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Nakamura Lab as Tida

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tesis

Text of Nakamura Lab as Tida

  • UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

    PROGRAMA DE MAESTRIA Y DOCTORADO EN INGENIERIA

    FACULTAD DE INGENIERA

    DESARROLLO DE LA TEORA, SISTEMA DE MEDICIN

    Y PROCESAMIENTO PARA LA INSPECCIN ELECTROMAGNTICA DE DUCTOS

    T E S I S

    QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:

    DOCTOR EN INGENIERIA

    ELCTRICA SISTEMAS ELECTRNICOS

    P R E S E N T A :

    EDGAR KIYOSHI NAKAMURA LABASTIDA

    TUTORES:

    DR. ROGELIO ALCNTARA SILVA DR. ALEKSANDR MOUSATOV

    2006

  • A mis padres Sr. Tokuo Nakamura Usami y Sra. Josefa Labastida vila:

    Por su dedicacin, cario y una vida excepcional consagrada a nuestra formacin. A

    ellos les agradezco infinitamente sus preocupaciones, desvelos, enseanzas y les brindo

    mi mximo respeto, cario y admiracin.

    A mis hermanos Kaori y Kenji:

    Por sus palabras de aliento, compaa, y por aquellos maravillosos momentos que juntos

    vivimos como nios y adolescentes y que ahora disfrutamos como adultos.

    A mi esposa Jacqueline Tllez:

    Por su apoyo y motivacin incondicional en cada momento de las diferentes etapas de

    mi vida. Por su dulce compaa, singular cario, paciencia y eterna comprensin.

    A mi ta Elena Yokota:

    Por sus sabios consejos y enseanzas que siempre perdurarn en mi mente.

    A mi sobrina Yumiko

    Por hacer muy felices aquellos momentos que convivimos con su alegra, ternura y

    tenacidad.

    DEDICATORIAS Y AGRADECIMIENTOS

  • Dedicatorias y agradecimientos

    A los Dres. Aleksandr Mousatov y Rogelio Alcntara Silva.

    Por todas sus enseanzas, experiencias y consejos transmitidos que me han permitido

    mejorar en cada aspecto de mi vida profesional y personal. Por su amistad, gua y

    paciencia. Ambos representan un modelo de perseverancia, astucia e inteligencia a

    seguir. Muchas gracias por todo.

    Al Dr. Francisco Garca Ugalde

    Por sus recomendaciones, soporte y tiles consejos.

    Al Ing. Alberto Flores Roa

    Por su amistad, palabras de aliento y ayuda desde que, por vez primera llegu al Instituto

    del Petrleo. Para m un ejemplo de trabajo, esfuerzo y audacia.

    Al grupo de investigacin del Dr. Mousatov

    Quienes desde hace ms de cinco aos me han brindado su apoyo cientfico y moral.

    Agradezco sinceramente la ayuda recibida de los Dres. Omar Delgado, Vladimir Shevnin,

    Elena Kazatchenko, Evgueni Pervago y Mikhail Markov. Gracias a todos ellos por

    permitir que este trabajo de investigacin se haya concluido.

    A mis amigos

    Quienes siempre me han impulsado a seguir adelante con sus palabras de aliento, en

    especial a Eric Rodrguez, Luis Tellez, Gerardo Ramos y Jorge Nepomuceno.

  • Dedicatorias y agradecimientos

    Al Instituto Mexicano del Petrleo

    Por el apoyo econmico y todas las facilidades otorgadas para la realizacin de este

    trabajo de tesis. En especial a los ingenieros Manuel Perafn y Vctor Herrera, y al

    Lic. Rogelio Bucio, a quienes expreso un profundo agradecimiento por todo lo que han

    hecho por m.

    A la Universidad Nacional Autnoma de Mxico

    Por abrirme sus puertas y permitirme obtener mi formacin para servir dignamente a

    Mxico con orgullo y entusiasmo.

  • -I-

    RESUMEN XI CAPTULO 1. INTRODUCCIN 1.1 Importancia de los mtodos de inspeccin de ductos. 1 1.2 Planteamiento del problema. 3 1.3 Antecedentes de los mtodos electromagnticos de inspeccin de ductos. 4 1.4 Hiptesis. 7 1.5 Objetivos de la tesis. 8 1.6 Innovaciones. 9 1.7 Estructura de la tesis. 10 CAPTULO 2. APROXIMACIN DE DUCTOS METLICOS POR LNEAS DE TRANSMISIN HETEROGNEAS 2.1 Antecedentes de la teora de lneas de transmisin. 12 2.2 Modelo de un ducto como lnea elctrica de transmisin. 14 2.3 Ecuaciones generales de las lneas de transmisin. 15 2.4 Definicin de los parmetros de la lnea de transmisin. 17 2.4.1 Resistencia e inductancia de la tubera. 18 2.4.2 Inductancia mutua en ductos. 19 2.4.3 Resistencia de fuga, resistencia de aislamiento y su relacin con el medio que 20 rodea al ducto. 2.4.4 Capacitancia de fuga. 21 2.5 Solucin de las ecuaciones generales de la lnea de transmisin. 21 2.5.1 Condiciones de fuente y condiciones de frontera para lneas heterogneas. 23 2.6 Campo magntico sobre un ducto. 24 2.7 Conclusiones del captulo 2. 26

