Material Suplementario 6.4 Métodos de detección y ubicación de fugas

Transcripción

1 Material Suplementario 6.4 Métodos de detección y ubicación de fugas Objetivo Para encontrar fugas que no afloran a la superficie del terreno en los sistemas de distribución de agua enterrados, los métodos que se utilizan más son los métodos acústicos. Para la utilización de los métodos de detección acústica de fugas son ventajosos un conocimiento básico de la propagación de ondas acústicas y de la oscilación de los tubos, así como un conocimiento técnico profundo de los instrumentos comunes. Este material suplementario explica los antecedentes de los métodos de detección acústicos de fuga. Los detalles técnicos como los componentes de los instrumentos acústicos, el modo de operación, el campo de aplicación respectivo, las ventajas y desventajas de los instrumentos acústicos seleccionados se proporcionan aquí. Como los métodos de detección acústica de fugas son menos convenientes para los sistemas de agua suministrados intermitentemente, también se describe en este material suplementario el método no acústico de gas de rastreo. Grupo destinatario Cada empresa de agua que desee conocer más sobre la implementación correcta de los métodos para la ubicación y detección acústica de fugas.

2 1 Antecedentes Propagación de las ondas acústicas El transporte de agua a cierta presión a través de un tubo de agua siempre causa ruido. La fricción, las curvas y los cambios de dimensión llevan a pérdidas permanentes de energía que se convierten en sonidos acústicos. La descarga de agua desde una fuga es una fuente de mucha pérdida de energía local, ya que la liberación causa una reducción desde la presión completa del sistema hasta cero. Dependiendo de varios factores, se puede disipar este ruido como ondas acústicas en una larga distancia. Los factores de influencia más importantes son el material, el diámetro, el grosor de pared, la presión y el terreno circundante de los tubos. La propagación de las ondas acústicas funciona bien para tuberías de metal o de paredes duras. Debido a su baja elasticidad, se absorbe poca energía de sonido en las paredes. El nivel de ruido se incrementará con las altas presiones de agua y los pequeños orificios de fugas. Las ondas acústicas se propagan en el agua a lo largo de la red de tuberías en ambas direcciones desde la fuga y se pueden usar para la detección de fugas. Las frecuencias más bajas pueden viajar distancias más largas que las mayores frecuencias, ya que el entorno las atenúa menos. Pero, las frecuencias más bajas a menudo pueden no ser oídas por oídos humanos, ya que están más allá de nuestro espectro de escucha. La velocidad del sonido depende del material del tubo y la proporción entre diametro y grosor de la pared. Para los tubos de metal comunes es de alrededor de m/s. En los tubos plásticos, que son mucho más elásticos, la velocidad del sonido está entre m/s. La ecuación general para la velocidad del sonido en tubos llenos de agua es la siguiente: v t = v 0 ( E 1+ ( E a t * D) * d) 1) Donde V t velocidad del sonido en el tubo V 0 velocidad del sonido en el agua libre en el campo E a modulus de elasticidad de agua E t modulus de elasticidad del material de los tubos D diámetro externo del tubo d grosor de la pared del tubo Los registradores y los correlacionadores de ruidos de fugas deben utilizar la propagación de las ondas acústicas para detectar y localizar las fugas. Oscilación de los tubos El agua que se descarga por el orificio de una fuga no exhibe un flujo constante, sino que pulsa. Esto lleva a turbulencias en el extremo de salida, lo cual causa variaciones de presión en el punto de salida. La presión variante manifiesta vibración de la tubería y de la tierra circundante. Esta oscilación del tubo se transmite a lo largo del tubo como ruido proveniente de la estructura y en el subsuelo circundante como ruido proveniente del terreno. Las varillas de escucha y los micrófonos de tierra se basan en este principio.

3 Detección de fugas por medio de gases rastreadores Para la detección de las fugas también se puede usar gases inertes o ligeros como el hidrógeno H 2 o el helio He. Como son las moléculas más pequeñas de la tabla periódica, tienen la capacidad de penetrar la cubierta de tierra de los tubos de suministro de agua, así como el concreto o el asfalto. La detección de esos gases puede hacerse por medio de un sensor microeléctrico. 2 Explicación detallada de la teoría En general, se puede distinguir entre detección y localización de fugas. La detección, también conocida como investigación de fugas, significa la inspección general de una sección de tubo o una zona de suministro de agua para reunir conocimiento sobre si verdaderamente existen las fugas. Se puede ver la localización como el paso de seguimiento después de la detección. Tiene como objetivo localizar exactamente las fugas existentes. En la siguiente sección se describirá los métodos de detección acústica de fugas: Registradores de ruidos de fugas Varillas de escucha Micrófonos de tierra Correlacionadores de ruidos de fugas 2.1Registrador de ruido de fuga 1. Detalles técnicos Componentes: Sensor acústico (acelerómetro), registrador programable de datos, programa de software Sensor acústico (acelerómetro) Programa de software Registrador de datos Transmisor Figura 1: Ejemplo de un registrador de ruidos de fuga Los registradores de ruidos de fugas se utilizan principalmente para la detección de fugas y se basan en un análisis de frecuencia estadística de los niveles registrados de fuga y ruido. Existe dos tipos de registradores: sensores de ruido montados externamente e hidrófonos instalados internamente. Los sensores de ruido tienen una base magnética que se puede adherir a las válvulas, hidrantes o accesorios. Hoy en día, los acelerómetros son a menudo sensores piezocerámicos que muestran un alto grado de sensibilidad. Un hidrófono es un micrófono que se puede utilizar para escuchar y registrar bajo el agua. Se puede insertar directamente en el tubo para tener contacto directo en el agua y aprovechar la mejor propagación de las ondas acústicas en

