implica que el diámetro del ducto se hace estrecho, incrementa la rugosidad de la pared de la tubería. también se deteriora hasta que se corroe.
Como puede verse en la figura. 1.9 la disminución de la fricción interna, se reduce cuando se realiza una corrida usando un diablo de limpieza.
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1.3.2. Inspección de ductos.
La necesidad de inspeccionar internamente los ductos ha tenido como resultado el uso de un gran número de diablos instrumentados diseñados para detectar pérdidas de metal, grietas, abolladuras, perfiles topográficos, etc.
La inspección interna de ductos, se realiza para:
¾ Incrementar la vida de los sistemas de ductos existentes, y reducir el costo elevado si se reemplazan las partes defectuosas.
¾ Detectar la corrosión.
1.3.3. Detección de defectos.
El diablo calibrador debe lanzarse antes de utilizar un diablo instrumentado, se coloca un disco de aluminio de un diámetro determinado (diám. de compresión de los sensores), al final de la corrida se analiza el disco y se decide si se puede correr un diablo instrumentado.
¿Cómo se identifica una anomalía en un ducto?: (a). La localización del defecto.
La localización se determina con el uso de una rueda de odómetro, rotan libremente apoyándose contra la pared de la tubería de una circunferencia conocida.
(b). La extensión del defecto.
Las anormalidades se determinan con una amplia variedad de sistemas, incluyendo, mecánico, eléctrico/electrónico, magnético, ultrasónico y dispositivos acústicos.
1.4. Propósito de una corrida de diablos.
Razones para efectuar una corrida de diablos: a) Reducción de:
¾ La contaminación del producto. ¾ Los costos de energía.
¾ La erosión en maquinaria rotatoria, utilizada en las estaciones de compresión.
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c) Corrosión.
Es importante establecer los espesores en los diversos tramos de los ductos, el fin de verificarlos y a partir de esto establecer su integridad estructural.
1.5.1 Diablo instrumentado de flujo magnético.
Utiliza el principio de la dispersión de flujo magnético para localizar pérdidas de material ocasionadas por la corrosión. La densidad del flujo se induce en la tubería hasta el nivel de saturación.
Cuando existe un cambio en la pared de la tubería los sensores registran perturbaciones en el flujo magnético, éstas se almacenan en el módulo de grabación. Los datos de la inspección se procesan en cuatro etapas:
1. Se igualan con las lecturas del odómetro y de los marcadores superficiales. 2. Se buscan los defectos localizados en un umbral.
3. Cada defecto se examina por analistas experimentados.
4. Las pérdidas de metal causadas por corrosión, o daño mecánico, se clasifican según el grado de severidad.
1.5.2. Técnica del flujo magnético.
Para detectar la pérdida de metal en una tubería de acero, se aplica un intenso flujo magnético en la pared de la tubería. Las perturbaciones del campo magnético debido a la pérdida local de metal se detectan por un sensor que evalúa la dispersión de flujo magnético, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1.13.
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Sin el procesamiento de datos, esta señal no se puede interpretar.
Los diablos de flujo magnético son insensibles al fluido en los ductos, líquidos, gas. Esto los hace más atractivos comparándolos con el ultrasonido, el cual requiere un fluido homogéneo.
Figura 1.15. Lado izquierdo se muestra la información obtenida por el diablo en una inspección interna, lado derecho se muestran los mismos datos procesados.
Los efectos de las propiedades magnéticas generales y locales de un ducto se eliminan por la saturación magnética de la pared en la tubería. Los diablos de flujo de diámetro pequeño solamente son adecuados para espesores de pared delgados.
Los diablos de flujo magnético también son sensibles a las variaciones de espesor de pared locales presentes en tubería sin costura. Éste crea señales que pueden confundir las señales relevantes más débiles de las áreas de las pérdidas de metal.
1.5.3. Descripción de un diablo de ultrasonido.
Fueron introducidos en los 80’s, emplean la técnica de onda a 45°, debe correr en un medio homogéneo para que detecte, mida y localice grietas orientadas a lo largo de la dirección longitudinal de la tubería.(figura 1.17).
Si la onda ultrasónica encuentra una grieta en la pared, se reflejada hacia el sensor, que además actúa como un receptor. Si conoce la distancia desde el transductor hasta la pared de la tubería, el espesor de la pared y el tiempo transcurrido entre la transmisión y la señal reflejada, se caracteriza la posición y la dimensión.
