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Abstract — This paper presents the development of a robotic system to perform inspection in petroleum pipelines using magnetic flux leakage technology. Due to the nature of this application, the robot must be able to take a several number of samples, digitalize and store it every second. Magnetic effects like magnetic saturation, magnetic flux leakage and Hall effect are essentials in the design, and some characteristics of the pipe composition materials, such as thickness and magnetic permeability affect the robot performance. The manipulation and graphics of the data using the Matlab and Matlab GUI allows a simple way to detect the defects by the user. This article describes the design assumptions made and methodology used to develop the mechanical and electronic components of the prototype. Finally, we present the results obtained through the development which has been validated the potential of application.

Palabras clave— Conversor análogo digital (analog to digital

converter), efecto Hall, oleoducto (pipeline), PIG (Pipeline Inspection Gauge.

I. NOMENCLATURA

MFL Magnetic Flux Leakage. PIG Pipeline Inspection Gauge. A/D Análogo / Digital

II. INTRODUCCIÓN

urante los inicios de la industria petrolera uno de los principales retos fue la distribución del mismo desde el punto de extracción hasta los sitios de refinación y de allí

a los sitios de consumo, la solución fue la construcción de redes de transporte a través de tuberías, sin embargo estas tuberías sufren daños internos y externos por motivos que van desde la corrosión hasta actos vandálicos y de hurto,

nació entonces la necesidad de inspeccionar regularmente dichos poliductos y con esta necesidad llegaron nuevos retos debidos a los costos y la necesidad de resultados en corto tiempo sin importar la longitud del poliductos. La tecnología vino entonces al rescate, la implementación de diferentes técnicas, (externas e internas), y equipos como la inspección visual, la absorción de gases, la reflexión acústica y la fuga de flujo magnético, entre otros. El diseño del prototipo esta basado en la tecnología que utiliza MFL, una técnica utilizada para inspecciones no destructivas de tuberías de petróleo y gas que brinda información de los defectos y las anomalías del ducto como lo describe el artículo de investigación de técnicas de aprendizaje automático para el análisis de flujo magnético [1]. Este documento también brinda al lector información acerca de cada etapa del proceso y los elementos necesarios a cada paso, desde la magnetización de la pared del ducto, la detección de señales, su digitalización y posterior almacenamiento, así como un proceso alterno y muy importante: y que permite conocer la distancia recorrida por el móvil. La organización general de este documento inicia con un resumen del trabajo realizado previamente, la sección 4 presenta generalidades del diseño mecánico, electrónico y de software, los principios de operación y manejo de datos del prototipo. El quinto ítem muestra los resultados obtenidos y el análisis de los mismos. Por ultimo la sección 6 muestra las conclusiones y perspectivas para mejoras en el prototipo.

III. MARCO REFERENCIAL

En esta sección se encuentra información acerca de los principios físicos aplicados al diseño del prototipo así como la aplicación previa de estos, además de otros enfoques como la técnica por ultrasonido.

Yamid Alonso Jaime Mantilla Rodolfo Uribe Esparza yamidjm@hotmail.com roures76@gmail.com

Universitaria de Investigación y Desarrollo UDI, Bucaramanga Colombia

Diseño y construcción de un prototipo “Smart Pig” que permita el monitoreo de tuberías en oleoductos,

basado en la estrategia Magnetic Flux Leakage (MFL)

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A. Efectos magnéticos.

Teniendo en cuenta que la base del prototipo es la capacidad de medir el campo magnético que fuga desde las imperfecciones de la pared del ducto previamente magnetizado, es conveniente tener una breve inducción en magnetismo; el primero de estos efectos es la saturación magnética, los materiales ferromagnéticos si bien tienen regiones microscópicas saturadas magnéticamente, estas regiones no se encuentran alineadas con lo cual se anulan entre si creando una imantación nula a nivel macroscopico[2], para saturar magnéticamente las paredes del ducto se recurre al uso de imanes permanentes de Neodimio que permiten la alineación rápida y suficientemente fuerte para que al pasar sobre una falla se produzca el segundo efecto, este se denomina fuga de flujo magnético y se presenta cuando una pieza a través de la cual viajan líneas de campo magnético tiene un defecto en su superficie dichas líneas de flujo escapan desde los bordes buscando continuidad en su recorrido[3], por ultimo, el efecto Hall consiste en que en un metal o semiconductor con corriente, situado en un campo magnético perpendicular al vector densidad de corriente, surge un campo eléctrico transversal y un diferencia de potencial. La causa del efecto Hall es la desviación que experimentan los electrones que se mueven en el campo magnético bajo la acción de la fuerza de Lorentz. Esta base teórica puede verse en la Fig. 1.