4 la columna de agua. El propósito del registrador de datos es almacenar las mediciones de resultados. Se puede bajar los datos de manera manual o remota. Se puede utilizar software amigable al usuario para ilustrar los registros en forma de histogramas. 2. Modo de operación Para los registradores de ruidos, existen diferentes conceptos de operación: ya sea que se usen para el monitoreo continuo de una zona de suministro de agua o que se utilicen a la demanda. En el primer modo de operación los registradores están instalados permanentemente o semipermanentemente en grandes números a una distancia de alrededor de 300 metros. Los datos registrados se bajan y se analizan regularmente. En el modo de demanda, los registradores de datos se mantienen listos en almacen en el servicio público de agua. En caso de un repentino incremento en el consumo, se les despliega en grupos de alrededor de 30 y se colocan en ubicaciones donde se sospeche de grandes fugas. En el caso de los tubos plásticos, se debe ubicar instrumentos tan cercanamente como sea posible. Se obtendrán mejores resultados durante períodos de bajo consumo en las horas nocturnas, ya que la presión será la más alta y los sonidos de fondo serán los más bajos. 3. Campo respectivo de aplicación Se utiliza registradores de ruidos de fugas para investigar grandes áreas, pero no para la localización exacta de la fuga. Existen registradores de correlación de ruidos equipados con software adicional. La ubicación de fugas se puede realizar por medio de la correlación cruzada. Pieza para el oido Varilla de metal Varilla de metal Audífonos Unidad de control Figura 2: Ejemplo de varilla de escucha Figura 3: Ejemplo de escucha electrónica 4. Ventajas, desventajas y limitaciones Los costos laborales directos son bastante bajos (la medición es automatizada). La intensidad del ruido registrado no tiene conexión directa con la tasa de flujo de las fugas. Por lo tanto, no es posible distinguir las grandes rupturas de fugas menores y menos importantes. Pero la intensidad puede ser un indicador de la distancia hasta la fuga. En el caso de los registradores de correlación de ruidos, la exactitud de la técnica de correlación puede ser baja. 2.2 Varilla de escucha 1. Detalles técnicos Se puede describir la varilla de escucha como el instrumento acústico más básico. Existen dos tipos de varillas de escucha: mecánicas simples o electrónicas amplificadas.

5 Componentes de las varillas mecánicas: varilla de metal (con cámara de ampliación del sonido), pieza para el oído. Los componentes adicionales de las varillas electrónicas son micrófono, audífonos, unidad de control. 2. Modo de operación Las varillas de escucha se utilizan en contacto directo con los componentes del sistema (válvulas, hidrantes o accesorios). Para la varilla mecánica se requiere de un alto grado de experiencia del usuario para identificar y diferenciar los ruidos de fugas. Las varillas de escucha electrónicas son más fáciles de usar. Los filtros y las lecturas digitales transforman los ruidos de fuga en sonidos claros. También ofrecen una transformación de sonidos que no pueden escuchar los oídos humanos en señales electrónicas. Esta técnica es importante para los tubos plásticos o los tubos de diámetro más grande. 3. Respectivo campo de aplicación Las varillas de escucha se utilizan para la detección de fugas. Cuando se identifica una sección de tubo sospechosa entre dos válvulas, se debe supervisar el alineamiento del tubo por medio de un micrófono de tierra. 4. Ventajas, desventajas y limitaciones Mecánica: barata, simple y eficaz, pero se requiere experiencia y toma tiempo porque se tiene que evaluar cada válvula. Para los tubos con bajas frecuencias de resonancia, como los tubos plásticos o tubos de diámetros más grandes, no se puede usar varillas de escucha. Electrónica: facilita el uso. 2.3 Micrófono de tierra 1. Detalles técnicos Componentes: micrófono, transductor electroacústico, conector BNC (de bayoneta), vara de extensión, audífonos, vara de contacto (para el modo de contacto), cajas protectoras de aislamiento contra el ruido del tráfico y el viento (opcional). El micrófono de tierra tiene un micrófono sumamente sensible que registra ruidos de fugas. El transductor electroacústico es un sensor que convierte la energía del sonido en una señal eléctrica. El conector BNC se utiliza para la conexión de la señal. 2. Modo de operación Se puede utilizar los micrófonos de tierra en dos modos de operación diferentes: ya sea en contacto directo con los accesorios de tubos o en modo de investigación. El modo de investigación se utiliza para buscar fugas a lo largo de tuberías entre accesorios. Se coloca el micrófono en la tierra en distintos lugares notando los cambios en la amplificación del sonido. 3. Campo respectivo de aplicación Utilizado para la ubicación exacta de fugas luego de que hayan sido detectadas por cualquier otro método. 4. Ventajas, desventajas y limitaciones Eficaz en tubos de paredes blandas y con presiones bajas del sistema.

