Diseño y Elaboracion de Tecnologias de Inspeccion

Recibido: 24/05/2011/ Aceptado: 02/08/2011/ ITECKNE Vol. 8 Nmero 2 ISSN 1692 - 1798 Diciembre 2011 171 - 176

Resumen En este artculo se presenta el diseo y cons-truccin de una herramienta inteligente (pig o marrano) que permite la medicin de parmetros de operacin de tuberas para transporte de hidrocarburos y que registra seales asociadas a su dinmica de movimiento dentro de la lnea de transporte. El marrano est concebido para ser utilizado de modo regular por el operador, para aprovechar principalmente corridas rutinarias de limpie-za. La herramienta recoge datos a bajo costo y el anli-sis de los mismos aporta al operador informacin valio-sa sobre la evolucin de la tubera, el grado de residuos, la presencia de posibles daos geomtricos (defectos) e informacin sobre los parmetros operacionales. Esta informacin puede integrarse al plan de mantenimiento, lo cual permitir una mejor toma de decisiones y ayuda-r a obtener un panorama de riesgos gracias al control de los cambios que experimenta la lnea con el tiempo.

Palabras clave herramienta Inteligente, Inspeccin en Lnea, Marrano de Lneas de Transporte.

Abstract This article presents the design and cons-truction of an intelligent tool (pig), which allows the measurement pipelines operation parameters for trans-portation of hydrocarbons and records signals associa-ted with its dynamic movement within the transmission line. The pig is designed to be used on a regular basis

by the operator, drawing mainly runs routine cleaning. The tool collects data at low cost and analysis of the same operator brings to valuable information on develo-pments in the pipeline, the degree of waste, the presen-ce of potential damage geometry (defects) and in-forma-tion on operational parameters. This information can be integrated into the maintenance plan, which will enable better decision making and help to get an overview of risk control thanks to the changes in the line over time.

Keywords Tool Smart, Inline Inspection, Pigging.

I. INTRODUCCIN

Las empresas transportadoras de hidrocar-buros tienen como prioridad asegurar la correcta operacin de las lneas de transporte. Con este fin implementan rigurosos programas de diagnstico y mantenimiento que les permite identificar, con-trolar y mitigar las principales amenazas a la in-tegridad de la infraestructura, entre las cuales se encuentra la amenaza por corrosin en lneas de transporte [1], [2]. En trminos generales, las tec-nologas de Inspeccin Inteligente son considera-

Diseo y Elaboracin de las Tecnologas de Inspeccin Basadas en herramientas de Limpieza

para el Registro y Anlisis de los Parmetros de Operacin en Lneas de Transporte de

hidrocarburosMario Alberto Quintero

Ing. Electrnico, Universidad Industrial de SantanderInvestigador, Corporacin para la Investigacin

de la Corrosin CICBucaramanga, Colombia

[email protected]

humberto Zambrano MedinaIng. Electrnico, Universidad Industrial de Santander,

Investigador, Corporacin para la Investigacin de la Corrosin CIC

Bucaramanga, [email protected]

hernn Alfonso GarnicaM.Sc.(c) en Fsica, Universidad Industrial de Santander, Corporacin para la Investigacin de la Corrosin CIC,

Investigador Grupo FITEK, Universidad Industrial de Santander UIS


Ely Dannier V. NioMSc en Fsica, Universidad Industrial de Santander

Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo GINTEP, UniversidadPontificiaBolivarianaUPB,

Investigador Grupo FITEK, Universidad Industrial de Santander UIS


Sergio QuinteroTcnico Electromecnico,

Unidades Tecnolgicas de Santander UTS, Tcnico, Corporacin para la Investigacin de la Corrosin CIC


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das las herramientas ms eficaces para evaluar la integridad mecnica en las tuberas de transporte de hidrocarburos y son herramientas esenciales en la elaboracin de los planes de mantenimiento y mitigacin de la amenaza por corrosin [3]. En Colombia, hay aproximadamente 12 mil kilme-tros de lneas que pueden ser inspeccionadas con herramientas inteligentes [4].

