INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACÁN
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN “SEPI” CULHUACÁN
INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE UN SISTEMA AUTÓNOMO DE PLANIMETRÍA EN EL RECONOCIMIENTO Y EXPLORACIÓN DE
DUCTOS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
D O C T O R E N C I E N C I A S E N COMUNICACIONES Y ELECTRÓNIC A
P R E S E N T A : M. EN C. JUAN MANUEL LÓPEZ CARRETO
A S E S O R E S : D R . S E R G I Y S A D O V N Y C H I Y DR. VOLODYMYR PONOMARYOV
MÉXICO DF. SEPTIEMBRE 2006
AGRADECIMIENTOS.
AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Y AL INSTITUTO MEXICANO DEL PETROLEO
POR PERMITIRME CONTINUAR CON MI
ESPECIALIZACIÓN ASÍ COMO POR TODAS LAS FACILIDADES PROPORCIONADAS EN EL DESARROLLO Y CONCLUSIÓN DE MIS ESTUDIOS.
A MIS ASESORES DR. SERGIY SADOVNYCHIY Y DR. VOLODYMYR PONOMARYOV
POR SU APOYO Y COORDINACIÓN EN EL DESARROLLO DE MI PROPUESTA.
A MIS PADRES FILIBERTO Y MICAELA, MI ESPOSA LILIANA Y MIS HIJOS REBECA Y RICARDO
QUIENES ME AYUDARON, APOYARON Y COMPRENDIERON EN ESTA EXPERIENCIA ÚNICA EN MI VIDA.
Índice
Índice i
Relación de figuras vi
Relación de tablas viii
Resumen ix
Abstract xi
Propuesta doctoral xiii
Capítulo 1. Análisis del estado del arte 1.1. Introducción.
1.2. Análisis de sistemas de inspección interna de tuberías; diablos instrumentados
1.2.1. “MagneScan”.
1.2.2. “UltraScan WM”.
1.2.3. “TranScan”.
1.2.4. Vehículo “Elastic Wave”.
1.2.5. “UltraScan CD”.
1.2.6. “ScoutScan”.
1.2.7. “ScoutScan Solo”.
1.3. Análisis de Sistemas de Navegación Inercial aplicados en sistemas de inspección interna de tuberías.
1.3.1. Giróscopos.
1.3.2. Acelerómetros.
1.3.3. Sistemas de Navegación Inercial “SNI”.
1.3.3.1. Plataforma de tres ejes.
1.3.3.2. “Strapdown” o autoanalítica.
1.4. Marcas basadas en tiempo.
1.5. Sistemas de medición de distancias.
1.5.1. Efecto Doppler.
1.5.2. El odómetro.
1.6. Conclusiones.
Referencias.
1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 12 13 14 15 19 20 20 21 23 23 Capítulo 2. Caracterización y optimización de odómetro
2.1. Introducción.
2.2. Características que debe cumplir el sistema de medición.
2.3. Desarrollo de la propuesta general para la solución del problema.
2.3.1. Modelación del simulador.
2.3.2. Análisis estático.
2.3.2.1. Soldaduras.
2.3.3. Análisis Dinámico.
2.3.3.1. Simulación mediante modelo computacional.
2.4. Algoritmos utilizados en el cálculo de la distancia recorrida.
2.4.1. Algoritmo de corrección 1.
2.4.2. Algoritmo de corrección 2.
2.4.3. Algoritmo de corrección 3.
2.5. Conclusiones.
Referencias.
25 25 26 27 29 32 34 42 50 52 54 55 56 57
Investigación y desarrollo de un sistema autónomo de planimetría Capítulo 3. Implementación física del modelo, medios y algoritmos
3.1. Introducción.
3.2. Condiciones de trabajo del sistema.
3.2.1. Presión de operación en tuberías.
3.2.2. Temperatura de operación en tuberías.
3.3. Tipos de sensores en sistemas de medición inercial.
3.3.1. Giróscopos.
3.3.1.1. Sensor de silicón.
3.3.1.2. Giróscopo de estado sólido.
3.3.1.3. Piezo-eléctrico.
3.3.2. Acelerómetros.
3.3.2.1. Acelerómetro (iMEMS).
3.3.2.2. Acelerómetro (MEMS).
3.3.2.3. Acelerómetro capacitivo.
3.3.3. Unidades de Medición Inercial.
3.3.3.1. IMU300.
3.3.3.2. ISIS-IMU.
3.3.3.3. NAV420.
3.4. Simulación.
3.5. Junta universal.
3.6. Computadora de abordo.
3.6.1. Microcomputadora RLC.
3.6.2. STX PC/104+.
3.6.3. WinSystems.
3.7. Suministro de voltaje.
3.8. Disposición física.
3.9. Conclusiones.
Referencias.
58 58 58 59 60 61 61 61 62 62 63 63 64 64 65 66 67 69 77 81 82 84 85 86 87 91 91 Capítulo 4. Pruebas y análisis
4.1. Introducción.
4.2. Implementación del simulador.
4.3. Pruebas físicas.
4.4. Comparación entre el modelo computacional y pruebas reales.
4.4.1. Aire como medio de inmersión.
4.4.2. Aceite como medio de inmersión.
4.5. Resultados al aplicar los algoritmos de corrección.
4.5.1 Pruebas en aire.
4.5.2. Pruebas en agua.
4.5.3. Pruebas en aceite.
4.6. Conclusiones.
Referencias.
92 92 93 100 101 102 104 104 106 108 110 111
Conclusiones . 113
Anexo.
Relación de publicaciones.
Ø Patente en trámite.
Sistema de medición de la distancia recorrida en la inspección interna de tuberías. Folio PA/E/2003/023590. Sergiy Sadovnychiy, Juan Manuel López Carreto.
Ø Publicación internacional con ISI.
Sergiy Sadovnychiy, Juan López, Volodymyr Ponomaryov, and Andriy 115 116
118
Sadovnychyy. “Evaluation of Distance Measurement Accuracy by Odometer for Pipelines Pigs”. Journal of the Japan Petroleum Institute. Vol. 49 No. 1, 38 – 42. January, 2006. ISSN 13468804.
Ø Capítulo en libro.
Juan Manuel López C., Sergiy Sadovnychiy, Volodymyr Ponomaryov, Adrián Sánchez V., “Methods and algorithms for the error correction of odometers in the recognition pipeline system “PIG””. Advances in systems theory, mathematical methods and aplications, pp 51-54. Editors:
Alexander Zemliak and Nikos E. Mastorakis, Ed. WSEAS Press 2002.
Ø Artículos en congresos internacionales.
• S. Sadovnychiy, J. López. “Improvement of Pipeline Odometer System Accuracy”. Canadian Petroleum Society. Proceed. Of 56th Annual Technical Meeting, paper No. 2005-013. Calgary, Canada, june 2005.
• Juan Manuel López, Sergiy Sadovnychiy, Volodymyr Ponomaryov.
“Precisión de los Odómetros en los PIG’s”. 8vo Congreso y Expo Internacional de Ductos, Mérida Yucatán. Noviembre 2005.
• Sergiy Sadovnychiy, Juan Manuel López C. Adrián Sánchez V., Andriy Sadovnychyy., "Método de minimización del error de los odómetros en el instrumento de inspección de ductos PIG". Primer Congreso Internacional de Instrumentación y Control Industrial, ISA México, 2002.
