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Caso de estudio: inspección térmica con drones e instalaciones de petróleo y gas

DJI Ars Madrid,

 Caso de estudio: inspección térmica con drones e instalaciones de petróleo y gas

Este caso de estudio se realiza con el fin de demostrar la capacidad y la viabilidad del uso de drones en las inspecciones de petróleo y gas, utilizando equipos de visión térmica y drones de última generación.

Nuestro objetivo es demostrar que podemos detectar fugas de fluidos calientes (60°C) como el petróleo, en entornos adversos.

Objetivos principales

  • Prueba #1 - Validar la precisión de las mediciones de un equipo de medición estándar.
  • Prueba #2 - Validar el caso de uso de los drones en condiciones reales para las inspecciones de tuberías mediante la simulación de una pequeña fuga difícil de detectar en el peor escenario posible.
  • Prueba #3 - Probar los límites del rango de detección, el tamaño y la temperatura en tales aplicaciones.

 

Equipo utilizado

DJI Matrice 200
Dron industrial con diseño robusto y configurabilidad sencilla para trabajar como solución para una variedad de aplicaciones (mejorar los sistemas de control inteligente, el rendimiento de vuelo, la seguridad de vuelo y las características de seguridad de datos).

DJI Zenmuse XT2
Un sensor térmico FLIR Tau 2 y una cámara visual 4K con la tecnología líder de estabilización e inteligencia de máquina de DJI, la XT2 transforma los datos aéreos en poderosos conocimientos que ahorran tiempo y dinero.

Pistola termómetro IR
Los termómetros de pistola IR proporcionan un método sin contacto para medir la temperatura de la superficie de un material.

Termómetro
Termómetro de mano clásico con pantalla digital y punta de medición metálica.


Flujo de trabajo

Se estableció un flujo de trabajo con puntos clave antes de las pruebas iniciales. Los datos y las conclusiones se tomaron in situ, y después se procesaron con el software de imágenes térmicas adecuado para una clara comprensión de los datos.

Las temperaturas de las imágenes radiométricas se tomaron con una herramienta especial del software que mide los valores más altos y más bajos en un área específica. En nuestras imágenes, la zona se marca con un círculo blanco, la temperatura más alta con un triángulo rojo y la más baja con un triángulo azul. El punto medido se indica con la punta del triángulo.

Debido a la altura desde la que se tomaron las imágenes, la caldera utilizada para calentar el agua estaba presente en la mayoría de los casos y puede verse como un punto brillante en la parte derecha de las imágenes.


Prueba 1. Validar la precisión de las mediciones de la cámara térmica comparándolas con el termómetro clásico y el láser.

Metodología
Se utilizó el equipo mencionado para medir, al mismo tiempo, la temperatura del agua mientras hierve. La cámara térmica se montó en el dron y fue manejada por el piloto del mismo. Las lecturas del termómetro clásico y del láser se tomaron manualmente. La prueba se concluyó a nivel del suelo, a 0 m de altura.

Resultados

El margen de error era muy pequeño, 0.3 °C de diferencia entre las lecturas del termómetro clásico y las de la cámara térmica montada en el dron. Dadas las limitaciones del escáner láser en esta circunstancia, la temperatura medida era la de las paredes exteriores de la olla de ebullición, no la del agua en sí.

Para verificar las mediciones de validación, se repitió la prueba nº 1 durante el proceso de calentamiento después de sustituir el agua. El margen de error fue aproximadamente el mismo, 80,5°C medidos por el termómetro clásico y 81°C medidos por la cámara térmica.

Conclusión
Teniendo en cuenta los datos anteriores, las mediciones registradas por la cámara térmica sí coinciden con la realidad y por tanto son válidas.

Prueba 2. Validación del uso de drones en condiciones reales para la inspección de tuberías mediante la simulación de una pequeña fuga difícil de detectar en el peor escenario posible

Metodología
Para que esta prueba sea lo más parecida posible a un caso real se han tomado las medidas oportunas convirtiéndola en el peor escenario posible en el que se derramó agua hirviendo en una pequeña zona en la que había un alto nivel de vegetación. A continuación, se tomaron imágenes y mediciones con la cámara térmica montada en el dron a una altura de 20 m.

Resultados
Los resultados se concluyeron in situ, por lo que es posible una inspección en vivo, pero a efectos de estas pruebas las imágenes se interpretaron con el software adecuado, lo que facilita su visualización.

La imagen de la izquierda (A) no está interpretada, en su origen. Aunque la escala de grises fue la elección del piloto en ese momento, hay una variación de paletas de colores para elegir la que mejor se adapte a la aplicación actual, dependiendo de las circunstancias.

La imagen de la derecha (B) fue interpretada en el postprocesamiento mediante un software especializado en visón térmica. La ventaja de hacerlo es que podemos resaltar visualmente el punto de interés para una interpretación más precisa de los datos. Para mantener las cosas lo más científicamente posible para estas pruebas, bloqueamos la escala de interpretación visual a los mismos valores para todas nuestras imágenes.

Las imágenes de arriba fueron tomadas antes de que se derramara el agua.

El conjunto de cámaras térmicas está equipado con 2 sensores, RGB y térmico. Por cada imagen térmica tomada, se toma una RGB al mismo tiempo, lo que nos permite compararlas. Utilizando las imágenes térmicas, podemos ver claramente donde se derramó el agua aparece una mancha roja (Derecha), pero no podemos hacer lo mismo en la imagen RGB (Derecha).

La primera temperatura medida en el punto más caliente era de unos 67°C. En el momento en que se tomó la imagen de arriba (D), la temperatura había descendido significativamente hasta los 53,1°C. Para colmo de males, la radiación térmica cedida por el suelo calentado estaba parcialmente bloqueada por la vegetación, por lo que era más difícil de medir, pero afortunadamente no dificultaba la visión.