B. Estado del arte. MFL es una técnica utilizada para ensayos no destructivos de petróleo y gas. Esta técnica da información de los defectos y las anomalías del ducto así lo demuestra un artículo de investigación de técnicas de aprendizaje automático para el análisis de flujo magnético [4] que con métodos de regresión de vectores, técnicas de kernelización, análisis de componentes principales, mínimos cuadrados y métodos para reducir la dimensionalidad del espacio se demuestra la idoneidad y la precisión de los defectos.

La técnica MFL se ha venido implementando ampliamente alrededor del mundo en China este método se ha consolidado el más utilizado como lo describe el articulo [5] que presenta los defectos moldeados con precisión en 3 dimensiones. En este orden de ideas se ven muchas investigaciones como se destaca en [6, 7, 8,] en que han tenido datos satisfactorios utilizando esta metodología.

Si bien este método es uno de los más utilizados también es el método más antiguo apareciendo por primera vez en Estados Unidos en el año de 1960 como lo describe [9] y el cual ha venido evolucionando cada vez. En Colombia este método aparece por primera vez a implementarse en el año 2003 en la cual la compañía ECOPETROL emprende el programa de

Fig. 1. Principios físicos del dispositivo

Inspección de 6000 kilómetros de tuberías con más de 20 años de construcción como lo muestra la revista carta petrolera en su artículo [10]. Cabe recalcar a los lectores en el presente artículo que Colombia ha realizado investigaciones sobre prototipos de inspección y métodos de simulación como se destaca en [11, 12,13]. ECOPETROL ha venido trabajando en este campo y ha desarrollado una herramienta de inspección en línea con tecnología de flujo magnético en la cual han hecho pruebas piloto obteniendo excelentes resultados [14].

IV. DESCRIPCION DEL DISEÑO

En el presente capítulo, se presenta al lector un panorama

detallado de la implementación del prototipo; centrado en el diseño de la etapa física del sistema, la justificación de la fabricación y puesta a punto del mismo, la electrónica asociada (sensórica y circuitería), entre otros elementos destacables.

A. Modelado en SolidWorks. Para realizar la geometría de las piezas se elaboró un diseño basado para una tubería de 6 pulgadas de diámetro, los diseños creados de las piezas se toman como referencia para elaborar el diseño final, ya que ésta herramienta permite hacer mejoras sobre las piezas para moldearlas y simularlas en un entorno de 3 dimensiones. Una de las piezas más importantes es el cabezal de sensores el cual fue elaborado en varias ocasiones para darle las dimensiones ideales requeridas en el prototipo, también se realizaron modelos en icopor, permitiendo tener medidas reales y tangibles del prototipo. El cabezal de sensado es la pieza cuyo diseño es critico para el desempeño del prototipo, este cuenta con 16 módulos de alojamiento de sensores organizados en circunferencia con lo cual el cabezal completo cuenta con 64 sensores, 32 imanes y 32 escobillas, este cabezal está montado sobre un tramo del ducto de dos pulgadas de diámetro recubierto por una capa de espuma de alta resistencia que permiten que los módulos se expandan y contradigan para así ajustarse a la geometría cambiante del ducto, abolladuras que lo comprimen o estiran cambiando su perfil, el diseño final se ve en las Fig. 2 y 3.

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Fig. 2. Diseño del cabezal de sensores.

Fig. 3. Vistas del cabezal de sensores.

Para el módulo de alojamiento de las tarjetas se diseña un cuerpo cilíndrico de 15cm de largo y 12cm de diámetro el cual las protegerá contra cualquier imprevisto esto se puede observar en la Fig.4. El diseño final cumple con requerimientos mecánicos para su desplazamiento a través de los ductos, y las necesidades de espacio para alojar los elementos electrónicos, baterías y demás elementos constitutivos. Algunos elementos adicionales son las tapas de los módulos y las rotulas de conexión entre módulos, la Fig.5. muestra el modelo final ensamblado.

Fig. 4. Modulo para alojamiento de tarjetas.

Fig. 5. Modelo final ensamblado.