Ø Artículos en revistas nacionales.
• Juan Manuel López, Sergiy Sadovnychiy. “Precisión de los odómetros en los PIG”. Petroquimex, La revista de la industria petrolera.
Noviembre-diciembre 2005. pp 20-21.
• Sergiy Sadovnychiy, Igor Bulgakov, Juan Manuel López C., Alberto Flores Roa, Gabriel Juárez Hernández. "Aplicación de Sistema GPS para la Corrección del Datos del Instrumento de Inspección de ductos de Gas y Petróleo para Construir un Plano Topográfico". Revista GEOS. Unión Geofísica Mexicana. V.21. p. 340. Noviembre 2001.
Ø Artículos en congresos nacionales.
• Adrián Sánchez V. Sergiy Sadovnychiy, Igor Bulgakov, Juan Manuel López C., Andriy Sadovnychyy. "Método y algoritmo para la calibración de odómetros para el instrumento de inspección de ductos PIG". RVPAI/2002 Reunión de Verano de Potencia, Aplicaciones Industriales 2002, Acapulco Gro.
• Igor Bulgakov, Sergiy Sadovnychiy, Juan Manuel López C. "Un sistema de registro de información a través del sistema a bordo de instrumentos de inspección de ductos". Sociedad Mexicana de Instrumentación. SOMI XV, CONGRESO DE INSTRUMENTACION.
Memorias, pp. 1-5. Guadalajara, Jalisco, México. Octubre, 2000.
• Juan Manuel López C., Sergiy Sadovnychiy, Alejandro Martínez G.
"Diseño, simulación y desarrollo de un sistema de navegación inercial", Asociación Mexicana de Robótica, Memorias del Segundo Congreso Nacional de Robótica, pp.160-163.México, 2000.
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Investigación y desarrollo de un sistema autónomo de planimetría
Relación de figuras
Capítulo 1. Análisis del estado del arte.
Figura 1.1. Principio de operación del “MagneScan”.
Figura 1.2. Estructura Física del “MagneScan”.
Figura 1.3. Principio de operación de un sensor ultrasónico.
Figura 1.4. Herramienta “UltraScan WM”.
Figura 1.5. Defecto axial externo en una tubería.
Figura 1.6. Herramienta “TranScan ”.
Figura 1.7. Herramienta “Elastic Wave”.
Figura 1.8. “UltraScan CD ”.
Figura 1.9. “ScoutScan”.
Figura 1.10. “ScoutScan Solo”.
Figura 1.11. Plano coordenado de tres ejes referido al cuerpo.
Figura 1.12. Clasificación de giróscopos Figura 1.13. Giróscopo mecánico.
Figura 1.14. Giróscopo vibratorio.
Figura 1.15. Giróscopo láser.
Figura 1.16. Principio básico de los giróscopos de fibra óptica Figura 1.17. Principio básico de los acelerómetros.
Figura 1.18. Clasificación de acelerómetros.
Figura 1.19. Plataforma de tres ejes.
Figura 1.20. Mecanización de un sistema “strapdown” básico para cálculo de tierra.
Figura 1.21. Rotación sobre el eje Z.
Figura 1.22.Rotación sobre el eje Y.
Figura 1.23. Rotación sobre el eje X.
Figura 1.24. Puntos de referencia para rastreo del PIG.
Figura 1.25. Medición de distancia usando efecto Doppler.
Figura 1.26. El odómetro y su funcionamiento.
Figura 1.27. Principio físico del efecto Hall.
2 3 3 4 4 5 6 6 7 8 9 10 10 11 11 12 13 13 14 16 16 17 17 19 20 21 22 Capítulo 2. Caracterización y optimización de odómetro.
Figura 2.1. Topología básica de trampas para PIG.
Figura 2.2. Simulador.
Figura 2.3. Principio de operación del simulador.
Figura 2.4. Piezas que conforman el mecanismo de sujeción del odómetro.
Figura 2.5. Medidas, ángulos del mecanismo del brazo y diagrama de fuerzas.
Figura 2.6. Resorte doble helicoidal.
Figura 2.7. Ángulos entre el brazo y la vertical al paso por una reducción del 25%.
Figura 2.8. Dimensiones de la costura interna.
Figura 2.9. Posición del detector de soldadura en el PIG.
Figura 2.10. Diagrama de flujo de SOLIDWORKS.
Figura 2.11. Dibujo en 3D realizado en SOLIDWORKS y pantalla de propiedades.
Figura 2.12. Asignación de material a la pieza.
Figura 2.13. Ventana principal de COSMOSMOTION.
Figura 2.14. Fijar movimiento entre piezas.
Figura 2.15. Pantallas referentes al comando IntelliMotion Builder.
Figura 2.16. Pantallas aplicadas para definir el contacto entre piezas.
26 27 28 29 30 31 31 32 33 35 36 37 38 38 39 40
Figura 2.17. Extracción de resultados de COSMOSMOTION.
Figura 2.18. Posición del brazo para la prueba con el emulador de soldadura 1 a 0.3m/s.
Figura 2.19. Fuerza ejercida para la prueba con el emulador de soldadura 1 a 0.3m/s.
Figura 2.20. Posición del brazo para la prueba con el emulador de soldadura 4 a 0.3m/s.
Figura 2.21. Fuerza ejercida para la prueba con el emulador de soldadura 4 a 0.3m/s.
Figura 2.22. Posición del brazo para la prueba con el emulador de soldadura 1 a 3m/s.
Figura 2.23. Fuerza ejercida para la prueba con el emulador de soldadura 1 a 3m/s.
Figura 2.24. Posición del brazo para la prueba con el emulador de soldadura 4 a 3m/s.
Figura 2.25. Fuerza ejercida para la prueba con el emulador de soldadura 4 a 3m/s.
Figura 2.26. Velocidad en el odómetro para el emulador de soldadura 1 con una velocidad de 3m/s.
Figura 2.27. Velocidad en el odómetro para el emulador de soldadura 4 con una velocidad de 3m/s.
Figura 2.28. Algoritmo base.
Figura 2.29. Pulsos antes durante y después del paso por soldadura.
Figura 2.30. Algoritmo de corrección 1.
Figura 2.31. Ejemplo utilizando el algoritmo de corrección 1.
Figura 2.32. Algoritmo de corrección 2.
Figura 2.33. Algoritmo de corrección 3.
41 42 43 43 44 45 45 46 47 48 48 50 51 52 53 54 56 Capítulo 3. Implementación física del modelo, medios y algoritmos.
Figura 3.1. Comportamiento de presión en una línea de transportación de hidrocarburos.
Figura 3.2. Comportamiento de temperatura en una línea de transportación de hidrocarburos.
Figura 3.3. Elementos que conforman el sistema interno del PIG.
Figura 3.4. Giróscopos comerciales.
Figura 3.5. Acelerómetros comerciales.
Figura 3.6. Configuración interna del IMU-300C.
Figura 3.7. Configuración interna del ISIS-IMU.
Figura 3.8. Configuración interna del sistema NAV420.
Figura 3.9. Segmentos de canaleta a) recto de 1.2 m. b) codo de 45° y c) codo de 90°.
Figura 3.10. Dial.
Figura 3.11. Gráfica del trayecto para la simulación 1.