    INDICE GENERAL

  • ndice general

    -II-

    CAPTULO 3. MODELADO DE LAS CARACTERSTICAS ELECTROMAGNTICAS DE LOS DUCTOS COMO LINEAS DE TRANSMISIN 3.1 Modelado de daos en aislamiento y en el espesor. 28 3.1.1 Modelo de dao en el aislamiento. 29 3.1.1.1 Modelo con conductancias fijas y longitud de zonas daadas variables. 32 3.1.1.2 Caractersticas electromagnticas del ducto en funcin de la frecuencia. 38 3.1.1.3 Reconstruccin de la distribucin de voltajes a lo largo del ducto. 41 3.1.2 Modelo de ducto con dao en el espesor. 43 3.1.2.1 Modelo con espesores variables y ancho del dao constante. 45 3.2 Viabilidad de monitoreo peridico. 47 3.3 Conclusiones del captulo 3. 51

    CAPITULO 4 DISEO Y DESARROLLO DEL SISTEMA ELECTRNICO DE MEDICIN 4.1 Antecedentes de equipos empleados en la inspeccin electromagntica de ductos. 52 4.2 Equipo analgico. 54 4.2.1 Generador analgico de campo magntico. 54 4.2.2 Medidor analgico de campo magntico. 56 4.3 Equipo digital. 57 4.3.1 Parmetros tcnicos del generador digital. 58 4.3.2 Estructura del generador. 58 4.3.3 Flujo de operacin del sistema. 59 4.3.4 Optimizacin de la seal transmitida por el generador. 61 4.3.5 Pruebas de laboratorio. 64 4.3.5.1 Linealidad. 64 4.3.5.2 Estabilidad en frecuencia. 65 4.3.5.3 Estabilidad en corriente de salida (Regulacin por carga). 65 4.3.5.3 Estabilidad de la corriente. 66 4.4 Adquisidor multicanal de datos. 68 4.4.1 Definicin de los requerimientos del equipo de medicin. 68 4.4.2 Estructura del equipo medidor. 68 4.4.3 Flujo de operacin del sistema de medicin. 70 4.4.4 Pruebas del medidor. 72 4.5 Sensor para la medicin multicomponente del campo magntico. 78 4.5.1 Descripcin general del sensor. 78 4.5.2 Principio de funcionamiento del sensor HMC2003 78 4.5.3. Electrnica para el control y operacin del sensor. 80 4.5.4 Pruebas experimentales del sensor de campo magntico. 82 4.5.4.1 Pruebas de linealidad y determinacin de la resolucin del sensor. 82 4.5.4.2 Caracterizacin del sensor y la antena de induccin. 83 4.6 Hardware de acondicionamiento del sensor. 85 4.6.1 Pruebas el hardware de acondicionamiento. 85 4.7 Conclusiones del captulo 4. 89

  • ndice general

    -III-

    CAPTULO 5. ADQUISICIN Y PROCESAMIENTO DE DATOS EN CAMPO 5.1 Antecedentes de tcnicas de procesamiento empleadas en la inspeccin 90 electromagntica de ductos. 5.2 Medicin del campo magntico. 92 5.3 Medicin de voltajes en los postes de proteccin catdica. 94 5.4 Determinacin de la resistividad del suelo. 95 5.5 Anlisis y procesamiento de las mediciones de campo magntico. 96 5.5.1 Tcnicas de filtrado. 97 5.5.1.1 Filtrado digital. 97 5.6 Anlisis en el dominio del tiempo y de la frecuencia. 100 5.6.1 Anlisis en el dominio del tiempo. 101 5.6.2 Mtodos convencionales de anlisis frecuencial. 103 5.6.3 Autocorrelacin. 104 5.6.3.1 Deteccin sincrnica 106 5.6.4 Densidad espectral de potencia. 110 5.6.4.1 Mtodos clsicos 111 Periodograma 111 Welch 111 5.7 Pruebas de las tcnicas de procesamiento y equipos electrnicos en campo. 112 5.8 Conclusiones del captulo 5. 119 CAPTULO 6. VALIDACIN EXPERIMENTAL DE LA TECNOLOGA DE INSPECCIN DESARROLLADA 6.1 Descripcin de la tecnologa de inspeccin. 120 6.1.1 Trayectoria geomtrica del ducto. 121 6.1.2 Estimacin de la profundidad y valor de corriente. 121 6.1.3 Determinacin de la corriente de fuga. 123 6.1.4 Restitucin de la distribucin de voltajes a lo largo del ducto. 123 6.1.5 Estimacin de la resistencia de fuga. 123 6.1.6 Determinacin de la resistencia de aislamiento. 123 6.2 Validacin en campo de la metodologa, tcnica de medicin y procesamiento 124 6.2.1 Ejemplo 1: Determinacin de la trayectoria geomtrica de los ductos. 124 6.2.2 Ejemplo 2: Determinacin de la resistencia de fuga. 125 6.2.3 Ejemplo 3: Determinacin de la resistencia de aislamiento para un grupo de 127 ductos y deteccin de conexiones no autorizadas. 6.2.4 Ejemplo 4: Determinacin del estado del aislamiento de un grupo de ductos. 135 6.3 Anlisis comparativo con otras tecnologas de inspeccin. 144 6.3.1 Mtodo CIPS (Close Interval Potencial Survey) 145 6.3.2 Mtodo DCVG (Direct Current Voltaje Gradient) 147 6.3.3 Mtodo Pipeline current mapping ( C-Scan y ERA). 148 6.4 Co