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Figura 1.17. Principio de la técnica de ultrasonido. [21]
1.5. Planteamiento del problema.
Las tuberías tienen otro tipo de problema, los esfuerzos residuales; éstos se pueden generar por diversas causas, procesos inadecuados de enfriamiento de soldadura o deformaciones plásticas. El objetivo de éste trabajo es proporcionar las bases técnicas para el diseño y construcción de un sensor magnético de esfuerzos, que deberá cubrir los siguientes puntos:
¾ Realizar el diseño de un banco de pruebas.
¾ Realizar el trabajo experimental, y compararlo con los resultados obtenidos por científicos.
¾ Analizar el comportamiento obtenido durante las pruebas experimentales.
¾ Proporcionar las características técnicas para el diseño y construcción del sensor magnético de esfuerzos.
CAPÍTULO 1
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“DIABLOS” INSTRUMENTADOS
CAPITULO 1
ANTECEDENTES DEL DESARROLLO DE “DIABLOS”
INSTRUMENTADOS
1.1. Diablos No Inteligentes o Convencionales.
Un diablo convencional, es un dispositivo que no posee instrumento alguno que detecte defectos o anomalías en los ductos, ya que su función principal es eliminación, separación de fluidos o limpieza. En los años 50’s y a inicios de los 60’s, se desarrolló este tipo de diablos que fueron de suma importancia, y por lo tanto, se generaron diversos tipos para satisfacer las condiciones antes mencionadas.
Las funciones principales de los diablos no inteligentes son las siguientes: ¾ Pistoneo (eliminación de líquidos o gases);
¾ Separación por lotes (separación de distintos fluidos); ¾ Limpieza (eliminación de sólidos).
1.1.1. Diablos de pistoneo.
Un diablo de pistoneo se utiliza para preparar un ducto vacío antes de transportar el fluido de interés, con la finalidad de eliminar agua condensada y también ayuda a remover la acumulación de óxidos en la tubería principalmente. En otras palabras, se hace la limpieza de la tubería.
La invención de la espuma de poliuretano proporcionó a la industria de ductos un material altamente flexible con el cual se hace un diablo de pistoneo sencillo y económico. La figura 1.1 muestra diferentes tipos de diablos de espuma de poliuretano. Las ventajas de los diablos de espuma son su costo bajo, su habilidad para recorrer ductos de configuraciones difíciles y son altamente sensibles a los cambios de geometría, aún en ductos bloqueados.
En otras palabras la forma oval es común en los ductos de diámetros grandes y de la forma cónica de estos diablos, rápidamente se conforma a la forma oval sin cambio en la circunferencia.
El requisito esencial de un diablo de pistoneo es obtener y mantener un buen sello. Primero se emplearon diablos con dos copas de elastómero. Posteriormente, se construyeron diablos para usar tres, cuatro, cinco y hasta seis copas. Generalmente se aceptó que se usarán diablos de cuatro copas para el pistoneo, a pesar de sus deficiencias.
Figura 1.1. Diablos para limpieza tipo espuma de poliuretano. [31]
También se diseño y patento la limpieza con esferas en forma de un dodecaedro. La patente de limpieza de esferas fue adquirida por GD Engineering.
1.1.2. Diablos para separación por lotes.
Un ducto es una instalación industrial de costo elevado, de ahí que con el fin de bajar los costos de operación, se emplea para transportar diversos fluidos. Por lo tanto, el propósito de un diablo de separación por lotes es ayudar a transportar distintos fluidos en un mismo ducto. Esto se logra mediante uno o dos diablos que usan copas de tipo convencional. Esto es antes de enviar el nuevo fluido, se lanza un diablo el cual puede ser impulsado por aire, agua o líquido y posteriormente se envía otro diablo, el cual es impulsado con el nuevo fluido. La pérdida de producto será insignificante, o al menos degradado, debido a la combinación de las mezclas de los productos. Cuando esto ocurre se podría deber al desgaste de los diablos, y con ello permitir que el producto pase entre estos y la pared de la tubería.
Otro diablo que se emplea para este efecto, es el de esfera. Estos son de gran utilidad en los sistemas de recolección, donde es necesario que los diablos hagan su recorrido por diferentes tamaños de ductos, de un diámetro pequeño a un diámetro mayor.