Figura 3.12. Grafica independiente del movimiento para cada eje de la prueba 1.
Figura 3.13. Gráfica en 3D del trayecto recorrido en la primera prueba.
Figura 3.14. Grafica del trayecto para la simulación 2.
Figura 3.15. Gráfica independiente del movimiento para cada eje de la prueba 2.
Figura 3.16. Gráfica en 3D del trayecto recorrido en la segunda prueba.
Figura 3.17. Grafica del trayecto para la simulación 3.
Figura 3.18. Grafica independiente del movimiento para cada eje de la prueba 3.
Figura 3.19. Gráfica en 3D del trayecto recorrido en la tercera prueba.
59 60 61 62 64 65 67 67 69 70 70 71 71 72 73 73 74 74 75
Investigación y desarrollo de un sistema autónomo de planimetría Figura 3.20. Grafica del trayecto para la simulación 4.
Figura 3.21. Grafica independiente del movimiento para cada eje de la prueba 4.
Figura 3.22. Gráfica en 3D del trayecto recorrido en la cuarta prueba.
Figura 3.23. Junta universal.
Figura 3.24. Disposición física de una simulación para la junta universal.
Figura 3.25. Posición de las horquillas en las curvaturas.
Figura 3.26. Ángulos en la junta universal al estar en una curvatura.
Figura 3.27. Variables a considerar en la junta al paso por una curvatura.
Figura 3.28. Relación entre el radio de curvatura “r” y el ángulo medido en las horquillas de la junta universal.
Figura 3.29. Modelo lite de microcomputadoras RLC.
Figura 3.30. Microcomputadora STX PC/ 104+.
Figura 3.31. PC104.
Figura 3.32. Pilas cilíndricas de alta capacidad “RENYUAN”.
Figura 3.33. Curvatura de radio mínimo.
Figura 3.34. Disposición de las pilas en un módulo.
Figura 3.35. Disposición de los sensores en el segundo módulo.
Figura 3.36. Encapsulado de potenciómetros.
75 76 76 78 78 79 79 80 81 82 84 85 87 88 89 89 90 Capítulo 4. Pruebas y análisis.
Figura 4.1. Simulador físico.
Figura 4.2. Error medio cuadrático de la medición odométrica cuando el sistema está inmerso en aire.
Figura 4.3. Porcentaje de error del sistema inmerso en aire.
Figura 4.4. Efecto del odómetro al paso por una soldadura con medio de inmersión aire.
Figura 4.5. Error medio cuadrático de la medición odométrica cuando el sistema está inmerso en agua.
Figura 4.6. Porcentaje de error del siste ma inmerso en agua.
Figura 4.7. Efecto del odómetro al paso por una soldadura con medio de inmersión agua.
Figura 4.8. Error medio cuadrático de la medición odométrica cuando el sistema está inmerso en aceite.
Figura 4.9. Porcentaje de error del sistema inmerso en aceite.
Figura 4.10. Efecto del sistema al paso por soldadura, inmerso en aceite.
Figura 4.11. Porcentaje de error al variar la fuerza ejercida por el resorte.
Figura 4.12. Resultado obtenido mediante simulador a 2.7m/s con la soldadura 4 y aire como medio de inmersión.
Figura 4.13. Acercamiento de la respuesta en velocidad de la figura 4.3.
Figura 4.14. Respuesta mediante simulador a 2.8m/s con la soldadura 4 y aceite como medio de inmersión.
Figura 4.15. Acercamiento de la respuesta en velocidad de la figura 4.7.
Figura 4.16. Velocidad instantánea entre pulsos para la prueba en aire a 2.7 m/s.
Figura 4.17. Resultado al aplicar el algoritmo de corrección 1 para la prueba en aire .
Figura 4.18. Resultado al aplicar el algoritmo de corrección 2 para la prueba en aire .
Figura 4.19. Velocidad instantánea entre pulsos para la prueba en agua a 2.7 m/s.
Figura 4.20. Resultado al aplicar el algoritmo de corrección 1 para la
92 95 95 96 96 97 97 98 99 100 99
101 102 103 103 105 105 106 107
prueba en agua.
Figura 4.21. Resultado al aplicar el algoritmo de corrección 2 para la prueba en agua.
Figura 4.22. Velocidad instantánea entre pulsos para la prueba en aceite a 2.7 m/s.
Figura 4.23. Resultado al aplicar el algoritmo de corrección 1 para la prueba en aceite.
Figura 4.24. Resultado al aplicar el algoritmo de corrección 2 pa ra la prueba en aceite.
107 108 108 109 109
Investigación y desarrollo de un sistema autónomo de planimetría
Relación de tablas
Capítulo 1. Análisis del estado del arte.
Tabla 1.1. Especificaciones técnicas del “MagneScan”.
Tabla 1.2. Especificaciones técnicas de la herramienta “UltraScan”.
Tabla 1.3. Especificaciones técnicas de la herramienta “TranScan WM”.
Tabla 1.4. Especificaciones técnicas de la herramienta “Elastic Wave”.
Tabla 1.5. Especificaciones técnicas del “UltraScan CD”.
Tabla 1.6. Especificaciones técnicas del “ScoutScan”.
Tabla 1.7. Especificaciones técnicas del “ScoutScan Solo”.
2 3 4 5 7 8 8 Capítulo 2. Caracterización y optimización de odómetro.
Tabla 2.1. Descripción de materiales del sistema de sujeción del odómetro.
Tabla 2.2. Fuerza aplicada por el resorte a diferentes grados.
Tabla 2.3. Especificaciones de los emuladores de soldadura.
Tabla 2.4. Coeficientes de rozamiento de algunos materiales.
Tabla 2.5. Densidad y viscosidad de diversos líquidos.
Tabla 2.6. Características de las piezas obtenidas por el paquete SOLIDWORKS.
Tabla 2.7. Porcentaje de error entre pruebas realizadas (tramo analizado).
29 32 33 34 34 37 49 Capítulo 3. Implementación física del modelo, medios y algoritmos.
Tabla 3.1. Especificaciones de IMU-300CC
Tabla 3.2. Especificaciones generales del ISIS-IMU.
Tabla 3.3. Especificaciones del NAV 420.
Tabla 3.4. Porcentaje de error en cada simulación contra número de muestras por metro.
Tabla 3.5. Relación de posición angular de las horquillas de la junta universal
Tabla 3.6. Sensores propuestos para el sistema.
Tabla 3.7. Sistemas de desarrollo RLC.
Tabla 3.8. Consumo de potencia de los sistemas en el PIG.
Tabla 3.9. Características de las pilas de alta capacidad “Renyuan”.
65 66 68 77 80 81 83 86 87 Capítulo 4. Pruebas y análisis.
Tabla 4.1. Tabla de datos promedio para calibración del odómetro.
Tabla 4.2. Error medio cuadrático para pruebas en aire como medio de inmersión.
Tabla 4.3. Porcentaje de error al variar la fuerza ejercida por el resorte.
Tabla 4.4. Error residual al aplicar los algoritmos de corrección.
93 94 100 110
Resumen
En un país petrolero como el nuestro, que cuenta con más de 50 mil kilómetros en tuberías de transportación de hidrocarburos en diferentes diámetros dispuestas a lo largo del territorio nacional y que la mayoría de ellas fueron instaladas hace más de 30 años, es imprescindible contar con herramientas propias que permitan la inspección y determinación física de las tuberías mediante un programa de servicio y mantenimiento de las mismas.