B. Prototipo DABEMITH 632

DABEMITH 632 es el nombre comercial que los autores del presente proyecto escogieron, su nombre tiene relación con los componentes y con el ambiente que manejara. Su significado es: Dispositivo Autónomo Basado en Efectos Magnéticos para la Inspección de Tuberías de Hidrocarburos (6 pulgadas de diámetro, 32 unidades de sensado por modulo). Para el sensado se decidió utilizar el sensor UGN3503U ya que tiene una respuesta lineal para campos magnéticos con un B<900 Gauss, este tipo de sensor tiene una sensibilidad de 1.30mV/G cuando se alimenta con una tensión de continua de 5 voltios, la operación del sensor se basa en la presencia del polo norte magnético presente en la superficie del mismo y que induce una salida lineal positiva. En él procesamiento de datos se usa el microcontrolador 24HJ256GP210 que cuenta con características de diseño, fiabilidad y facilidad de adquisición que lo destacan de entre las demás opciones y del cual haremos una breve descripción de los principales periféricos utilizados para el desarrollo del presente proyecto, los mismos permiten crear un prototipo minimalista pero que cumple con todos los requerimientos planteados; el módulo de conversión análoga digital del pic24hj256gp210 cuenta con 32 canales de entrada y un módulo de conversión, puede trabajar a 10 y a 12 bits adicionalmente cuenta con cuatro canales de sample/hold, para el correcto funcionamiento de la aplicación sólo se utilizó uno de estos canales la conversión es llevar a cabo por el método de aproximación sucesiva. Para la aplicación se hace necesario el uso de un modulo de comunicación SPI que se configura para comunicarse con una tarjeta SD a través de protocolo fat 16, este módulo de interfase periférica serial es de tipo síncrono y permite gran velocidad en la transmisión de datos. La tarjeta de sensores y la tarjeta electrónica pueden verse en las Fig. 6 y 7.

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Fig. 6. Tarjetas para sensores.

Fig. 7. Tarjeta Microcontrolador.

La tarjeta SD usada para el almacenamiento de datos soporta comunicación tipo MMC1, está constituida por chips de memoria flash, cuenta con un controlador inteligente la cual administra los protocolos de comunicación, algoritmos de corrección de errores, seguridad y administración de potencia; cuenta con 9 pines de interfase configurados de la siguiente manera: un pin de reloj el cual sirve para sincronizar los datos de entrada y salida, un pin de comandos, tres pines los cuales hacen el intercambio de datos y tres pines para el voltaje el cual maneja de 2,6 volt a 3,6 volt y un consumo de corriente que varía entre los 65 y 75 mA.

C. Conjunto terminado.

Un proceso de ajuste continuo se llevo a cabo a medida que cada una de las piezas era terminada y ensamblada en su respectivo modulo, ya que gran parte del proceso de construcción mecánica era casi empírico. Las pruebas subsecuentes de avance y movilidad si bien no contaron con toda la rigurosidad necesaria, en gran parte por ausencia de un entorno adecuado para las mismas, mostraron que el prototipo puede desempeñar adecuadamente todas las funciones de desplazamiento, rotación y transmisión de fuerza.

Los espacios requeridos para alojar los elementos electrónicos se amoldaron correctamente a las proyecciones, teniendo solo que ajustar soportes de teflón para sostener las tarjetas y varillas roscadas que atraviesan los módulos y son rematadas con tuercas para cerrar las cubiertas de cada uno. El conjunto final se observa en las Fig. 8 y 9.

1 Multi Media Card

Fig. 8. Prototipo ensamblado, vista frontal.

Fig. 9. Prototipo ensamblado, vista lateral.

D. Diseño software

El software implementado en el microcontrolador así como la interfaz gráfica de usuario realizada con el programa MATLAB permiten al la optimización de los recursos electrónicos usados en el diseño del prototipo. Para el microcontrolador se uso la herramienta de programación MikroCpro para DSPIC/PIC24, gracias al cual se implementó el código con librerías preconfiguradas para el manejo del SPI y a sus ves se manipularon directamente los registros de control del conversor análogo digital y el timer; el software del microcontrolador se diseñó de acuerdo a la secuencia en la cual debían efectuarse las operaciones y de acuerdo a las necesidades requeridas para cada uno de los periféricos de tal forma que se obtiene la mayor eficiencia para cada una de las tareas, asegurando así cumplir con los objetivos de tiempo, capacidad de almacenamiento, precisión