Las herramientas de inspeccin inteligente dis-ponibles comercialmente y fabricadas exclusiva-mente por pases industrializados representa para la industria local altos costos de inversin que difi-culta el acceso a estas tecnologas y limitan la pe-riodicidad en su uso. La Corporacin para la Inves-tigacin de la Corrosin, a travs de su interaccin con la industria petrolera, ha identificado esta ne-cesidad y propuso el desarrollo de una herramienta de diagnstico general previo a una inspeccin es-pecializada, que es utilizada en el pas para evaluar la corrosin interna en la infraestructura petrolera.

En este trabajo se describe la construccin de una herramienta geomtrica (marrano) que permi-te la medicin de parmetros de operacin y que registra seales asociadas a posibles anomalias geomtricas dentro de la lnea [5]. El marrano est concebido para ser utilizado de modo regular por el operador, al aprovechar principalmente corridas rutinarias de limpieza; se puede usar como herra-mienta semi-inteligente, herramienta de limpieza o herramienta geomtrica; que permite, en sus dife-rentes configuraciones, reunir informacin valiosa sobre las tendencias de limpieza de las lneas en intervalos determinados de tiempo, la formacin de depsitos de parafina, los riesgos de taponamiento de las tuberas, el avance y la eficiencia de la lim-pieza a lo largo de una secuencia de marraneo, los parmetros de operacin y las condiciones de flu-jo [6]. La herramienta desarrollada juega un papel clave en el seguimiento de tendencias geomtricas y operacionales como parte de los procesos de pre-inspeccin para evaluacin de la viabilidad de un proceso de marraneo con tecnologa ms sofistica-da como MFL o ultrasonido [7].

Esta informacin podr integrarse en el plan de mantenimiento, lo cual permitir la toma de decisiones y ayudar a obtener un panorama de riesgos gracias al control de los cambios que sufre la lnea con el tiempo [8]. Por tal motivo, con esta herramienta los servicios prestados, a diferencia de lo que ocurre actualmente con el mercado de

herramientas instrumentadas, no son de carcter puntual sino de seguimiento y control a travs de los aos.

II. DESCRIPCIN ExPERIMENTAL

A. Descripcin de la herramienta

La herramienta es un dispositivo unidireccional constituido por un cuerpo, copas, discos, sensores de distancia (odmetros), sensores de presin di-ferencial, sensores de deformacin (flexmetros) y sensores de temperatura. En la Fig. 1 se muestra un esquema general de la herramienta y en la Fig. 2 se presenta el diagrama virtual del diseo de la herramienta. En la Tabla 1 se muestra los parme-tros ms relevantes que se tuvieron en cuenta en el diseo de la herramienta, se consider que el dispositivo soporta condiciones extremas al interior de la tubera, como altas presiones y temperaturas, cambios bruscos de temperatura, vibraciones, de-formaciones de la lnea, cambios de direccin por las curvas presentes en el trayecto, cambios de ni-vel, cambios de espesores, rotaciones y la agresivi-dad del fluido transportado en la lnea.

FIG. 1. ESQUEMA GENERAL DE LA HERRAMIENTA

Fuente: Los autores

FIG. 2. DIAGRAMA VIRTUAL DE LA HERRAMIENTA

Fuente: Los autores

173Diseo y Elaboracin de las Tecnologas de Inspeccin Basadas en herramientas de Limpieza para el Registro y Anlisis de los Parmetros de Operacin en Lneas de Transporte de hidrocarburos - Quintero, Zambrano, Garnica, Nio, Quintero

TABLA IParmetros generales de diseo

Parmetro Detalle

Entorno Lneas de transportede hidrocarburos

Modo de Inspeccin Por medio de raspadoresde limpieza

Dimetro tuberas >12 Pulgadas

SensoresPresin AbsolutaPresin DiferencialTemperaturadelfluido

Tiempo de corrida >4 horas

Presin de Operacin 1200 psi

Presin Mxima de Operacin 2500 psi

Presin de Diseo 3000 psi

Temperatura Mxima de Operacin 65 oC

Fuente: Los autores

En la Fig. 3 se presentan los distintos mdu-los que constituyen el sistema electrnico de la herramienta inteligente. El mdulo de control est basado en un microcontrolador que constituye el cerebro del sistema y administra los dems mdu-los. El mdulo de acondicionamiento de seal se encarga de filtrar y digitalizar las seales anlo-gas provenientes de los sensores, para su almace-namiento posterior en el mdulo de memoria [9], [10]. Los datos almacenados son sincronizados con la fecha y hora entregada por el mdulo de tiempo y con la informacin de distancia recorri-da entregada por el mdulo de posicionamiento (odmetro).

