Detecção de Vazamentos em Tubulações através da Análise Espectral de Transientes de Pressão

138 Pages·2006·3.57 MB·Portuguese

Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Química
Área de concentração:
Sistemas de Processos Químicos e Informática
Detecção de Vazamentos em Tubulações
através da
Análise Espectral de Transientes de Pressão
Autor: Arlan Lucas de Souza
Orientadora: Prof.a Dr.a Sandra Lúcia da Cruz
Co-orientador: Prof. Dr. João A. F. R. Pereira
Tese de Doutorado apresentada à
Faculdade de Engenharia Química
como parte dos requisitos necessá
rios para a obtenção do Título de
Doutor em Engenharia Química.
Campinas-SP
Março de 2002
UNICAMP
BIBLIOTECA CENTRAL
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
Souza, Arlan Lucas de
So89d Detecção de vazamentos em tubulações através da
análise espectral de transientes de pressão I Arlan Lucas
de Souza. --Campinas, SP: [s.n.], 2002.
Orientadores: Sandra Lúcia da Cruz e João Alexandre
Ferreira da Rocha Pereira
Tese (doutorado) -Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica.
1. Ondas estacionárias. 2. Análise espectral. 3.
Aquisição. 4. Transitórios hidráulicos. 5. Localização de
falhas (Engenharia). I. Cruz, Sandra Lúcia da. II. Pereira,
João Alexandre Ferreira da Rocha. III. Universidade
Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química.
N. Título.
ll
Tese de Doutorado defendida por Arlan Lucas de Souza e aprovada em 8 de março de
2002 pela banca examinadora constituída pelos doutores:
Prof." D~."~andra Lúcia da Cruz (Orient~ra)
/ Dr. Alexandre Nunes Ponezi
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Prof." Dr.a Ana Maria F/att.llü Fileti
v
Prof ." Dr. a Katia Tannous
Prof. Dr. Sergio Persio Ravagnani
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Este exemplar corresponde à versão final da Tese de Doutorado em Engenharia Química.
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Prof.' Dh~Sandra Lúcia da Cruz (Orientadora) 1\
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Agradecimentos
A todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste
trabalho, gostaria de deixar o meu muito obrigado.
Agradeço em particular à Prof." Sandra Cruz e ao Prof. João Pereira pelas
valiosas críticas e sugestões que em muito enriqueceram o trabalho.
Deixo sinceros agradecimentos também aos funcionários Alexandre, Daniel
e Sandro, que me ajudaram na peleja diária do laboratório.
E, finalmente, agradeço ao suporte financeiro dado pela CAPES e pelo
CNPq, sem o qual não seria possível a realização deste trabalho.
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Resumo
Uma nova técnica de detecção de vazamentos em tubulação é apresenta
da. A técnica é baseada na análise espectral de sinais de pressão medidos
em trechos da tubulação que favorecem a formação de ondas estacionárias.
Sendo baseada no espectro do sinal, e não na sua representação temporal, a
análise possibilita a identificação do vazamento mesmo quando este ocorre
durante a realização de operações que naturalmente encobririam o transien
te de pressão gerado pelo vazamento. Testes experimentais foram realizados
numa tubulação de 1250 m de comprimento em várias condições de fluxo
e configurações de vazamento durante a partida e a parada de uma bomba
centrífuga. Transientes de pressão foram obtidos por quatro transdutores
conectados a um computador padrão PC comandado por um software de
aquisição de dados e controle desenvolvido. Os testes mostraram que a
análise espectral dos transientes de pressão, juntamente com o conhecimen
to dos pontos de reflexão na tubulação, consiste em um método simples e
eficiente de se detectar vazamentos.
Palavras-chave: detecção de vazamento, ondas estacionárias, análise espectral,
transiente hidráulico, aquisição de dados.
ix
Abstract
The development and test of a technique for leak detection in pipelines is
presented. The technique is based on the spectral analysis of pressure sig
nals measured in pipeline sections where the formation of stationary waves
is favoured, allowing leakage detection during the start/stop of pumps. Ex
perimental tests were performed in a 1250 m long pipeline for various opera
tional conditions of the pipeline (liquid flow rate and leakage configuration).
