Pipeline acoustic imaging : theory and applications

Acoustic reflectometry is an emerging technique for monitoring the status of fluid transportation pipelines. A pressure transient is sent into the conduit, and the reflected signal is processed in order to image geometrical/fluid variations. In this framework, it is fundamental to implement efficient numerical simulators of the acoustic propagation phenomena, that are necessary from the analysis of the observability of the anomalies up to the design of advanced imaging techniques. This thesis presents and implements a simulator (PARSim: Pipeline Acoustic Reflectometry Simulator) of pressure transient propagation in a pipeline with variable internal diameter and fluid content, also in presence of pipe branches. PARsim is a very efficient code, based on the computation of an impedance matrix describing the model between the source and the receiver positions for the propagation of mode (0,1). The thesis contains a state of art of reflectometry techniques, a review of the acoustic propagation in pipelines, the theoretical and practical aspects of PARSim implementation and applications, and the validation of the simulation results with third party FEM codes and with real data.

La riflettometria acustica è una tecnica emergente per il monitoraggio dello stato di condotte per il trasporto di fluidi. Un transiente di pressione viene inviato nella tubazione ed il segnale riflesso viene elaborato al fine di identificare variazioni geometriche e/o di fluido, causate per esempio da ostruzioni, deformazioni, bolle d'aria nel liquido, allacciamenti abusivi. In questo contesto diventa fondamentale implementare simulatori numerici efficienti del fenomeno della propagazione acustica, essi sono necessari dall'analisi dell'osservabilità delle anomalie fino alla realizzazione di tecniche di imaging avanzate. Questa tesi presenta e implementa un simulatore (PARSim: Pipeline Acoustic Reflectometry Simulator) della propagazione di transienti di pressione in tubazioni caratterizzate da variazioni del diametro interno e del fluido contenuto, anche in presenza di ramificazioni del tubo. PARSim è un efficiente codice basato sul calcolo della matrice di impedenza, che descrive il modello tra il trasmettitore ed il ricevitore per la propagazione del modo (0,1). La tesi contiene inoltre lo stato dell'arte delle tecniche di riflettometria acustica, una revisione della propagazione acustica in tubazioni, gli aspetti teorici e pratici dell'implementazione e applicazione di PARSim e, infine, la validazione dei risultati del simulatore sia con un codice alle differenze finite di terze parti sia con dati reali.