En esta tesis se presenta un procedimiento para el análisis de tuberías enterradas sometidas a un deslizamiento de suelo del tipo lateral, mediante la simulación por software de elementos finitos. Para desarrollar el mencionado procedimiento, se realizó inicialmente un estudio de los diferentes modelos analíticos y computacionales relacionados con el análisis de tuberías enterradas. Con el estudio de los métodos analíticos, se seleccionó el método de Kennedy para la realización del análisis de una tubería enterrada que es afectada por un deslizamiento de suelo lateral. Posteriormente, mediante el estudio de los métodos computacionales, se realizó la simulación del mismo problema tratado en el cálculo analítico utilizando el software de elementos finitos ANSYS Mechanical, el problema estudiado considera los efectos del deslizamiento lateral del suelo sobre la tubería enterrada. Los resultados obtenidos mediante simulación fueron comparados con los obtenidos por medios analíticos para su validación. Por lo que el modelo de elementos finitos desarrollado puede ser implementado para la ubicación de zonas críticas en tuberías de gran longitud afectadas por fallas del suelo. Luego de realizada la simulación se procede al análisis de resultados, para lo cual se presentan gráficas que muestran el comportamiento de la tubería a lo largo del tramo analizado. En la simulación se usó un caso real, una tubería enterrada de acero API 5L X70 de diámetro exterior 0,3556m (14”) con un espesor de 0.0048m sometida a un deslizamiento lateral del suelo de 0,7m. Los ángulos de falla estudiados son de 0°,45° y 90° con respecto a la posición inicial de la tubería. Al analizar los resultados, se tiene que la zona crítica a lo largo de la tubería se encuentra en el plano de falla del suelo.

Esta tesis trata de la aplicación de recubrimientos al interior de tuberías, ya que es una tarea complicada de realizar por una persona, pues muchas veces es un lugar inaccesible o muy incómodo para lograr un trabajo de calidad. Para esto se han creado maquinas capaces de pintar el interior de las tuberías; sin embargo, el avance de estas máquinas es manual, es decir, depende del operario y de esta manera no se logra una velocidad constante y por ende un espesor de recubrimiento uniforme. El objetivo de este trabajo ha sido diseñar un sistema neumático que proporcione avance constante a equipos de aplicación de recubrimientos al interior de tuberías. Este equipo es neumático debido a que para usar los equipos de pintado siempre debe haber una fuente de aire a presión. El sistema diseñado jala un cable que está unido al equipo de pintado mediante un rodillo de potencia y un rodillo loco. El rodillo loco proporciona la fuerza normal necesaria para que el rodillo de potencia, el cual es accionado por un motor neumático, jale el cable por fricción. El motor neumático es de 0.36 kW y desarrolla una velocidad máxima de 40 rpm, características que son transmitidas mediante un acople flexible al árbol de transmisión y este las transmite al rodillo de potencia mediante un prisionero. El diámetro del rodillo de potencia ha sido dimensionado para que a una velocidad de 32 rpm, el equipo de pintado tenga una velocidad de avance de 3 m/min, la cual es la velocidad normalmente recomendada por los fabricantes de equipos de pintado para interior de tuberías. Cabe resaltar que la velocidad del motor se regula en campo variando la presión y el caudal de aire que ingresa mediante un regulador de presión y uno de caudal, logrando así la velocidad de 32 rpm requerida. Por diseño, el sistema requiere de 1.49 W para sacar de inercia a los equipos de pintado, este es el punto que requiere de mayor potencia. Dado que el motor seleccionado es de una potencia mucho mayor, las variaciones de carga que aparecen durante el funcionamiento no afectan la velocidad de trabajo del motor, lográndose de esta manera la velocidad constante requerida para el equipo de pintado.

