“Los sistemas de sensado por Fibra Óptica son un método de gran adaptabilidad y cuyas aplicaciones están diseñadas para monitorear activos críticos. En la industria petroquímica la medición de espesores en tubería y análisis químicos de distintos productos son desarrollos que pueden generar un gran impacto en la confiabilidad de los sistemas en este segmento que no ha explotado los beneficios de la fibra óptica por lo novedoso e incipiente de la tecnología.”

Febrero 2021

I. Introducción

Actualmente la implementación de nuevas tecnologías y exigencias internacionales impulsa a todos los sectores industriales a una modernización prácticamente imperativa.

Esto, aunado a que más del 5% del PIB a nivel mundial es destinado a la prevención y reparación de equipos e instalaciones (según la Sociedad Americana de Materiales) cobra sentido el valor agregado los sistemas integrados para disminuir los costos de oportunidad en mantenimiento tanto preventivo como correctivo.

De esta forma, surgen soluciones adaptativas a las necesidades de cada cliente que permiten la operación óptima y el aumento de la confiabilidad. En el sector petroquímico los riesgos tanto económicos como personales cobran un papel fundamental en el diseño, operación y mantenimiento de las plantas.

Fugas, vibraciones anómalas e intromisión de terceros en los activos son algunos de los problemas comunes en este tipo de plantas alrededor del mundo. En consecuencia, desarrollos tecnológicos que permitan la reducción de estos riesgos representan una solución directa y atractiva desde la ingeniería.

II. Tecnología de sensado por Fibra Óptica

Uno de los desarrollos más modernos que aplican a la industria, permitiendo el análisis diferencial de variables operacionales (como deformación y temperatura) y parámetros de seguridad como detección de intrusos en activos de largo alcance es el monitoreo por fibra óptica. Este sistema desarrollado a finales del siglo XX ha ido mejorando y aumentando su alcance a lo largo de los años lo que ha permitido su aplicación desde la biomedicina hasta el midstream de Oil and Gas. Por supuesto, ampliando el abanico de personalización y parámetros a medir en el proceso.

La clasificación de las tecnologías de medición por Fibra Óptica comienza con medidores extrínsecos e intrínsecos. Siendo los extrínsecos donde la medición se realiza de forma puntual y la Fibra Óptica representa únicamente el medio de transporte de la señal, mientras que en los sistemas intrínsecos, la fibra sería el sensor.

Dentro de esta clasificación, se genera especial interés en los sensores distribuidos, siendo estos los que miden perturbaciones de forma continua en toda la longitud de la fibra. Esto es el equivalente a tener miles de sensores sobre activos críticos a lo largo de un cable.

Existe una larga lista de aplicaciones de estos sistemas de sensado en los procesos petroquímicos, tanto en equipos activos como pasivos. En este sentido, es necesario comprender cuales son los métodos de sensado distribuido más comunes.

Sensado distribuido de temperatura (Distributed Temperature Sensing, DTS)

Utilizado principalmente mediante la dispersión de Raman y cambio en la longitud de onda en la dispersión de Brillouin trabaja mediante perturbaciones en la amplitud o intensidad de la retrodispersión del haz de luz generado por cambios en la temperatura permitiendo el sensado de temperatura absoluta. Este sistema es ampliamente utilizado con el objetivo de obtener perfiles de temperatura en sistemas de gran tamaño como gaseoductos, tanques de almacenamiento e intercambiadores de calor.

Sensado distribuido de deformación (Distributed Strain Sensing, DSS)

Empleado principalmente para medir deformaciones en estructuras que operan bajo Dispersión de Brillouin. Cambios en la forma de la fibra (deformaciones) generarán cambios en la velocidad de propagación de la onda dispersada, longitud de onda y en la intensidad de la retrodispersión. Esta variación indicará cambios en la posición y el tiempo de llegada de la onda indicará donde ocurrieron dichos cambios. Sin embargo, la Dispersión de Brillouin también es sensible a cambios de temperatura. Por ende, generalmente se emplean con otro método (como Raman) con el objetivo de aseverar si se trata de una variación en la deformación o en la temperatura.

Sensado Acústico distribuido (Distributed Acustic Sensing, DAS)

Parte del principio de dispersión de Rayleigh donde es proyectado un haz de luz coherente en la fibra y la dispersión (de la misma longitud de onda) es evaluada en amplitud. Cambios en esta amplitud son originados por modificaciones en la longitud del camino óptico recorrido por la fibra, haciendo este método sumamente sensible. Esta sensibilidad es útil a fin de definir la ubicación exacta en la que alguna vibración mecánica está generando una perturbación en los puntos de refracción del haz de luz.  En la Figura 2. Se describe gráficamente la distribución obtenida por la dispersión de un haz de luz con los orígenes o causas de dicha dispersión.