FIG. 3. ESQUEMA DE MDULOS ELECTRNICOS DE LA HERRAMIENTA

Fuente: Los autores

B. Proceso de desarrollo de dispositivos, mdu-los y banco de pruebas

Inicialmente, se realiz la seleccin, el acon-dicionamiento y la validacin de tecnologas, lo cual permiti conocer el desempeo de sensores de diferentes sensibilidades y rangos.

Se seleccionaron las tecnologas para el pro-cesamiento digital de seales en tiempo real que permitieran implementar los filtros digitales, realizar la estadstica y comprimir la informacin antes de guardarla en memoria.

La etapa de desempeo en laboratorio de la tecnologa en desarrollo, se fundamenta en la creacin de bancos de pruebas con defectos inducidos en diferentes configuraciones geom-tricas, como se muestran en Fig. 4. El banco de pruebas evala los arreglos de sensores y deter-mina patrones de defectos que permiten mode-lar matemticamente el fenmeno y estandari-zar la identificacin.

Esta etapa implic la construccin del hard-ware electrnico para la adquisicin y proce-samiento de las seales entregadas por los sensores, el desarrollo del software embebido encargado de gestionar la herramienta prototipo y el anlisis computacional que permitan carac-terizar y graficar las seales entregadas por los sensores.

Se finaliza la construccin de los dispositivos prototipos con el estudio mecnico de las estruc-turas metlicas, tipo encapsulados, que permite articular y proteger la tecnologa dentro de la he-rramienta de limpieza [11].

FIG. 4. BANCO DE PRUEBAS MODULOS MECNICOS

Fuente: Los autores


C. Sensores

La bsqueda y seleccin de tecnologas para medir las distintas variables de inters en la herramienta PIG se realiz siguiendo los parmetros de diseo mencionados anterior-mente. Se debe recordar que para realizar un diagnstico geomtrico eficaz de la tubera, se requiere correlacionar la informacin de varia-bles como presin, temperaturas, deformacin distancia y dimetro, adems de la compara-cin entre las mismas a travs de una matriz. A continuacin se describe el trabajo realizado en la seleccin de la tecnologa correspondien-te para cada variable a evaluar y se discuten los detalles ms relevantes en seleccin e im-plementacin. 1) Sensores de presin

Los factores ms importantes considerados en la seleccin del sensor de presin se mues-tran en la Tabla 2. Para las condiciones de tra-bajo requeridas, se seleccion un transductor de presin basado en principios piezoelctri-cos que le confiere una alta resolucin y mayor estabilidad al transcurrir el tiempo.

TABLA IIParmetros de operacin para la presin

Caractersticas de Operacin Valor

Rango de presin Hasta 2000 psi

Precisin +/- 0.5% de la Escala

Condiciones de trabajoBuena tolerancia aambientes corro-sivos

DisponibilidadAlta y de fcil ad-quisicinen el mercado.

Acondicionamiento de seal

Modular, preferible menteencapsulado.

Sensibilidad 0.5 a 1 psi.

Fuente: Los autores

2) Sensores de temperaturaDadas las condiciones de trabajo, se selec-

cion para la aplicacin un sensor de tempe-ratura tipo semiconductor. Este sensor tiene muy buenas caractersticas relacionadas con

la robustez, tamao reducido, alta precisin, acondicionamiento de seal simplificado y bajo costo. En la Fig. 5 se muestra el modo de instalacin del sensor dentro de la cpsula me-cnica con el fin de mantenerlo protegido de la corrosin y de las altas presiones.