El presente trabajo de tesis está enfocado en desarrollar una metodología para el estudio de los efectos del terreno sobre tuberías de gas enterradas (gasoductos), basado en la problemática encontrada de las cargas inesperadas sobre las instalaciones de gas debido al suelo en proyectos al interior del país, como lo es Camisea. Para lograr este objetivo, se utilizó el modelo constitutivo de Drucker - Prager para representar el terreno, así como también las propiedades de cohesión y ángulo de fricción para definir su comportamiento mecánico. El estudio está basado en el análisis por elementos finitos de diferentes modelos que incluyen terreno y tubería bajo los efectos de diferentes cargas: peso propio del terreno, carga vertical sobre la superficie del terreno, carga oblicua sobre la superficie del terreno y presencia de una falla o plano de deslizamiento al interior del terreno pasando por la posición donde está enterrada la tubería. Para tal estudio, se usó el software ANSYS en sus versiones 14 y 14.5. Asimismo, se trabajó una parte en conjunto con el Centro Internacional de Métodos Numéricos para la Ingenería (CIMNE), quienes apoyaron en el estudio desde su sede en Cataluña, Barcelona. Ellos desarrollaron el modelo de plasticidad de Drucker – Prager en el software COMET y mostraron algunas simulaciones que permitieron estudiar el comportamiento del suelo cuando existen deformaciones plásticas en el mismo. Una vez realizadas las simulaciones y el análisis de las mismas, se pudieron obtener conclusiones que podrán servir como directrices en investigaciones futuras sobre el tema. Se encontró que las cargas sobre el terreno tienen poca o nula influencia sobre la tubería si esta se encuentra enterrada a una profundidad adecuada; además, se observó un aumento de la magnitud de los esfuerzos en presencia de una falla en el terreno, que fue representada como un plano de deslizamiento del mismo.