En este sentido PEMEX, realiza una serie de inspecciones a sus tuberías mediante la contratación de compañías extranjeras a costos elevados de alrededor de 5,000.00 usd por kilómetro, por lo que el desarrollo de una herramienta propia permitiría minimizar los costos de inspección así como incrementar el número de inspecciones evitando con esto casos que provoquen peligros inminentes para los pobladores y/o sus propiedades así como el daño del ecosistema de las zonas aledañas a las tuberías.
El presente trabajo describe el desarrollo de una herramienta para realizar la planimetría de dichas tuberías, con una alta precisión en la localización de anomalías (laminaciones, arrugas, corrosión, tensión, golpes, etc.).
Estas herramientas utilizan al odómetro como elemento principal y la ubicación de puntos magnéticos de referencia así como INS (Inertial Navigation System) como elementos alternos de corrección.
El odómetro es un elemento impreciso puesto que desde su construcción es susceptible a errores, no obstante con el uso de este elemento es posible tener aproximaciones en la distancia medida del 0.5% entre puntos de referencia.
La ubicación de puntos magnéticos de referencia permite un mayor grado de aproximación a la ubicación de las anomalías, algunos prestadores de este servicio recomiendan colocar puntos cada 2.5 kilómetros para tener una aproximación de 1.5 metros.
Utilizando el INS se puede realizar un cálculo de la distancia recorrida, pero los sensores inerciales así como los algoritmos utilizados causan errores a intervalos grandes de tiempo debido a su principio de funcionamiento “drift” y al uso de operaciones inexactas respectivamente.
El punto medular de esta investigación está basado en el problema de la exactitud en la distancia medida por medio del odómetro como elemento principal para este efecto.
Se examinan las causas de error y su influencia en la magnitud de la medición, como son:
Cuando pasa por intersecciones, conectores “T” o “Y”, en este caso el odómetro queda en giro libre durante todo el lapso de la intersección.
Cuando el odómetro golpea contra una soldadura u otro tipo de imperfección mecánica de la tubería, en este caso el golpe hace brincar al odómetro perdiendo el contacto con la superficie interna de la tubería por un intervalo de tiempo.
Todos los odómetros sin importar su disposición en el PIG, pasan por soldaduras cada 12 metros o menos, por lo cual se convierte en la principal causa de error en la medición de la distancia recorrida.
Mediante el uso de la computadora se realizó un modelo, él cual toma en consideración todos los posibles aspectos inherentes en una corrida real, permitiendo con esto, el estudio y análisis del sistema de sujeción del odómetro sin necesidad de ser implementado físicamente; generando con esto un ahorro en tiempo y dinero.
Además éste modelo será capaz de optimizar el diseño y/o adecuación del sistema de sujeción del odómetro en caso de requerir algún tipo de modificación o adaptación para su
Investigación y desarrollo de un sistema autónomo de planimetría
implementación en herramientas de otros diámetros; permitiendo con esto un fácil escalamiento manteniendo sus particulares principales.
En función a lo obtenido por el modelo, se describe el diseño de un simulador físico del movimiento del odómetro en una tubería al cual se le adhieren emuladores de soldadura y se permite la inmersión del sistema en diversos líquidos.
El simulador permite realizar una calibración de cada odómetro mediante pruebas a diferentes intervalos de tiempo donde solamente se admite la variación de un parámetro por prueba realizada.
Se puntualizaron las dimensiones más frecuentes en el tamaño de soldaduras y en función a esto se diseñaron emuladores, los cuales pueden ser colocados en el simulador físico y así conocer los efectos provocados por el paso del odómetro por las soldaduras a diferentes velocidades y en diferentes medios.
La velocidad máxima a la cual fue sometido el simulador fue de 3m/s, que es el promedio recomendado por algunos prestadores del servicio de inspección interna de tuberías.
Se realizaron pruebas en dos medios, gas y en líquidos con densidades diferentes como son el agua y el aceite, a velocidades de 0.3, 0.46, 0.77, 1.34, 2.2 y 3.0m/s, para conocer los efectos provocados por cada uno de los factores que intervienen en la medición de la distancia.
Mediante una serie de pruebas con el simulador se obtuvo la disposición más adecuada para el sistema de sujeción del odómetro, con el fin de minimizar los errores, tales como los derrapes que llegan a provocar un porcentaje de error del 1.8%.
De las pruebas realizadas resulta que el error en la medición de distancia a través de odómetro llega a ser de hasta un 10% y depende de la velocidad del PIG, la viscosidad del medio y el tamaño de las soldaduras.
Se describen tres algoritmos capaces de minimizar el error obtenido por la falta de contacto entre el odómetro y la pared interna de la tubería, donde dependerá del medio donde éste se encuentre inmerso para la aplicación de uno u otro así como del porcentaje de error corregido.
Abstract
In an oil country like ours, that counts with more than 50,000 kilometers in pipes of transportation of hydrocarbons in different diameters prepared along the national territory and that most of they were installed more than 30 years ago, it is indispensable to have own tools to allow the inspection and physical determination of the pipes by means of a program of service and maintenance of the same ones.
In this sense PEMEX, carries out a series of inspections to its pipes by means of the recruiting of foreign companies at high costs around 5,000.00 US dollar per kilometer, because of that the development of an own tool would allow to minimize the inspection costs as well as to increase the number of inspections avoiding with this cases which cause imminent dangers for the residents and/or their properties as well as the damage of the ecosystem of the areas around to the pipes.
The present work describes the development of a tool to carry out the mapping of these pipes, with a high precision in the localization of anomalies (laminations, wrinkles, corrosion, tension, blows, etc.).
These tools use to the odometer like a main element and the location of magnetic points of reference as well as INS (Inertial Navigation System) as alternating eleme nts of correction.
The odometer is an imprecise element since its construction, it is susceptible to errors, and nevertheless, with the use of this element it is possible to have approaches in the measured distance of 0.5% among reference points.
The location of magnetic points of reference allows a bigger approach degree to the location of the anomalies; some lenders of this service recommend placing points each 2.5 kilometers to have an approach of 1.5 meters.
Using the INS can be carried out a calculation of the traveled distance, but the inertial sensors as well as the used algorithms cause errors to big intervals of time due to their principle of operation
"drift" and to the use of inexact operations respectively.
The medullar point of this investigation is based on the problem of the accuracy in the distance measured by means of the odometer like the main element for this effect.
The error causes, and their influence are examined in the magnitude of the measurement, as they are:
When it goes by intersections, connectors "T" or “Y”, in this case the odometer is in free turn during the whole lapse of the intersection.
When the odometer hits against a welding or another type of mechanical imperfection of the pipe, in this case the blow makes jump to the odometer losing the contact with the internal surface of the pipe for an interval of time.
All the odometers without caring their disposition in the PIG go by welding each 12 meters or less, that is why it becomes the main error causing in the measurement of the traveled distance.
By means of the use of the computer a model was carried out, in which it is taken in consideration all the possible inherent aspects in a real test, allowing with this, the study and analysis of the system of subjection of the odometer without necessity of being implemented physically;
generating with this a saving in time and money.