FIG. 5. SENSORES ENCAPSULADOS Y EMPOTRADOS

Fuente: Los autores

3) Sensores OdmetrosLos odometros juegan un papel fundamen-

tal en la localizacin longitudinal de las ano-malas detectadas en la tubera. La tecnologa seleccionada para el clculo de la distancia est basada en sensores magnticos. Los odmetros estn constituidos por ruedas que entran en contacto con la tubera donde se instalan los sensores magnticos de efecto hall que envan una serie de pulsos por cada rotacin de la rueda, en la Fig. 6 se muestra el esquema del odmetro utilizado en la herra-mienta. El software incorporado en el mdulo de control se encarga de convertir estos pulsos en distancia recorrida.

Este mdulo requiere un gran procesamien-to de software para poder calcular en todo mo-mento la distancia recorrida por la herramienta inteligente. Existen ciertos factores que afectan la exactitud de los sensores de distancia e in-ducen errores en el clculo del desplazamiento lineal real de la herramienta. Las principales fuentes de error son el desgaste del material en las ruedas por la friccin y la rotacin de la herramienta dentro de la tubera; razn por la cual en la herramienta incorpora como mnimo dos odmetros los cuales proveen redundan-cia de informacin que facilita el anlisis de tendencias dinmicas.

Por ltimo, para verificar las condiciones de adherencia entre la superficie de la rueda y las diversas superficies de la tubera, se ubicaron elementos que modificaron el coeficiente de

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friccin y se implementaron modificaciones so-bre la superficie del tubo, se simul de este modo las variaciones que se presentan duran-te una corrida regular de una herramienta de tal tipo.

FIG. 6. ESQUEMA DEL ODMETRO

Fuente: Los autores

III. RESULTADOS y DISCUSIN

Para la evaluacin de las tecnologas se implementaron dos mdulos; uno validado en una lnea real y el otro en el laboratorio [12].

Las tecnologas seleccionadas para la medi-cin de presin, temperatura y distancia fueron implementadas y evaluadas en el laboratorio. Con un software especializado de modela-miento, se realiz el diseo y posteriormente la construccin de los encapsulados mecnicos, que permiten proteger la tecnologa incorpora-da en el marrano de limpieza [9]-[12].

El proceso de validacin del desempeo de la tecnologa en condiciones reales, se realiz en dos pruebas de 24 horas cada una, en una lnea de transporte tipo poliducto de 80km de recorrido de la empresa colombiana de petr-leos ECOPETROL.

En la Fig. 7 se aprecia el esquema del mon-taje final del ensamble mecnico y del mdulo que contiene la cpsula de parmetros opera-cionales en la herramienta de limpieza.

En la Fig. 8 se presenta el perfil de presin en funcin de la distancia recorrida registrado por la herramienta en condiciones reales [13] y en la Fig. 9 se aprecia el estado final de la herramienta despus de la corrida real.

FIG. 7. ESQUEMA DEL MDULO DE SENSORES DE LA HERRAMIENTA

Fuente: Los autores

FIG. 8. PERFIL DE PRESIN EN CORRIDA REAL (PRESIN [PSI] VS

DISTACIA [M])

Fuente: Los autores

FIG. 9. ESTADO FINAL DE LA HERRAMIENTA EVALUADA EN UN POLIDUCTO DE ECOPETROL

Fuente: Los autores

Estas pruebas comprobaron la repetibilidad y confiabilidad de las medidas, pues permitieron ob-tener perfiles detallados de temperatura y presin de la tubera en funcin de la distancia recorrida y el tiempo [11]-[13]. A su vez, se pudo corroborar la robustez de la herramienta para soportar altas presiones y vibraciones. La informacin obtenida en la inspeccin se constituye en una herramienta valiosa para el clculo de la vida til de la tubera y deteccin de anormalidades crticas entre otras [13], [14].


IV. CONCLUSIONES

La tecnologa desarrollada permite obtener in-formacin de la tubera a partir de la evaluacin de tendencias geomtricas y operacionales esencia-les en la viabilidad de una inspeccin de la lnea con tecnologas especializadas. Con un posterior refinamiento de la herramienta se permitir identi-ficar problemas de corrosin localizada, identificar zonas de alto riesgo de ruptura, definir acciones en los planes de aseguramiento de la integridad de los sistemas de transporte y optimizar modelos mate-mticos de simulacin.