En esta tesis se aplican por primera vez métodos basados en modelos sin discretización espacial para detectar y localizar fugas en una planta piloto de transporte de fluidos. Basado en un modelo matemático que describe la dinámica de fluidos dentro de la tubería de agua mediante dos ecuaciones diferenciales parciales que son hiperbólicas, lineales, unidimensionales y acopladas, se deriva y diseña tanto un observador dinámico como algebraico. El diseño del observador dinámico combina un enfoque de Luenberger con una transformación de backstepping para demostrar la estabilidad asintótica del error del observador. Como consecuencia, el observador resulta en un sistema dinámico de dos sistemas diferenciales parciales hiperbólicos acoplados. Por el contrario, el diseño del observador algebraico aplica el método de las funciones de modulación para convertir el modelo matemático en problemas auxiliares que también son dados por ecuaciones diferenciales parciales. Los problemas auxiliares se pueden resolver fuera de línea, tal que para estimar el tamaño y la posición de la fuga en línea se tienen que resolver solamente ecuaciones algebraicas input-output. Se enfatiza que ambos esquemas de observación se derivan directamente del modelo matemático sin discretización espacial. Por lo tanto, esta tesis aborda la brecha de investigación con respecto a métodos de detección y localización de fugas que sean basados en un modelo matemático y que no requieren una discretización espacial del sistema. En simulaciones comparativas, se evalúa el desempeño de ambos observadores para una tubería de agua ejemplar en diversas condiciones de operación, por ejemplo, el tamaño de la fuga, la posición de la fuga, el caudal de entrada y el ruido de medición. Se compara la precisión de los esquemas de observación, y se verifica la capacidad en tiempo real de ambos algoritmos. Finalmente, la dinámica y el observador algebraico se utilizan para estimar el tamaño y la posición de la fuga para una planta piloto de transporte de fluidos instalada en el laboratorio de Ingeniería de Control Avanzado en la PUCP. Se revela que, al contrario de la suposición de un modelo lineal para la perdida por fricción, las pérdidas por fricción dependen cuadráticamente del caudal tal que un modelo no lineal describa con mayor exactitud la dinámica del fluido de la planta piloto. Sin embargo, se ha demostrado que para las fugas que surgen cerca de la salida de la tubería, ambos observadores estiman la posición de la fuga con desviaciones inferiores al 5% y logran la precisión deseada. Además, se ha demostrado que una extensión del observador dinámico hacia el modelo no lineal permite localizar la fuga con desviaciones inferiores al 5%, independientemente de la posición de la fuga. / The present work utilizes for the first time model-based late lumping leak detection methods to detect and localize leakage in a real water pipe. Based on a mathematical model that describes the fluid dynamics inside the water pipe by two coupled linear one dimensional hyperbolic partial differential equations, a dynamic and an algebraic leakage observer are designed. The dynamic observer design combines a Luenberger ansatz with a backstepping transformation to prove the asymptotic stability of the observer error and results in a dynamic system of two coupled hyperbolic partial differential systems. Contrary to that, the algebraic observer design applies the modulating function method to convert the mathematical model into offline solvable auxiliary problems and algebraic input-output equations that are resolved online to estimate the leak size and the leak position. It is emphasized that both observer schemes are derived directly from the mathematical model without spatial discretization. Thereby, this thesis addresses the research gap regarding model-based late lumping leak detection and localization techniques. In comparative simulations, the performance of both observer schemes is evaluated for an exemplary water pipe under various operating conditions, e.g., w.r.t. the leak size, the leak position, the inlet flow rate and the measurement noise. The accuracy of the observer schemes is compared, and the real-time capability of both algorithms is verified. Finally, the dynamic and the algebraic observer are utilized to estimate the leak size and the leak position for a pilot fluid transport plant installed in the laboratory of Advanced Control Engineering at the PUCP. It is revealed that, in opposite to the model assumption of linear friction losses, the friction losses depend quadratically on the flow rate such that a nonlinear model describes the flow dynamics of the pilot plant more exactly. However, it is shown that for leaks occurring near to the outlet of the pipe, both observers estimate the leak position with deviations of under 5 % and reach thereby the desired accuracy. Furthermore, it is demonstrated that an extension of the dynamic observer towards the nonlinear model permits localizing the leak with deviations of under 5 % regardless of its position. / Die vorliegende Arbeit verwendet erstmals räumlich undiskretisierte modellbasierte Methoden zur Erkennung und Lokalisierung von Leckagen in einer realen Wasserleitung. Basierend auf einem mathematischen Modell, das die Strömungsdynamik im Rohr durch zwei gekoppelte lineare eindimensionale hyperbolische partielle Differentialgleichungen beschreibt, werden ein dynamischer und ein algebraischer Leckagebeobachter entworfen. Der dynamische Beobachterentwirf kombiniert einen Luenberger-Ansatz mit einer Backstepping-Transformation, um die asymptotische Stabilität des Beobachterfehlers nachzuweisen und resultiert in einem dynamischen System aus zwei gekoppelten hyperbolischen partiellen Differentialgleichungen. Im Gegensatz dazu verwendet der algebraische Beobachterentwurf die Modulationsfunktionsmethode, um das mathematische Modell in offline lösbare Hilfsprobleme sowie algebraische Eingangs-Ausgangs-Gleichungen zu überführen, die online gelöst werden, um die Leckgröße und die Leckageposition zu schätzen. Es wird hervorgehoben, dass beiden Beobachter direkt aus dem mathematischen Modell ohne räumliche Diskretisierung abgeleitet sind. Die vorliegende Arbeit adressiert damit eine existierende Forschungslücke hinsichtlich modellbasierter Leckagelokalisierung. In vergleichenden Simulationen wird die Performance beider Beobachter für eine exemplarische Wasserleitung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen untersucht, z. B. hinsichtlich der Leckgröße, der Leckposition, des Volumenstroms am Einlass und dem Messrauschen. Die Genauigkeit der Beobachter wird verglichen und die Echtzeitfähigkeit beider Algorithmen überprüft. Anschließend werden der dynamische und der algebraische Beobachter verwendet, um die Leckgröße und die Leckageposition für eine Pilotanlage, die im Labor für Regelungstechnik an der PUCP installiert ist, zu schätzen. Es zeigt sich, dass die Reibungsverluste entgegen der Modellannahme quadratisch von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen, sodass ein nichtlineares Modell die Strömungsdynamik der Pilotanlage genauer beschreibt. Es zeigt sich jedoch, dass bei Leckagen in der Nähe des Rohrauslasses beide Beobachter die Leckageposition mit Abweichungen von unter 5 % schätzen und damit die gewünschte Genauigkeit erreichen. Abschließend wird gezeigt, dass eine Erweiterung des dynamischen Beobachters hin zum nichtlinearen Modell die Lokalisierung des Lecks mit Abweichungen von weniger als 5 % unabhängig von seiner Position ermöglicht.