In addition, this model will be able to optimize the design and/or adaptation of the system of subjection of the odometer in the event of requiring some modification type or adaptation for her implementation in tools of other diameters; allowing with this an easy scaling maintaining their main matters.
Investigación y desarrollo de un sistema autónomo de planimetría
In function to obtained by the pattern, the design of a physical simulator of the movement of the odometer is described in a pipe to which stuck welding emulators are and the immersion of the system is allowed in diverse liquids.
The simulator allows carrying out a calibration of each odometer by means of tests to different intervals of time where the variation of a parameter is only admitted by carried out test.
The most frequent dimensions were remarked in the size of welding and in function to these emulators were designed, which can be placed in the physical simulator and this way to know the effects caused by the step of the odometer by the welding to different speeds and in different means.
The maximum speed to which was subjected the simulator was of 3m/s that it is the average recommended by some lenders of the service of internal inspection of pipes.
They were carried out tests in two means, gas and in liquids with different densities as they are the water and the oil, to speeds of 0.3, 0.46, 0.77, 1.34, 2.2 and 3.0m/s, to know the effects caused by each one of the factors that they intervene in the measurement of the distance.
By means of a series of tests with the simulator, the most appropriate disposition was obtained for the system of subjection of the odometer, with the purpose of minimizing the errors, such as its skid them that they end up causing a percentage of error of 1.8%.
Of the carried out tests it is that the error in the distance measurement through odometer ends up being of until 10% and it depends on the speed of the PIG, the viscosity of the means and the size of the welding.
Three algorithms described are able to minimize the error obtained by the contact lack between the odometer and the internal wall of the pipe, where it will depend on the means where this is immerse for the application of one or others as well as of the percentage of corrected error.
Propuesta doctoral.
Objetivo.
Investigar, simular, desarrollar, implementar e incorporar un sistema de medición de distancia a un Sistema de Navegación Inercial en la inspección de ductos con PIG's instrumentados.
Antecedentes.
La inspección interna de tuberías ha sido un problema para las compañías petroleras en el mundo puesto que con el paso del tiempo los ductos se deterioran o sufren deformidades haciendo que la transportación de hidrocarburos sea lenta o con una gran cantidad de perdidas, sin menc ionar los daños provocados por el hombre como son las tomas clandestinas.
Tomando en consideración que la mayoría de las tuberías se encuentran bajo tierra o agua y en lugares apartados e inaccesibles si se produjera una fuga en una línea de transportación de hidrocarburos, la localización de esta falla tardaría de tres o cuatro días como mínimo.
Para evitar tales defectos y perdidas se requiere hacer una inspección periódica de las tuberías, únicamente que estos tipos de servicios sólo son proporcionados por unas cuantas compañías privadas en el mundo a un costo de 5,000.00 dólares americanos por kilómetro. Esto hace que la industria petrolera pierda una gran parte de sus ingresos.
La forma más común de inspección de tuberías es a través de las herramientas eslabonadas denominadas PIG's, las cuales se clasifican en dos: de limpieza o inteligentes siendo estas últimas las que proporcionan información detallada del estado de la línea. Cada módulo del PIG tiene un propósito específico, motivo por el cual dependerá del tipo de daño o estudio que se pretende revisar o analizar para determinar los módulos que se eslabonarán en esta herramienta.
En caso de requerir una planimetría de la tubería y/o conocer la ubicación de los puntos con deformidades o defectos, es necesario utilizar un Sistema de Navegación Inercial (Inertial Navigation System) INS así como de un sistema de medición de distancias, siendo para este tipo de herramientas el odómetro el más comúnmente usado.
El INS esta formado por sensores de aceleración lineal y velocidad angular, acelerómetros y giróscopos respectivamente; estos deben ser colocados ortogonalmente entre sí y al ser montados en cualquier cuerpo, proporcionarán un sistema cartesiano referido a dicho cuerpo y dependiendo del algoritmo utilizado serán capaces de conocer ángulos de cabeceo, alabeo y rumbo y/o posición.
Siendo el grado de precisión, consumo de potencia, volumen características primordiales en la elección de los elementos inerciales.
Los odómetros son elementos formados por una rueda con imanes incrustados y colocados equidistantemente sobre un cierto perímetro, los cuales al pasar por un detector magnético este producirá pulsos con una frecuencia proporcional a la velocidad con la cual los imanes pasen por dicho sensor.
Tanto los INS como los odómetros tienen un gran porcentaje de error ya sea debido al algoritmo puesto que se utilizan operaciones imprecisas como es el caso de las integraciones, así como el propio drift generado por los sensores inerciales, de manera similar en el caso de los odómetros se tienen errores acumulativos desde la simple calibración, estos tipos de errores son capaces de inducir una distancia considerable de error; por ejemplo, en el caso de los odómetros un error del 0.5% proporcionaría en una prueba de 100Km un error de 500 metros.
En México se han desarrollado herramientas para la limpieza interna de tuberías que no proporcionan ni la ubicación de las fallas o el estado de las tuberías, por lo que en el Instituto
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Mexicano del Petróleo IMP se ha desarrollado una herramienta que realice dicha función, y actualmente se encuentra en fase de prueba en laboratorio y corrección de algoritmos.
Desarrollo del trabajo de tesis.
Ø Capítulo1. Análisis del estado del arte.
o 1.1. Introducción.
§ Análisis de métodos y sistemas de inspección interna de tuberías; diablos instrumentados.
§ Descripción detallada de los métodos y sistemas desarrollados en el área de reconocimiento y exploración interna de ductos.
o 1.2. Medición de distancias.
§ Investigación y análisis del estado del arte de los diferentes medios y métodos existentes para cuantificar la distancia recorrida por los sistemas de exploración interna de ductos.
o 1.3. Sistemas Inerciales.
§ Análisis de los Sistemas de Navegación Inerciales, así como su aplicación en los sistemas de reconocimiento y exploración interna de ductos.
Justificación. Con el desarrollo de los puntos anteriores pretendo dar una descripción detallada de los diversos métodos y sistemas existentes para la obtención ó el cálculo de la distancia recorrida por un sistema de inspección interna de ductos, así como plantear la problemática inherente a éstos.
Ø Capítulo 2. Propuesta general para la solución del problema.
o 2.1. Desarrollo de la propuesta general para la solución del problema.
§ Determinación de los principios físicos y métodos de solución.
o 2.2. Simulación del sistema.
§ Desarrollo de un modelo matemático que permita simular las condiciones reales a las que estarán sometidos los odómetros y sus mecanismos de soporte como son: brazos y resortes; para analizar los momentos de inercia, fuerzas de golpe y amortiguamiento según el medio donde se encuentren inmersos ya sea gas o líquido, con el fin de optimizar el algoritmo desarrollado y proporcionar la medición de las distancias recorridas por el diablo instrumentado.
§ Justificar las características técnicas del sistema tomando en consideración el medio bajo el cual serán sometidas, proveer un análisis de causas de error así como la determinación de la precisión óptima del sistema.
§ Desarrollo de un simulador mecánico, que semeje las características a las cuales será sometido el sistema para analizar los tipos de error presentes, así como realizar su cuantificación y clasificación según su grado de incidencia sobre las medidas reales.
o 2.3. Algoritmos.
§ Implementación de algoritmos para la medición de distancia recorrida por el PIG, utilizando los odómetros incluidos en el sistema.