III. Interdependencia y utilización de varios métodos de sensado

Cada uno de estos métodos de sensado por sí solo ya representa una herramienta útil para el control de procesos y prevención de riesgos. Sin embargo, concatenar los mismos incrementa su confiabilidad.

Para comprenderlo basta hacerse una pregunta: ¿Cuán grande es la interdependencia de sistemas en una planta petroquímica?

La respuesta es total ya que ningún sistema está completamente aislado del otro. Por ende, las perturbaciones en estos también generarán consecuencias en cascada. Siendo esta la razón de plantear un monitoreo integrado a fin de prevenir la ocurrencia de falla en sistemas aledaños o dependientes. Además, ayuda a simplificar el análisis causa raíz posterior a una falla.

En el sentido antes expuesto, la fibra óptica plantea una solución viable y sencilla a la integración, permitiendo el monitoreo de activos de gran alcance con distintos sistemas DAS, DSS, DTS y DTSS (Sensado de temperatura y deformación en la misma fibra) que garantizan la precisión y confiabilidad del sistema.

Si se cuenta con un sistema DTS en un gaseoducto se conocería la fuga en los segundos posteriores de la rotura. Sin embargo, si se cuenta con un sistema DAS se pudiese conocer cuando se genera una alteración cercana al activo (por ejemplo, impacto), permitiendo cerrar el flujo de gas para realizar una inspección visual sobre los daños generados. Dicha instalación DTS-DAS pudiese aplicarse incluso en el mismo cable de fibra óptica con el beneficio de facilidad de instalación. Con este principio también se emplean sistemas de monitoreo que permiten llevar una relación real entre deformación y temperatura, por ejemplo en termofluencia en conductores de aluminio.

En el ámbito de la detección de intrusos la problemática en este sentido recae en garantizar la seguridad de un área extendida y en tiempo real, ya sea en el perímetro de la instalación como la red de tubería tanto de materia prima como producto terminado que pudiese verse expuesta tanto al sabotaje, vandalismo o simple daño generado por agentes externos. En este caso la tecnología DAS ha demostrado ser una alternativa completamente confiable y eficiente para instalaciones de largo alcance y su pronta respuesta permite su aplicación en sectores con oleoductos expuestos al sabotaje o hurto de combustible y aseguramiento del perímetro de las instalaciones siendo posible monitorearlo desde una misma sala de control.

IV. Retos en el desarrollo de sistemas integrales

Actualmente existen necesidades que deben cerrarse con el objetivo de adaptar esta solución a la industria petroquímica de forma eficiente ya que como se mencionó anteriormente, el monitoreo por Fibra Óptica debe ser un sistema adaptado a las condiciones del cliente.

Estos retos deben ser asumidos de forma conjunta entre la ingeniería del proyecto, el departamento de mantenimiento y los diseñadores del sistema de monitoreo por fibra óptica a fin de encontrar las soluciones óptimas adaptadas al cliente. Los problemas a los que se enfrenta en la implementación son:

1. Exposición continua a alta temperatura

Existe una relación exponencial entre corrosión, termofluencia y temperatura. Por ende, el DSS en equipos expuestos a altas temperaturas representa un alto valor agregado para el cliente. Sin embargo, La fibra óptica de uso comercial y con aplicaciones de sensado está diseñada para temperaturas de operación inferiores a los 300 oC.

Por ende, pese a que han sido probadas por encima de dicha temperatura en periodos cortos de tiempo, no puede garantizarse la longevidad de su funcionamiento a la par de los equipos que monitorea sin el análisis y diseño especial para ello. Además, se debe garantizar la instalación de la solución en condiciones que permitan la medición de forma constante. También existe el caso que se emplee para detección de incendio, donde de forma consciente la fibra se degradaría en caso del incidente y debería ser remplazada.

2.Instalación óptima para la medición

Tanto en medición de deformaciones (DSS) como de temperatura (DTS) si se desea mantener una medición precisa de las variables debe garantizarse el máximo contacto con el objetivo a medir. En el caso de la temperatura, gracias a los métodos de conducción y convección puede embeberse la fibra en un recubrimiento metálico que garantice su integridad y permita la operación de esta, lo cual también aplica al DAS. Sin embargo, en el caso de las deformaciones es necesario que el cable de fibra óptica esté en contacto directo con el equipo y sin recubrimiento metálico.