En los últimos años se ha evidenciado un aumento de desastres relacionados con las red de tuberías de agua en el país, ya que no se cuenta con suficientes herramientas tecnológicas que permitan evaluar su estado, especialmente en las que presentan mayor antigüedad, por lo que no es posible identificar fallas ni evitar la ocurrencia de desastres como inundaciones y desabastecimiento de agua potable. Esta tesis propone el desarrollo de un robot móvil con la capacidad de realizar el sensado automático de fallas al inspeccionar el interior de tuberías matrices de agua empleando un robot móvil. Para ello se realiza la implementación de un Sistema de Detección de Fallas (SDF) que identifica diferentes anomalias dentro una tubería empleando redes neuronales convolucionales y un Controlador de Velocidad y Orientación del Robot (CVOR) que empleando la información recolectada por el SDF permitirá que el robot se desplace de manera autónoma. De manera que será posible detectar e identificar fallas en las tuberías de agua tales como: obstrucciones, fisuras y fugas debido a roturas o perforaciones de manera automática. El primer capítulo describe el estado del arte de los robots empleados en inspección y la problemática. El segundo capítulo desarrolla el modelo cinemático de un robot móvil con cuatro ruedas. En el tercer capítulo se diseña el Sistema de Detección de Fallas (SDF). El cuarto capítulo trata sobre la implementación del Controlador de Velocidad y Orientación del Robot (CVOR). Los resultados obtenidos, mostrados en el quinto capítulo, evidencian la precisión en el reconocimiento de anomalías por parte del sistema bajo determinadas condiciones.

La calidad del agua para el consumo humano es uno de los temas vigentes por parte de los gestores de los sistemas de abastecimiento y de centros de investigación en el entorno de la hidráulica urbana. Este aspecto es abordado desde distintos puntos de vista, motivado por las consecuencias que implica el consumo de agua contaminada; por tratarse de la protección de la salud pública, es indispensable tener mayor conocimiento en todas las formas en las que es vulnerable el agua potable. Las redes de distribución de agua, como toda obra de ingeniería presentan una vida útil, en la mayoría de las poblaciones urbanas se tienen instalaciones que han cumplido con ella y como consecuencia de circunstancias adversas se pueden ir incrementando los problemas físicos en las conducciones con el paso del tiempo. Entre otros factores identificados en esta problemática se encuentra el fenómeno de la intrusión patógena. En este trabajo se analiza la intrusión como un evento relacionado directamente con las fugas de agua en las conducciones. Este tipo de intrusión se produce cuando las condiciones de presión son adversas en la instalación. Así pues, la situación de las fugas se considera un factor determinante en el rendimiento hidráulico de la red, y además puede representar un riesgo para la calidad del agua en el suministro y por ende para la salud pública. La metodología planteada se ha basado en reproducir los eventos adversos que generan intrusión. El interés de realizar estos trabajos es debido a que en la mayoría de las investigaciones se plantean que la cuantificación de los volúmenes de intrusión es un factor fundamental para el control en la gestión de este tipo de adversidades. En este sentido se realizaron modelos físicos y numéricos en CFD, creando escenarios presentes en las redes de distribución. Se ha realizado la representación física y numérica de las condiciones más adversas para la generación de la intrusión en este aspecto. De esta forma se abordaron los casos en donde los eventos pueden ser más agresivos con la calidad del agua. Finalmente, al tener las herramientas numéricas validadas se pueden reproducir escenarios puntuales donde la vulnerabilidad de la red este comprometida y con ello tener mayor conocimiento de las posibles situaciones que podrían darse durante eventos imprevistos o por cuestiones de gestión en la distribución debida al abastecimiento intermitente. / Mora Rodríguez, JDJ. (2011). Modelación de la intrusión patógena a través de fallos y su implicación en la red de distribución de agua [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11239

En este proyecto de tesis, se propone obtener los SIF de un accesorio lateral con ángulo entre ramal y cabezal de 30°, 45°, 60°, 75° y 90°; el mismo que no está reforzado y no estandarizado, fabricado con tubería de acero al carbono ASTM A53 grado B, con soldadura por arco eléctrico con penetración completa, mediante el desarrollo de un modelo matemático complementado con simulaciones numéricas y calibrado con ensayos existentes en la bibliografía [9]. Esto permite la elaboración de una herramienta de selección y diseño, que muestre los SIF para una variedad de geometrías no normadas de accesorios laterales propuestos en este proyecto de tesis. Además, se propone evaluar su variación respecto a parámetros geométricos establecidos acordes a la práctica. / Tesis