§ Inclusión de métodos alternos para la comprobación de la distancia recorrida con el fin de minimizar el error provocado al realizar la interpretación de las lecturas proporcionadas por los odómetros.
§ Adaptación de filtros digitales implementados en el algoritmo de conversión para minimizar el ruido inherente a las señales.
o 2.4. Simulación del movimiento del sistema.
§ Someter los odómetros a diversas pruebas representativas, con el fin de conocer la respuesta de los mecanismos de soporte y de los odómetros para la optimización de los algoritmos que se implementarán en la computadora de abordo.
Justificación: Expondré las posibles propuestas de solución al problema de la determinación u obtención de distancias seleccionando la más probable, así como el desarrollo de métodos alternos que sirvan de respaldo o comparación para que las mediciones tengan un mínimo error. Para esto requeriré realizar un modelo matemático y físico así como sus algoritmos de control e interpretación para que los resultados que se obtengan sean representativos de las condiciones reales a las cuales serán sometidos los elementos de medición.
Ø Capítulo 3. Implementación física del modelo, medios y algoritmos.
o 3.1. Experimentos para verificación de la propuesta.
§ Basándose en los resultados obtenidos de las simulaciones realizar las modificaciones necesarias tanto al mecanismo como a los odómetros para su implementación en el diablo instrumentado.
o 3.2. Software para implementar los algoritmos de medición.
§ Implementación de los programas requeridos para la medición de distancias en la computadora de abordo.
§ Adaptación del Sistema de Medición de Distancias al Sistema de Navegación Inercial del diablo instrumentado, con el fin de proporcionar todos los datos necesarios para realizar una planimetría haciendo uso de estos dos sistemas.
Justificación. Una vez determinados los métodos, algoritmos y sistemas deberé de incorporarlos al Sistema de Navegación Inercial para que los datos recabados sean representativos y sirvan como referencia para realizar una planimetría de los ductos recorridos.
Ø Capítulo 4. Pruebas y análisis.
o 4.1. Pruebas.
o 4.2. Resultados.
Justificación. Realización de pruebas variando las diversas variables del sistema para conocer los posibles errores y minimizarlos mediante la optimización de los algoritmos del Sistema de Medición como el Sistema de Navegación Inercial, para comprobar la teoría expuesta en el presente desarrollo.
Metas.
Ø Proporcionar un nuevo sistema de medición de distancias con el mínimo grado de error que permita realizar una inspección interna del ducto, así como la planimetría correspondiente.
Ø Dar a conocer los avances de la investigación a través de la publicación de artículos y la participación en congresos nacionales e internacionales.
Ø Generar una Patente en función de la investigación y los resultados obtenidos.
Ø Validación del equipo y algoritmos respecto a pruebas realizadas por las herramientas comerciales en las tuberías de PEMEX
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Infraestructura de equipo, maquinaria e instalaciones.
El Instituto Mexicano del Petróleo cuenta con talleres y maquinaria para la implementación de los sistemas mecánicos que deberán ser instalados en la herramienta de inspección y los mecanismos alternos de calibración de los sensores, así como un completo equipo de laboratorio como son Osciloscopios, fuentes, generadores de señal, analizador de espectros, etc. que permitirán la revisión, calibración y caracterización de los componentes y tarjetas que se implementarán e instalarán en dicha herramienta.
Para la realización de las simulaciones y pruebas de los algoritmos generados se requiere de computadoras veloces con un mínimo de memoria RAM de 256Megas y un espac io disponible de 10Gigas de disco duro para la instalación de paquetería por ejemplo: AutoCad, MATLAB (con toolbox), MatCad, 3D Studio, CVI LabWindows, C++, procesador de textos e imágenes, etc.
Algunas de las computadoras tanto del Instituto Mexicano del Petróleo así como de la Sección de Estudios de Posgrado de la ESIME Culhuacán, cuentan con las características requeridas HARDWARE así como de los paquetes necesarios SOFTWARE, por lo que el trabajo de simulación podrá ser realizado en cualquiera de las instalaciones mencionadas.
Con el equipo y paquetería mencionada es posible la realización del presente proyecto.
Capítulo 1
Análisis del estado del arte
1.1. Introducción.
En el presente capítulo describiré a detalle los diferentes sistemas existentes en el campo de la inspección interna de tuberías, comúnmente denominados “PIG” o “diablos instrumentados”, haciendo hincapié en los métodos y/o sistemas que utilizan para realizar la medición de distancia recorrida.
De manera similar proporcionaré detalles de los Sistemas de Navegación Inercial aplicados en los sistemas de inspección interna de tuberías, haciendo referencia a su desempeño e implementación así como de los sistemas alternos que estos requieren para su correcto funcionamiento.
Detallaré los diferentes medios o métodos para la medición o el cálculo de las distancias recorridas por los diablos instrumentados, de manera tal que se observe la problemática de los distintos medios, la correlación entre ellos, así como los posibles casos que se podrían presentar al utilizar cualquiera de estos.
Por lo que al término del presente capítulo se tendrá un amplio panorama de la problemática de los distintos sistemas de medición de distancia recorrida utilizados por los sistemas de inspección interna de tuberías.
1.2. Análisis de sistemas de inspección interna de tuberías; diablos instrumentados.
En la actualidad, las distintas compañías privadas que cuentan con diferentes herramientas inteligentes para la inspección interna de tuberías, denominados “diablos” o “PIG”, las cuales no causan daño a la estructura física del ducto y proporcionan a detalle su estado físico; tales servicios son rentados a clientes como lo es PEMEX a un alto costo (alrededor de 5,000.00usd por kilómetro con diablos instrumentados inteligentes). [1]
Estos sistemas se dividen de acuerdo a la herramienta utilizada, al principio físico o al defecto al cual está orientada, por ejemplo en el caso de “General Electric” GE cuenta con diferentes herramientas, algunas de estas son: [2]
Ø “MagneScan”. Proporciona un registro de la pérdida de metal, hace uso de las herramientas MFL “Magnetic Fluke Leakage” teniendo como cualidades la alta resolución y versatilidad.
Ø “UltraScan WM”. Cuantifica directamente la pérdida de metal, laminaciones e inclusiones, haciendo uso de un preciso caudal ultrasónico.
Ø “TranScan”. Una herramienta MFL diseñada para detectar filos de soldadura y otros defectos axiales.
Ø “Elastic Wave”. Herramienta ultrasónica para detectar fracturas longitudinales en líneas de gas y petróleo.
Ø “UltraScan CD”. Una aplicación innovadora de ultrasonido para detectar fracturas provocadas por estrés o por corrosión.
Ø “ScoutScan”. Combina el uso de Sistemas de Navegación Inercial con MFL para proporcionar la planimetría y el estado físico del ducto.
Ø “ScoutScan Solo”. Únicamente proporciona los datos necesarios para realizar la planimetría de la tubería recorrida.
A continuación describo cada una de las series anteriores así como su mecanismo para determinar la distancia recorrida.
1.2.1. “MagneScan”.
El principio básico de trabajo de este diablo instrumentado, se muestra en la figura 1.1, es el generar un campo magnético controlado al punto de saturación figura 1.1(b), mediante las brochas se logra mantener un contacto con la superficie interna de la tubería, figura 1.1(c), cerrando el circuito magnético, el cual al ser cambiado, ya sea por una anomalía o por la pérdida de metal de las paredes del ducto, figura 1.1(d), presenta un disturbio en los sensores colocados alrededor de la circunferencia del diablo, tal como se muestra en la figura 1.1(a), almacenando dicho dato en la computadora de abordo.