Es importante hacer notar que debido a múltiples causas (golpes, asentamientos de tierra, entre otras), los ductos pierden su geometría circunferencial inicial, ovalizándose, de ahí que para tener un buen contacto entre el diablo y el ducto y que a la vez se adapte a las paredes internas de la tubería, se prefiera a los de geometría esférica, esto le da una gran ventaja de adaptarse al contorno.
Las esferas originalmente se fabricaron de elastómeros. Las más pequeñas eran a menudo fabricadas para un tamaño específico y sólido. Así mismo, la mayoría de las esferas, son huecas y se inflan de acuerdo al tamaño de ducto requerido con una mezcla de agua - glicol.
No hay muchas formas de que una esfera pueda perfeccionarse excepto en estos materiales. El elastómero a menudo reacciona con los hidrocarburos generando ampollas y su resistencia al desgarre es menor en la parte inferior. Esto ocasiona sus fallas prematuras y, por ello la mayoría se manufacturan de poliuretano.
Figura 1.2. Diablos para limpieza tipo esfera. [31] 1.1.3. Diablo de limpieza.
El diseño y construcción de los diablos de limpieza se inició a mediados de este siglo principalmente en Estados Unidos y en el continente Europeo en: Alemania, Inglaterra y Francia, debido principalmente al incremento de ductos de petróleo y gas. Estos generalmente eran de diámetro pequeño y operaban con capacidad y presión bajas. No se requería alta eficiencia, y la preocupación fue simplemente mantener su interior relativamente limpio. Cuando la demanda de energía se incrementó y las líneas de ductos se diseñaron de mayor longitud, se desarrollaron diablos mecánicos que tenían discos propulsores de cuero, cuchillas delgadas con resortes de acero y usualmente con una serie de raspadores, para desprender depósitos duros.
Durante la segunda Guerra Mundial, se construyeron ductos de mayor diámetro, y los discos de cuero se reemplazaron por copas de elastómero y los raspadores de cuchillas accionados con resortes de acero se sustituyeron por cepillos de acero accionados también por resortes. Así mismo, el descubrimiento y explotación de los campos del gas natural impulsaron el desarrollo del área de ductos, y hubo una rápida transición, de diámetros pequeños, distancias cortas y sistemas de baja presión a diámetros grandes, distancias considerables y sistemas de alta presión en las últimas décadas.
Un diablo convencional de copas está formado básicamente por un tramo de tubería, el cual en sus extremos se sueldan dos bridas en donde se sujetan copas de elastómero con tornillos de acero.
En la figura 1.3 se muestra un diablo convencional de 4 copas, aunque también existen diablos con diferentes combinaciones como pueden ser: con 4 discos, con 2 copas y dos discos, de copas con raspadores, etc.
Figura 1.3. Diablo convencional de 4 copas. [53]
Posteriormente, se introdujeron diablos en dos partes utilizando una junta universal. Este método hoy en día se utiliza ampliamente en los diferentes tipos de diablos de inspección. Cuando los elementos de limpieza se ensamblaron entre las copas, fue necesario nivelar esta área para la limpieza de sus elementos y para prevenir la obstrucción, se hicieron agujeros permanentes en la parte trasera del cuerpo. El centro del cuerpo se selló con una placa, y en la parte frontal se equipó con tapones roscados. Además, este arreglo proporciona un balance efectivo de la presión en la copa trasera, se transfiere la propulsión a la copa frontal, lo que significa que el diablo es jalado a través del ducto, en lugar de ser empujado de la parte trasera. En la figura 1.4 se muestra un diablo de este tipo.
Figura 1.4. Diablo de limpieza. [72]
El último desarrollo valioso, es el diseño de resortes. Considerando las fuerzas aplicadas a un resorte cuando se utilizan en el diablo, es sorprendente que no causaran problemas. Un resorte debe ser capaz de soportar el peso del diablo, así como las fuerzas aplicadas a los mismos. Considerando que las fuerzas centrífugas se aplican cuando el diablo viaja en una curvatura a velocidad alta, la resistencia mecánica del elemento debe contrarrestar éstas fuerzas, así como, la del elastómero contra la pared de la tubería.
1.2. Características generales de los diablos instrumentados.
En la industria petrolera en México, cuando se menciona la palabra “diablo”, inmediatamente se relaciona con los dispositivos empleados en la limpieza e inspección interna de las tuberías sin ninguna confusión. Aunque también se utilizan términos tales como raspadores, topo, etc. En el caso de nuestro país, existe una gran red de ductos que une a los campos petroleros del sur del país y marinos, así como los campos gaseros con las plantas de gas, las refinerías y los