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y exactitud que la aplicación requiere; la configuración del timer asegura que el conteo se lleve a cabo asincrónicamente; el programa inicia tomando la muestra correspondiente al canal cero de conversión, dicha conversión entrega 10 bits el cual para su almacenamiento es reducido a 8 bits y posteriormente es enviado al dispositivo de almacenamiento a través del SPI, este proceso se repite a través de los 32 canales análogos/digitales, el dato no se almacena como una cadena si no como un byte que refleja el valor de la muestra, la secuencia se lleva a cabo de forma indefinida interrumpiéndose solo cuando se guardan datos de distancia. En el caso de la GUI se implementa un corto programa que permite la visualización de datos de una forma amable al usuario. Las funciones básicas son la apertura de el archivo plano con el comando fopen, posteriormente se crea una matriz con los valores que refleja cada byte usando el comando fread, dicha matriz contiene 14 filas, una por cada sensor, y tantas columnas como series de conversión estén almacenadas en cada archivo. También es necesario crear dos vectores, uno de 32 elementos y otro igual al número de filas de la matriz. Al graficar con el comando mesh, la matriz se ve reflejada como un plano en el cual se pueden observar los cambios en las medidas, en tanto que el primer vector conforma el eje de los sensores y el segundo el de las muestras, dependiendo de la configuración, cada cierto lapso aparecerá una marca de distancia.

V. RESULTADOS Se llevaron a cabo pruebas de desplazamiento y funcionamiento en una pieza de ducto de 2.40 metros de longitud y 6 pulgadas de diámetro interno, al cual se efectuaron daños de tipo perforación que iban desde ¼ de pulgada hasta 1 pulgada obteniendo resultados satisfactorios, aunque esta etapa demando una mayor cantidad de tiempo en cuanto al ajuste, ya que diversos factores mecánicos, electrónicos y de programación debieron ser refinados en la medida que se encontraban dificultades. Las Fig. 10 y 11. muestran parte del proceso de corrida del prototipo a través del ducto y las Fig. 12 y 13. muestran resultados obtenidos con las ordenes de Matlab ejecutadas desde la ventana de comandos, finalmente podemos observar la GUI de Matlab en la Fig. 14. La GUI entrega una imagen que permanece fija, sin embargo con la implementación de controles deslizantes se puede lograr cierto grado de interactividad, que puede ir desde el movimiento en los tres ejes de rotación y funciones de zoom in y zoom out que permitan integrar la manipulación integral de las graficas presentadas.

Fig. 10. Introduciendo el prototipo en el ducto de pruebas.

Fig. 11. Prototipo halado con guaya saliendo del ducto de pruebas.

Fig. 12. Grafica resultados modulo1. .

Fig. 13. Grafica resultados modulo2.

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Fig. 14. GUI de Matlab.

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

REFERENCIAS

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[2] E. H. Miller, “A note on reflector arrays,” IEEE Trans. Antennas Propagat., to be published.

[3] Wiley, John. Introduction to nondestructive testing: a training guide, june 2005.

[4] A. Khodayari, j.p, reilly, N.K. Nikolova, Machine learning techniques for the analysis of magnetic flux leakage images in pipelines inspection, aug 2009.

[5] Li Xiang, Li xumbo, Quin Guangxu, steel pipeline testing using leakage method. April 2008.

[6] Guoguang Zhang, Penghui Li, Signal processing technology of circunferential magnetic flux leakage inspection in pipeline, 2011.

[7] L. Claphman, V. Babbar, Byrne James, Detection of mechanical damage using the magnetic flux leakage technique , University Kingston, Canada, 2009.

[8] J.Lynch Andrew, Magnetic flux leakage robotic pipe inspection internal and external methods, rice university, december 2009.

[9] Burbenik Tom, Nesthleroth J.b, Leis Brian, Introduction to smat pigging in natural gas pipelins, december 2000.

[10] Revista carta petrolera , Por entre un tubo, ,http://portal.ecopetrol.com.co/especiales/cpsepoct05/carta112.pdf

[11] Velez Londoño Gustavo Rodolfo, Prototipo PIG intelligent,febrero 2003.

[12] Aldana Carvajal jose David,Yepes Armando, Analisis de hidroninamica exterior de una herramienta multitarea mediante CFD.

[13] Universia, robot y fibra óptica para el análisis de oleoductos , octubre 2009

[14] Ecopetrol, Innova, Centinela al robot de combustibles. http://www.ecopetrol.com.co/especiales/RevistaInnova2ed/reves

timientos.htm.