Pressure transients were obtained by four transducers connected to a PC
comput er. The obtained results show that the spectral analysis of pressure
transients, together with the knowledge of reflection points provide a sim
pie and efficient way of identifying leaks during the start/stop of pumps in
pipelines.
keywords: leak detection, standing waves, spectral analysis, hydraulic transients,
data acquisition.
XI
Sumário
Agradecimentos vii
Resumo ix
Abstract xi
Lista de Figuras
XV
Lista de Tabelas xvii
Nomenclatura
XIX
1 Introdução 1
2 Análise da Literatura 5
3 Fundamentação Teórica 11
3.1 Modos Naturais de Vibração em Tubos 11
3.2 Análise Espectral ........... . 15
3.3 Aquisição de Dados e Controle por Computador 19
4 Metodologia 27
4.1 Montagem Experimental 28
4.1.1 O Sistema Hidráulico . 28
4.1.2 O Sistema de Aquisição de Dados e Controle . 29
4.2 Procedimento Experimental . . . . . . . . . . 39
4.2.1 Ajuste da Magnitude dos Vazamentos . 41
4.2.2 Experimentos de Partida da Bomba . 42
Xlll
SUMÁRIO
4.2.3 Experimentos de Parada da Bomba 43
4.3 Processamento do Sinal .......... . 44
4.3.1 Filtro Diferença Avançada .... . 45
4.3.2 DFT - Transformada de Fourier Discreta 47
4.3.3 ESD - Densidade Espectral de Energia 47
4.3.4 Normalização da ESD 47
4.3.5 Filtro Passa-Banda 48
5 Resultados e Discussão 49
5.1 Energia Total dos Sinais de Pressão 49
5.2 Espectro em Torno dos Harmônicos 55
5.3 Fração Energética . . . . . . . . . . 60
5.4 Fração Energética com o Espectro Reduzido 65
5.5 Filtro Passa-Banda ............. . 69
6 Conclusão e Sugestões 75
A Freqüências Naturais em Tubos 79
B Filtro Diferença Avançada 85
C Matriz de Resultados 89
D Software - código-fonte 93
Referências Bibliográficas 127
X! V
Lista de Figuras
1.1 A técnica proposta. . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Tubulação como um sistema de entrada e saída. 7
3.1 Modos naturais de vibração num tubo aberto. . 13
3.2 Modos naturais de vibração num tubo fechado. 14
3.3 Modos naturais de vibração num tubo com uma extremidade fechada. 14
3.4 Analogia entre geometria analítica e análise espectral. 16
3.5 Mudança de domínio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1 Sistema hidráulico. . . 29
4.2 Montagem Experimental. . 30
4.3 Circuito de interfaceamento PLACA/BOMBA. . 34
4.4 Processamento do sinal de pressão. . . . . . . . 44
4.5 Efeito do filtro diferença avançada sobre a ESD (com fs =500Hz). 46
5.1 Energia total (partida, vaz. a 250m). 50
5.2 Energia total (parada, vaz. a 250 .n). 52
5.3 Energia total (partida, vaz. a 750 m). 53
5.4 Energia total (parada, vaz. a 750 m). 54
5.5 Espectro do sinal de partida em torno do 1° harmônico .. 57
5.6 Espectro do sinal de parada em torno do P harmônico .. 58
5.7 Espectro do sinal de partida em torno do 4° harmônico. 59
5.8 Espectro do sinal de parada em torno do 4° harmônico. 60
5.9 Eficiência da técnica de detecção de vazamentos ..... 62
5.10 Eficiência em subgrupos (posição) de experimentos. . . 63
5.11 Eficiência em subgrupos (posição) com espectro reduzido. 66
5.12 Eficiência em subgrupos (atraso) com espectro reduzido. 67
XV