6 Connector BNC Transductor Varas de extension Ensamblaje del mango Parante Connector BNC Transductor Vara de extensión Placa Vara de contacto Figura 3: Ejemplo de un micrófono de tierra Figura 5: Ejemplo de un micrófono de contacto 2.4 Correlacionador de ruidos de fuga 1. Detalles técnicos Componentes: 2 micrófonos (o hidrófonos), 1 transmisor inalámbrico, 1 correlacionador portátil. En donde: Distancia de la fuga al micrófono 1 Longitud de sección de tubo Demora temporal Velocidad de propagación de la onda acústica Figura 4: Ejemplo de un correlacionador de ruidos de fuga

7 2. Modo de operación Se puede describir como el método más sofisticado de los instrumentos de detección acústicos de fugas. No se basa en el nivel de ruido de la fuga, sino en la velocidad con la que el ruido de una fuga viaja a lo largo de un tubo. El ruido de la fuga se mide en dos lugares de una sección de tubo. El micrófono que se ubica más cerca a la fuga será alcanzado primero por el sonido de la fuga. El sonido medido se transmite inalámbricamente al correlacionador portátil, el que determina la posición de la fuga. Las señales acústicas registradas se correlacionan de manera cruzada para calcular el tiempo de demora entre las señales emitidas desde la misma fuente. El correlacionador analiza la estructura del sonido y mide la demora temporal t hasta que se registra un ruido de la misma estructura en el mismo micrófono. Como datos básicos, se tiene que conocer la longitud del tubo, su diámetro y su material. Los instrumentos son portátiles y los pueden operar una o dos personas. La precisión del método llega a ser de +/- 2 metros. 3. Campo respectivo de aplicación Se puede utilizar como herramienta de investigación para la detección de fugas en secciones de tubos o para la ubicación exacta de fugas. Cuando se utiliza el correlacionador como herramienta de investigación, se debe colocar el par de micrófonos en varios lugares de la sección de la red (se puede planificar por medio de un mapa de investigación). 4. Ventajas, desventajas y limitaciones El ruido ambiente no lo afecta y por lo tanto se puede utilizar durante las horas del día. No es tan eficaz en tubos de paredes blandas y en sistemas con baja presión. Para amplificar el sonido se puede usar hidrófonos para esos tubos. 2.5 Gas de rastreo Como los métodos acústicos a menudo no se pueden utilizar en sistemas de suministro intermitente, se debería introducir un método conveniente para esas condiciones. Los gases rastreadores son muy confiables para la ubicación de fugas, pero se usan solamente en casos especiales. Esto se debe al hecho de que toman mucho tiempo y son caros. El uso de gases rastreadores requiere equipamiento especial y pericia y los que llevan a cabo las pruebas son en general contratistas especialistas. Por lo tanto, se proporciona sólo una revisión corta del método por medio de una tabla de preguntas y respuestas. Pregunta Qué gases se utilizan? Quépreparaciones son necesarias? Cómo se inserta el gas? Cómo se ubica las fugas? Ventaja Desventajas Respuesta Hidrógeno industrial (95% nitrógeno, 5% hidrógeno) y helio. Se tiene que desaguar las secciones de tubo y aislarlas cerrando las válvulas del sistema antes de que ingrese el gas. Se puede insertar el gas por medio de un hidrante, una caja medidora limítrofe o en el caño de cierre interno del cliente. El gas ligero puede dejar la sección del tubo por medio de las fugas y se eleva a la superficie (puede penetrar el asfalto y el cemento). Se puede detectar las fugas caminando a lo largo de la sección de tubo con un sensor microelectrónico. Técnica muy eficaz. La instalación y la elevación del gas a la superficie puede tomar tiempo, costos.

8 3 Bibliografía Farley, M., Leakage Management and Control, OMS, Hamilton, S., ALC in Low Pressure Areas It can be Done, en Proceedings of the 5th IWA Water Loss Reduction Specialist Conference, pp , Ciudad del Cabo, Sudáfrica, abril de Hartley, D., Acoustics Paper, en Proceedings of the 5th IWA Water Loss Reduction Specialist Conference, Ciudad del Cabo, Sudáfrica, abrilde Lange, G.: The Right Understanding of Acoustics can bring Leak Localization a Step Forward, en Proceedings of the 5th IWA Water Loss Reduction Specialist Conference, Ciudad del Cabo, Sudáfrica, abril de Pilcher, R., Leak detection practices and techniques: a practical approach. Water 21 Revista de la Asociación Internacional de Agua. 2003, S