En el presente trabajo se realiza un análisis numérico de vibración inducida por flujo (FIV) sobre una tubería horizontal que transporta flujo bifásico agua-aire. Para el estudio del fluido se consideró un dominio de estudio de 3m de longitud en el que se analizaron diferentes modelos de turbulencia con la finalidad de seleccionar el más adecuado para el estudio FIV. Se tomó como criterio de comparación el comportamiento de la presión variable sobre la pared de la tubería. Los resultados obtenidos muestran que el modelo RANS K-ω SST es capaz de representar con buena precisión el comportamiento del flujo bifásico analizado, pues capta los patrones de flujo y las fluctuaciones de presión en concordancia con resultados experimentales reportados en la literatura, por lo que fue seleccionado para el análisis FIV. Seguidamente se procedió a determinar el método de análisis de vibración más adecuado para el objeto en estudio (tubería), en el cual se consideró un dominio de estudio de la tubería de 1.53 m de longitud, empotrada en ambos extremos. Es así que se determinó que el análisis dinámico transitorio acoplado bidireccional de interacción fluido-estructura (FSI), que contempla los efectos del campo de fluidos sobre el campo estructural y viceversa, representa de manera adecuada el fenómeno en estudio por considerar que son los esfuerzos, desplazamientos, aceleraciones y frecuencias las variables a determinarse en este análisis. Para las condiciones de flujo analizadas se captaron vibraciones, desplazamientos en el rango de -48 μm a 18 μm, aceleraciones en el rango de -0.07 m/s2 a 0.8 m/s2 y frecuencias máximas en el rango de 10 Hz a 35 Hz. / Tesis

El presente trabajo de investigación muestra la metodología seguida y los resultados obtenidos en el análisis de falla de una tubería de descarga en “Y” de acero fabricada por soldadura. La tubería de descarga estuvo en servicio solo 30 días antes de producirse la aparición de fisuras en las uniones soldadas. Se realizaron ensayos con la finalidad de determinar la causa raíz de la falla. En la inspección visual realizada a las uniones soldadas se aprecia cordones de soldadura irregulares, empalmes pobres entre cordones, socavaciones y salpicaduras. De la inspección por partículas magnéticas fluorescentes se visualiza que las fisuras se ubican en el pie del cordón que une la plancha de refuerzo y la tubería del ramal. La caracterización de los metales base verifican que las propiedades del acero son las esperadas para este tipo de componente. Del análisis macrográfico realizado en las uniones soldadas, se observan inclusiones de escoria, falta de fusión, fisuras que nacen en los pies de los cordones y falta de llenado. Se hizo un análisis mediante simulación numérica computacional localizándose las zonas donde se concentran y se tienen los máximos esfuerzos cuando la tubería entra en operación, y éstas coincidían con la zona de fisuración. De lo anterior se puede concluir que las fisuras producidas en el pie del cordón de soldadura, tienen su origen en diversos factores que son acumulativos. En primer lugar, el pie de una soldadura es un concentrador natural de tensiones, esto sumado a la baja calidad de las soldaduras, al fuerte embridamiento y a las tensiones residuales producidas por la soldadura, pueden haber dado origen a que se nucleen fisuras durante la fabricación. Luego cuando la tubería entró en servicio, se produjeron esfuerzos pulsantes adicionales los que se suman a las tensiones residuales, lo que hizo que se nucleen y propaguen fisuras por un mecanismo de fatiga en zonas donde se producen altos esfuerzos. / Trabajo de investigación

En la presente tesis se realizó un estudio comparativo del colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Las curvas características de los tubos rectangulares fueron evaluadas mediante simulación numérica y modelos analíticos reportados en la literatura. Para validar los resultados de las simulaciones numéricas, se comparó las curvas características de bisagra plástica obtenidas computacionalmente con resultados experimentales presentados por Kecman (1979). Posteriormente, los modelos numéricos fueron utilizados para determinar el grado de correlación entre las curvas características con diferentes parámetros geométricos y de material. La tesis está dividida principalmente en tres partes. En la primera parte se presenta el fundamento teórico de las principales teorías de colapso por flexión de tubos rectangulares (Kecman (1979,1983), Wierzbickiycol. (1994b), y KimyReid (2001)). El cálculo del momento máximo y el análisis del mecanismo de colapso fue explicado detalladamente. En la segunda parte se analizó mediante simulación numérica el colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Para generalizar las conclusiones de este trabajo, se clasificó los tubos rectangulares de acuerdo a su modo de colapso utilizando el parámetro adimensional Ocr/Oy. Después se realizó un estudio comparativo sobre el colapso en los ensayos de flexión. En general, los resultados demostraron que la carga transversal ejercida por el indentador en el ensayo de flexión de 3 puntos provoca que el perfil colapse prematuramente. Por último se comparó las curvas características generadas con modelos analíticos y numéricos para determinar en cuáles casos es recomendable utilizar las teorías de colapso. En la tercera parte se reportan las conclusiones del presente trabajo de investigación.