Magneto Magneto
Soporte de acero
Sensor
Magneto Brochas
Brocha
Magneto Magneto Magneto
(a)
(b) (c) (d)
Figura 1.1. Principio de operación del “MagneScan”. [3]
Los demás datos almacenados por la computadora de abordo son proporcionados por otros elementos, como son: Odómetros, que se encargan de medir la distancia recorrida; péndulos inerciales, que indican la orientación de la herramienta respecto a la tubería; así como un sistema de marcas de tiempo base, que son colocadas a lo largo del viaje de la herramienta por el ducto.
Este tipo de diablos se encuentran disponibles en diferentes tamaños que van desde 6” a 56”
la tabla 1.1 describe sus características principales y la figura 1.2 muestra físicamente la herramienta.
Tabla 1.1. Especificaciones técnicas del “MagneScan”.
Diámetro nominal de la herramienta 6-10 pulgadas 12-56 pulgadas Especificaciones de operación.
Producto Líquido y gas Líquido y gas
Rango Activo (varia con el tamaño de la herramienta y el tipo de tubería).
Arriba de 80Km (6”) Arriba de 150Km (8”/10”)
800Km (12”) - 350km (56”) SW 34Km (12”) – 140Km (56”) SMLS Velocidad de la herramienta 1-9 mph / 0.5-4m/s 1-9 mph / 0.5-4m/s Tiempo de Operación 30hrs (6”) 40hrs (8“/10”) Excede la 100 hrs
Presión Máxima 150 bar 220 bar
Radio de curvatura menor Estándar: R=3xD Opcional: R=1.5xD
Estándar: R=3xD Opcional: R=1.5xD
Este sistema proporciona una aproximación de casi 0.2 m y 10 grados (°) del lugar donde se presenta un defecto, [3] utilizando únicamente los odómetros y péndulos, pero para proporcionar esto requiere de un mayor tiempo destinado al proceso posterior de datos o “post-processing”, lo
cual es significante. Para minimizar dicho tiempo se sugiere adicionar el “ScoutScan”, para cada una de las corridas de dicha herramienta.
Figura 1.2. Estructura Física del “MagneScan”.
1.2.2. “UltraScan WM”.
En 1985 surge esta nueva herramienta de inspección, a diferencia de la anterior utiliza medios ultrasónicos para determinar si existe una pérdida de metal ya sea interna o externa en la tubería inspeccionada la figura 1.3 muestra el principio de operación, el cual podemos resumir en la medición de la distancia entre el transductor y la pared interna o si el espesor de la pared varía sin variar la distancia entre el sensor y la pared, indicando la pérdida de metal externa.
Figura 1.3. Principio de operación de un sensor ultrasónico. [4]
Al igual que el anterior requiere de odómetros, para la medición de la distancia recorrida y proporciona una aproximación similar; como se puede observar en la tabla 1.2. La figura 1.4 muestra físicamente esta herramienta.
Tabla 1.2. Especificaciones técnicas de la herramienta “UltraScan”.[5]
Diámetro nominal de la herramienta 6” – 60”
Rango activo (varia con el tamaño de
la herramienta) 62 – 620 millas/ 100 – 1000 Km Velocidad de la herramienta 2.6 – 7 ft/seg / 0.2 – 2 m/seg Temperatura de operación 39 – 122 °F /4 – 50 °C (estándar) Radio mínimo de curvatura R=1.5xD
Aproximación de ubicación ±7.8” / 0.2m de la referencia tomada
Presión máxima 1718psi /120bar
Figura 1.4. Herramienta “UltraScan WM”. [6]
1.2.3. “TranScan”.
Esta herramienta utiliza la misma tecnología que el “MagneScan” únicamente que induce un campo magnético alrededor de la tubería, permitiendo detectar defectos axiales como son grietas o fisuras, como el mostrado en la figura 1.5, que aunque no son muy comunes existen y son un peligro real de ruptura.
Figura 1.5. Defecto axial externo en una tubería.
Al igual que los anteriores requiere de odómetros para realizar la medición de la distancia recorrida, la figura 1.6 muestra la herramienta y la disposición de los odómetros. Las características del “TranScan” se enumeran en la tabla 1.3.
Como también se observa en la figura, esta herramienta utiliza rodamientos para mantener fijo el cuerpo del PIG al centro de la tubería en los módulos intermedios, evitando con esto la fricción provocada por las copas elásticas y la presión necesaria para su desplazamiento es menor.
Tabla 1.3. Especificaciones técnicas de la herramienta “TranScan WM”.[7]
Diámetro nominal de la herramienta 12” –36”
A futuro 6” a 56”
Especificaciones de operación.
Producto Líquido o gas
Rango activo
Varia con el tamaño de la herramienta 150Km (12”) a 100Km (30”) Velocidad de la herramienta 0.9 a 9 mph / 0.2 a 4 m/s Temperatura de operación 32 a 100 °F / 0 a 40°C
Presión máxima 220bar
Radio de curvatura menor R=3xD
Figura 1.6. Herramienta “TranScan”.
1.2.4. Vehículo “Elastic Wave”.
Es una herramienta basada en tecnología ultrasónica, ver figura 1.7, montada al cuerpo de un vehículo de onda elástica que permite localizar fracturas. Básicamente esta herramienta inyecta señales ultrasónicas dentro de la pared de la tubería en un ángulo de 65° haciendo que viajen alrededor de la circunferencia, cuando se detecta una fractura axial u otro tipo de defecto en la pared de la tubería la señal es reflejada y censada por los transductores. Para tener una mayor precisión en cuanto a la posición de las anomalías se inyecta la señal en dos sentidos, antihorario y horario; y dado que las señales ultrasónicas no se propagan en gas, cada uno de los transductores se encuentran inmersos en cápsulas llenas de líquido.
La tabla 1.4 muestra sus características principales de la herramienta. Cabe señalar que el cálculo de distancia recorrida lo hace por medio de odómetros.
Tabla 1.4. Especificaciones técnicas de la herramienta “Elastic Wave”.[8]
Diámetro nominal de la herramienta 20 a 48” / 20 a 122 cm Rango activo (varia con el tamaño de la
herramienta) Arriba de 100Millas / 150Km Velocidad de la Herramienta Arriba de 3m/s en liquido
Arriba de 8m/s en gas Temperatura de Operación 32 a 100 °F / 0 a 40 °C Radio de curvatura menor Estándar : R=3xD
Opcional : R=1.5xD para 24”
Aproximación de ubicación - axial
- radial ±8” / 0.2m del punto de referencia
±5°
Presión máxima 1000psi /70bar
Esta herramienta está equipada con un sistema de control de velocidad, permitiendo un flujo de transportación en la línea inspeccionada; logrando con esto mantener una constante en la velocidad de la herramienta para que con los datos recabados se consiga realizar la caracterización de la línea. Al contar con este sistema de regulación de velocidad, se mantiene el porcentaje de transportación de la línea, puesto que la herramienta no obstruirá el paso del fluido trasladado.
Esta herramienta utiliza tanto rodamientos como copas elásticas para el centrado de sus módulos dentro de la tubería.
