Detecção de Vazamentos em Tubulações através da Análise Espectral de Transientes de Pressão PDF
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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 \fCAP O. _-_-_--_-_-_ 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 • I Prof." Dr.a Ana Maria F/att.llü Fileti v Prof ." Dr. a Katia Tannous Prof. Dr. Sergio Persio Ravagnani lll Este exemplar corresponde à versão final da Tese de Doutorado em Engenharia Química. ( ' ~ Prof.' Dh~Sandra Lúcia da Cruz (Orientadora) 1\ ········· I I l/ v 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. Vll 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
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