Esto pudiese comprometer su integridad mecánica a largo plazo ya sea por temperatura, constante vibración o exposición a químicos que comprometa el recubrimiento polimérico. Ya para las conexiones hasta el sistema de control, se deben garantizar las conexiones resistentes a las presiones y temperaturas (o ciclado de estas variables) a la que se encuentre expuesto el equipo.

3. Analizadores e interrogadores

En el desarrollo de la solución debe tomarse en cuenta que la fibra estará conectada a interrogadores y/o analizadores según sea el caso. Esta instalación debe considerarse en los recorridos y en caso de emplearse DAS el equipo debe encontrarse climatizado. Además, los interrogadores deben recibir e interpretar las retrodispersiones de distintas fuentes (tantas como fibras se hayan instalado) y distintos sistemas (DAS, DSS, DTS y DTSS).

IV. Próximas aplicaciones en la industria Petroquímica

El riesgo por disminución de espesor en tuberías y equipos está latente principalmente en las instalaciones antiguas o en ambientes marinos donde el salitre pudiese aumentar la velocidad de corrosión. En estas condiciones, no siempre es posible la inspección visual o END para el reconocimiento de fallas incipientes. Por ende, la utilización de Fibra Óptica está en evaluación como método de verificación de espesores en tuberías mediante la colocación de la fibra en la superficie de la misma; al reducirse el espesor de pared, la deformación generada por los esfuerzos del flujo variará y dicha variación podrá ser detectada por la fibra óptica. En consecuencia, se tendría un esquema en tiempo real de la perdida de espesor por erosión o corrosión en tuberías. [10]

Incluso en el ámbito de calidad actualmente se realizan investigaciones con el objetivo de obtener análisis químicos de productos terminados como combustibles y descartar adulteraciones o contaminación por keroseno, esto basado en la modificación de la longitud y amplitud de onda difractada por cambios en el índice de refracción del revestimiento polimérico de la fibra óptica.

Conclusión

La aplicación de sistemas de sensado por Fibra Óptica es un método de gran adaptabilidad y cuyas aplicaciones están diseñados para activos críticos. Su fin, recae generalmente en aumentar la confiabilidad de sistemas de gran tamaño y verificación de fallas incipientes gracias a su alta sensibilidad. La utilización de sistemas integrales representa un área de oportunidad para obtener conclusiones precisas sobre las perturbaciones que pudiesen generarse. Además, su adaptación al sistema del cliente permite tropicalizar la solución a sus necesidades reales.

Desarrollar la solución en equipos multidisciplinarios permite cerrar las brechas existentes por lo novedoso de la tecnología y su incipiente aplicación en la industria petroquímica.

La medición de espesores en tubería y análisis químicos de distintos productos son desarrollos que pueden generar un gran impacto en la industria.

Referencias

[1] Baldwin C; (2015) Applications for fiber optic sensing in the upstream oil and gas industry. In: Proceedings of SPIE 9480 Fiber Optic Sensors and Applications vol. 9480OD

[2] Hisham Kadhum; (2018) Optical Fiber Sensing Technology: Basics, Classifications and Applications. American Journal of Remote Sensing 6 (1): 1-5

[3] ALJANABI, M; (2019) Resonance frequency analysis of laser optical fiber based on microcantilever; International Journal of Electrical and Computer Engineering (4):3090

[4] (2018) Fiber-Optic Sensing Technologies Introduction to Fiber-Optic Sensing. National Instruments

[5] Jose Uilian, Erlon Vagner (2015) Fiber Optic Temperature Sensing in Heat Exchangers and Bearings for Hydro Generators; Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications 14(1):35-44

[6] Yonas Seifu Muanenda (2018) Recent Advances in Distributed Acoustic Sensing Based on Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry; Journal of Sensors 23(1):1-16

[7] Nages wara Lalam (2016) Brillouin based Distributed Optical Fiber Sensors for Strain and Temperature; Monitoring Optical Communications Research Group (OCRG), Northumbria University, Newcastle, NE1 8ST.

[8] Tarun K. Gangopadhyay; Mukul C. Paul; Leif Bjerkan (2009) Fiber-optic sensor for real-time monitoring of temperature on high voltage (400KV) power transmission lines Proceedings Volume 7503, 20th International Conference on Optical Fibre Sensors

[9] Yibing Zhang, Geoff Keiser (2011); Applications of Optical Fiber Sensors in the Oil Refining and Petrochemical Industries IEEE Sensors proceedings, Exxon Mobile

[10] Liang Ren, Tao Jiang; (2018) Pipeline corrosion and leakage monitoring based on the distributed optical fiber sensing technology, Measurement (3)