Figura 1.7. Herramienta “Elastic Wave”.
1.2.5. “UltraScan CD”.
En 1994 se introdujo esta herramienta al mercado, básicamente diseñada para la detección de fracturas que corren paralelas al eje de la tubería SCC “Stress Corrosion Cracking”.
Esta herramienta adapta una aplicación especial de ultrasonido de pruebas no destructivas, en la técnica 45° señal absoluta, se emiten pulsos que son direccionados radialmente a la pared de la tubería en un ángulo de 45° respecto a la señal. Con un gran número de transductores montados en el cuerpo de la herramienta se tienen lecturas redundantes las cuales ayudan en la interpretación de las lecturas en el proceso de interpretación de datos.
Estas lecturas redundantes permiten el uso de un programa nuevo de interpretación de datos denominado ALOK. Esta herramienta también utiliza los odómetros como instrumentos para conocer la posición o distancia recorrida. La figura 1.8 muestra físicamente el “UltraScan CD” y la tabla 1.5 describe sus características principales.
Figura 1.8. “UltraScan CD”.
Al igual que el “UltraScan WM” esta herramienta necesita trabajar en un medio líquido, en caso contrario es necesario colocarla en medio de un bache de fluido, puesto que los sensores ultrasónicos necesitan un medio líquido para funcionar adecuadamente.
Tabla 1.5. Especificaciones técnicas del “UltraScan CD”.[9]
Diámetro nominal de la herramienta 22” a 56”
Número de sensores Arriba de 1024
Cobertura de pared 100%
Rango activo Arriba de 155millas / 250 Km Aproximación de ubicación
- axial - radial
±7.8” /± 0.2m
± 5°
Sistema de marcación Sistema de marcado basado en tiempo
1.2.6. “ScoutScan”.
Como se menciono con anterioridad la herramienta “ScoutScan” esta desarrollada en Sistemas de Navegación Inercial, el cual se encarga de proporcionar la orientación, dirección y el rumbo que ha descrito al realizar una corrida en la tubería.
Dado que un Sistema de Navegación Inercial permite realizar la planimetría de cualquier tubería, ésta herramienta es la más usada para la detección y ubicación de defectos que la tubería presente dado que cuenta con herramientas MFL “Magnetic Flux Leakage” ya sea para medición de defectos axiales, transversales o ambos.
La figura 1.9 muestra la estructura física de esta herramienta.
Figura 1.9. “ScoutScan”.
El “ScoutScan” es ideal para operar en áreas remotas o de difícil acceso. Dado que la información recabada por la herramienta es corroborada con puntos magnéticos de referencia y sistema GPS “Global Position System”, haciendo más preciso el cálculo o la determinación de las distancias y trayectos recorridos.
La tabla 1.6 muestra las especificaciones técnicas de esta herramienta, al igual que las anteriores utiliza al odómetro como elemento principal en la medición de la distancia recorrida, la diferencia principal es el sistema de medición inercial y los puntos magnéticos de referencia.
Tabla 1.6. Especificaciones técnicas del “ScoutScan”.[10]
Producto Líquido o gas
Tamaño de la herramienta 16” a 35” (R=3xD) 24” a 30” (R=1.5xD)
Presión máxima 220 bar
Rango de temperatura 0°C a 40°C
60°C (Con adaptación especial) Rango de velocidad 0.5 a 5.5 m/seg / 1.8 a 19.8 ft/seg Máxima velocidad 10 m/seg / 32.8 ft/seg Aproximación del sistema 1.5 m (puede ser menor al metro si se
utilizan puntos de referencia)
Tiempo de autonomía 40Hrs
1.2.7. “ScoutScan Solo”.
Herramienta de precisión para mapeo de tuberías, hace posible el monitoreo de efectos de hundimiento, corrientes subacuáticas, y otros cambios alrededor de la configuración de la tubería.
Durante el curso de una inspección el “ScoutScan Solo” almacena y mapea la tubería en tres dimensione s, dando como resultado una descripción precisa de la ruta de la tubería y su perfil. Los datos recabados determinan el radio de curvatura, identifican el desplazamiento y calculan consecuentemente el estrés estructural.
Esta herramienta puede correr en cualquier medio, líquido o gas, siendo su rango de velocidad de operación de 0.3 a 5 metros por segundo pero la velocidad óptima es de 0.3 a 3 metros por segundo, la figura 1.10 muestra físicamente su estructura y la tabla 1.7 describe sus características principales.
Figura 1.10. “ScoutScan Solo”.
Tabla 1.7. Especificaciones técnicas del “ScoutScan Solo”.[10]
Diámetro de la herramienta 8” a 56”
Presión máxima 120 bar / 1764psi
Temperatura de operación -25°C a +50°C Rango óptimo de velocidad 1 a 3 m/seg Radio de curvatura mínima R=1.5xD Radio de curvatura máximo detectable 2500D
Tiempo de autonomía 74 hrs
Máxima distancia de corrida 539Km a 2m/seg 359km a 1.5m/seg
Almacenamiento de datos 1100MB
El “ScoutScan Solo” utiliza una IMU “Inertial Mapping Unit” unidad inercial de mapeo a bordo que mide cambios de velocidad angular y lineal en los ejes X, Y, y Z mientras que la herramienta se desplaza a través de la tubería. Se establecen puntos de referencia con coordenadas geográficamente conocidas como inicio y fin de la corrida así como puntos intermedios, el sistema hace uso de sistemas GPS, para tener un alto grado de ubicación.
Se puede observar que todas las herramientas aquí mencionadas hacen uso de los odómetros como elemento principal para la medición de la distancia recorrida y esta herramienta no es la excepción.
Cabe señalar que si el “ScoutScan Solo” con todos los sistemas alternos para la determinación de la distancia y ubicación tiene un error de hasta 0.5 metros es poco probable que las herramientas anteriores logren una aproximación de 0.2 metros como lo muestran las tablas de especificaciones a menos que utilicen otros medios para el cálculo o medición de distancias recorridas.
1.3. Análisis de Sistemas de Navegación Inercial aplicados en sistemas de inspección interna de tuberías.
Los Sistemas de Navegación Inercial están compuestos por sensores de velocidad angular y aceleración lineal como son giróscopos y acelerómetros respectivamente, distribuidos ortogonalmente en un plano formando un sistema cartesiano referido al cuerpo, ver figura 1.11, dado que la placa se encuentra montada en éste. La función principal de estos sistemas es el registrar y almacenar cualquier cambio de velocidad, aceleración o dirección en cualquiera de sus ejes.
Figura 1.11. Plano coordenado de tres ejes referido al cuerpo.
Siendo Gx, Gy, y Gz, los giróscopos colocados sobre los ejes X, Y y Z, respectivamente, proporcionando la medición de velocidad inercial angular P, Q y R. Ax, Ay y Az son las aceleraciones lineales correspondientes a cada uno de los ejes.
1.3.1. Giróscopos.
Existe una gran variedad de elementos susceptibles al cambio de velocidad angular comúnmente denominados giróscopos, donde el principio de funcionamiento, precisión, consumo de potencia y costo son características que dependen propiamente de la aplicación; hay giróscopos mecánicos, de cuarzo, ópticos, etc. según se muestra en la figura 1.12.
Gy
Gz
Gx P
Q
Gy R
Gx
Q Gz
R
P
Ay Ax