Al cabo de un minuto, la temperatura volvió a bajar 6,2 °C. En comparación con el aceite y otros metales, el agua desprende calor muy rápidamente y aquí podemos verlo muy claramente.

Después de otro minuto se tomó una tercera imagen (arriba), esta vez elevamos la altitud del dron a 50 m sobre el suelo. La temperatura medida fue de 37,1°C. Hicimos lo mismo después de 40 segundos de imagen (G) pero esta vez a la altura de 100 m donde la temperatura medida fue de 32,6°C.

Nota: El punto brillante en la parte derecha de las imágenes era nuestra caldera donde calentamos el agua.

Conclusión
El lugar donde se derramó el agua pudo verse y medirse incluso en esas duras condiciones, en el peor de los casos. También observamos que el calor del agua por sí solo no nos daba más que unos pocos minutos para concluir nuestra prueba y que necesitábamos una fuente de calor más persistente. La prueba fue un éxito, nuestra cámara fue capaz de detectar y medir el derrame de agua.

Prueba 3 Prueba de los límites del rango de detección, el tamaño y la temperatura

Metodología

En nuestra prueba anterior llegamos a la conclusión de que utilizar el agua como fuente de calor no era óptimo, por lo que lo cambiamos y utilizamos la olla vacía como fuente de calor, con una temperatura alta y constante. Para ampliar aún más la visión de nuestro equipo térmico, decidimos colocarlo debajo de un árbol.

También se realizaron mediciones con la maceta colocada en una zona de vegetación alta con una visión clara del cielo. Las pruebas para ambas colocaciones de la olla se hicieron a una altura de 105 m y se tomaron medidas en el suelo como referencia.

Colocación de ollas bajo un árbol

También se realizaron mediciones con la maceta colocada en una zona de vegetación alta con una visión clara del cielo. Las pruebas para ambas colocaciones de macetas se realizaron a una altitud de 105 m y se tomaron medidas en el suelo como referencia.

Resultados
Utilizando el termómetro láser, comprobamos que la temperatura inicial de la olla era de 80,8°C. Para realizar una prueba más precisa que se asemeje a un caso real, dejamos que se enfriara por debajo de los 65°C.

Las mediciones de la olla colocada bajo un árbol no fueron concluyentes, aunque pudimos localizarla visualmente, el árbol bloqueó la mayor parte de la radiación térmica, lo que nos dio una lectura de temperatura más baja de 30,2°C.

La maceta fue detectada bajo el árbol y se muestra como el punto más caliente en el perímetro del árbol

Imagen ampliada con una paleta de colores diferente para mejorar la visibilidad

Sin embargo, los resultados nos sorprendieron. No esperábamos ver o detectar la olla en absoluto en esas condiciones y más aún desde una altitud de 105 m.

Continuamos con nuestras pruebas y trasladamos la olla a unos metros del árbol, en una zona abierta con vegetación. A partir de las imágenes tomadas con la cámara térmica a una altura de 105 m identificamos la presencia de la maceta como un segundo punto brillante que se puede ver en el lado izquierdo.

Temperatura de la olla medida a partir de 105 m

La temperatura de la maceta medida por nuestra cámara térmica a 105 metros sobre el suelo fue de 63,3°C

Vista en directo de la cámara térmica - Zoom 8x a 100m

Como puede verse en la vista en directo de nuestro piloto de la cámara, el zoom X8 le permite ver incluso la forma de una olla de 60 cm desde una altura de 100 m.

Imagen tomada a 174 metros de altura

La imagen de arriba fue tomada con el propósito de probar los límites de resolución de la cámara térmica para ver si y cómo una caldera con un diámetro de 60cm se muestra en una altitud de 174m. Se puede observar como un punto brillante en las proximidades del centro de la imagen.


Conclusión
La olla se identificó y se midió con precisión desde una altura de 105 m. Incluso con el árbol como obstáculo en el camino, bloqueando la mayor parte de la radiación térmica, pudimos detectar la ubicación de la fuente de calor. La imagen final demostró una vez más las capacidades del equipo, superando las expectativas y haciendo de esta prueba un éxito.


Conclusión final

Hemos validado con éxito las mediciones realizadas con el dron, demostrando así su capacidad de detección.

  • En la primera prueba demostramos la precisión de 0,5°C de la cámara.
  • La fuga simulada fue claramente identificada y medida, como se muestra en la prueba nº2.
  • El equipo superó nuestras expectativas estando sobrecalificado para esta aplicación.

Aunque la prueba se realizó a una altitud de 105 m con un punto de interés en la escala de centímetros, en el mundo real el vuelo tendrá lugar a la altitud de 70 m y las fugas de aceite están en la escala de metros. Viendo y demostrando con nuestras pruebas, que la cámara térmica puede percibir cambios de temperatura a una escala mucho menor que el caso de uso real, podemos concluir con seguridad que el equipo es más que capaz de detectar fugas de aceite.

El uso de drones en las inspecciones ofrece más ventajas que las mencionadas hasta ahora, como el ahorro de tiempo, la alta eficiencia y precisión, la baja complejidad, la calidad de los datos y la más importante en esta industria: la seguridad. La inspección con drones no requiere la intervención humana y elimina todos los riesgos asociados a ella.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, la tecnología de los drones ofrece una identificación rápida y sencilla con una precisión insuperable y una salida de datos de alta calidad, siendo realmente una opción viable.

 

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Artículos sobre montaje, operación y mantenimiento | 25 de junio de 2021 | 2687

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