Investigation of ground surface vibration to locate leaks in buried water pipes - Iwanaga, Mauricio Kiotsune [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
O risco de escassez de água tem aumentado em muitas regiões do mundo. Uma vez que os vazamentos representam uma grande quantidade de desperdício, os setores de abastecimento dependem das tecnologias de localização de vazamentos. Uma situação comum encontrada na prática é quando uma tubulação enterrada não é acessível. Neste caso, são recomendadas as tecnologias que não requerem qualquer acesso. Entretanto, existem apenas algumas delas com desempenho muito limitado. Muitas pesquisas têm sido realizadas nos últimos anos, com foco na localização de objetos enterrados usando medidas de vibração da superfície do solo, devido às ondas que se propagam nele. Elas são consideradas soluções potenciais para as tecnologias de localização de vazamentos, já que o primeiro passo geralmente é localizar a tubulação. Além disso, algumas pesquisas também foram realizadas para localizar vazamentos sem conhecimento prévio do local onde a tubulação está enterrada. Embora sejam promissoras, a aplicação prática de tais técnicas pode ser bastante complicada e custosa, já que normalmente elas requerem uma estimativa da velocidade de onda no solo e um conjunto de sensores montados na superfície. A principal motivação para esta tese é apresentar uma técnica de localização de vazamento baseada em medições de vibração da superfície do solo, que não requer uma estimativa da velocidade de onda no solo, robusta à interferência do ruído de fundo, e com uma configuração simples. Para isso, o fenômeno de propagação de ondas no solo devido a um tubo enterrado com vazamento é introduzido através de um modelo analítico, cujos resultados são validados a partir de um modelo numérico e um experimento. As técnicas de localização são então apresentadas com base no contexto físico fornecido pelo modelo analítico. A técnica proposta, denominada técnica de dois sensores, é baseada na fase medida por um par de sensores móvel em diferentes posições na superfície do solo. A técnica usada como base de comparação, denominada técnica de um sensor, é baseada na diferença de amplitude medida por um único sensor móvel em diferentes posições na superfície do solo. A aplicação delas é ilustrada com os modelos analítico e numérico, e seus desempenhos são avaliados na prática com dados experimentais adquiridos em campos de testes. As contribuições da pesquisa são destacadas pelos resultados experimentais, nos quais a técnica de dois sensores pode localizar a tubulação para distâncias maiores em relação ao vazamento, e é mais robusta à interferência de fontes externas de ruído em relação à técnica de um sensor.

The risk of water shortage has increased in many regions of the world. Since leaks represent a large amount of water waste, water supply sectors depend on leak localization technologies. A common situation found in practice is when a buried pipe is not accessible and, consequently, some technologies cannot be applied as the sensors cannot be attached directly to the pipe. For this type of situation, the technologies that do not require any access to the buried pipe are recommended. However, there are only a few of them with very limited performance. A large amount of research has been carried out in recent years, focusing on the location of buried objects using measurements of ground surface vibration, due to the waves that propagate in the soil. This research can provide potential solutions for leak localization technologies, since the first step is usually to locate the buried pipe. Furthermore, some research has also been conducted in the location of leaks without prior knowledge of where the pipe is buried. Although they are promising, the practical application of such techniques can be quite complicated and expensive as they usually require an estimate for the wave speed in the soil, and a set of sensors mounted on the ground surface. In this thesis, a leak localization technique is presented which is based on measurements of ground surface vibration. The technique does not require an estimate for the wave speed in the soil, is robust to the interference of background noise, and is simple to setup. To illustrate the method, the phenomenon of wave propagation in soil due to a leaking buried pipe is first introduced via an analytical model, which is validated with a numerical model and an experiment. The localization techniques are then presented using the analytical model. The proposed technique, which is named the two-sensor technique, is based on the unwrapped phase measured by a roving pair of sensors on different positions on the ground surface. The technique used as baseline, named one-sensor technique, is based on the amplitude difference measured by a single sensor on different positions on the ground surface. The application of both techniques is illustrated with the analytical and numerical models, and their performances are evaluated in the practice with experimental data acquired on test rigs. The research contributions are highlighted by the experimental results, in which the two-sensor technique can locate the pipe for longer distances relative to the leak, and is more robust to the interference of external sources of noise in relation to the one-sensor technique.
Investigação da vibração da superfície do solo para localizar vazamentos em tubulações enterradas
Keywords: Leak localization; Buried pipe localization; Ground surface vibration; Unwrapped phase; Localização de vazamentos; Localização de tubulações enterradas; Vibração da superfície do solo; Fase entre dois sensores