La herramienta desarrollada y evaluada en una lnea real permite la medicin de parmetros de operacin y anomalias geomtricas en funcin de la distancia recorrida. El marrano C.I.C est concebido para ser utilizado de modo regular por el operador, al aprovechar principalmente corridas rutinarias de limpieza. De este modo los servicios prestados, a diferencia de lo que ocurre actualmente con el mercado de herramientas instrumentadas, no son de carcter puntual sino de seguimiento y control a travs de los aos. La herramienta recoger datos a bajo costo y el anlisis de los mismos aportar al operador informacin valiosa sobre el estado de la tubera, entre estos, el grado de residuos, posibles daos geomtricos y parmetros operacionales. Esta informacin que podr integrarse en el plan de mantenimiento, permitir la toma de decisio-nes y ayudar a obtener un panorama de riesgos gracias al seguimiento de los cambios que sufre la lnea con el tiempo.

A su vez, la herramienta suministra informacin valiosa antes de implementar tcnicas de inspec-cin costosas como una corrida de inspeccin in-teligente con ultrasonidos o MFL, lo cual faculta al operador para modificar esas condiciones como requisito previo a la inspeccin inteligente y la de-teccin y dimensionamiento de daos geomtricos.

La herramienta tiene caractersticas modulares que le confieren gran flexibilidad, sta es una de sus ventajas competitivas en el mercado.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Instituto Colombia-no del Petroleo ICP y a la Viceprecidencia de Tranportes de la Empresa Colombiana de Petr-leo - ECOPETROL, por el apoyo y las facilidades prestadas durante la prueba piloto, al Instituto Co-lombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tec-nologa COLCIENCIAS, por el apoyo financiero

del proyecto: Tecnologas PIG para la Calibracin Interna y la Medida de Parmetros de Operacin en Lneas de Transporte de Hidrocarburos.

REFERENCIAS

[1] ASME B 31.8 gas transmisin and distribution piping systems.

[2] ASME B 31.4 pipeline transportation systems for liquid hidrocarbons and other liquids.

[3] The Pipeline Pigging Course. In: Pipeline Pigging & In-tegrity Management Conference, Clarion, 2003.

[4] Programa para el Manejo de la Corrosin Interna y Prototipo de Marrano Inyector del Sistema de Trans-porte de Gas Ballena-Barrancabermeja de Centrags S.A.ProyectocofinanciadoporelSENAparaelsectorgas, Corporacin para la Investigacin de la Corrosin, Jun 2004.

[5] Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipeli-nes. In: API Standard. First Edition, p. 1160, Nov 2001.

[6] Specificationsandrequirementsforintelligentpigins-pection of pipelines, In: Pipeline Operator Forum, Ver-sion 3.2, Ene 2005.

[7] Pipeline Safety: Pipeline Integrity Management in High Consequence Areas Proposed Rule, 49 CFR Part. DOT, 2003, p. 192 195.

[8] In-Line Nondestructive Inspection of Pipelines, In: NACE International Publication. 35100.

[9] Automatic Data Acquisition System For Offshore Oil Pi-peline Magnetic Flux Leakage On-Line Inspection, Tao Jin Peiwen, Shangai Jiao Tong University/Journal of the Japan Petroleum Institute, 2005.

[10] Integrated Visualization for Geometry PIG Data.pdf, Bok Dong Kim Kyungpook National University, Daegu, South Korea, Department of Computer Engineering, Korea Gas Corporation, 426-790 Ansan, South Korea, 2006.

[11] Advances in Line Inspection Technology for Pipeline Integrity, Jeff Sutherland, BJ services, 2000.

[12] R. Worthingham T. Morrison, N.S. Mangat and G. Des-jardins. Bayesian Estimates Of Measurement Error For In-Line Inspection And Field Tools Proceeds of IPC. In-ternational Pipeline Conference 2002. Calgary, Alber-ta, Canada.

[13] Desarrollo de una herramienta para determinar las prdidas de presin interna en lneas de transporte de hidrocarburos a travs del uso de sensores electro-mecnicos, orden de servicio 511956 entre el CIC y el ICP, diciembre de 2007.

[14] Assessment and analysis of pipeline buckles, Inessa L Yablonskikh et. al., PPSA Aberdeen Seminar 2007.

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