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Tecnologías de los 80: electrónica en la inspección de las centrales nucleares
Tecnologías de los 80 Tecnología electrónica en la inspección de centrales nucleares Desde el accidente de la central de Three Mile Island, en 1979, todos los proyectos sobre centrales nucleares en Estados Unidos han sido pospuestos y cancelados. También puedo afirmarse que ha ocurrido algo similar en un gran número de países. Vibraciones inducidas en los tubos del generador de vapor de las centrales de R inghals 3 y Almaraz 1; grietas de corrosión intergranular en diversas centrales americanas, Pilgrim, Nine Mile Point, son actualmente circunstancias que están obligando a las centrales nucleares a trabajar a baja potencia o a detener la producción de energía para efectuar revisiones periódicas que aseguren el buen funcionamiento de las mismas. Para abordar el estudio y la resolución de estos problemas, así como lo relativo a inspecciones en servicio, usuales en la planta, que sirven para garantizar la seguridad pública o la disponibilidad de la central, es necesario hacer referencia a las denominadas técnicas de inspección mediante ensayos no destructivos (END). Escribe nuestro compañero RAFAEL MARTINEZ-OÑA. Se puede afirmar que los problemas que ahora han aparecido en el campo de la industria nuclear estaban ya presentes desde el momento de la construcción de las centrales, pero no eran considerados debido a un planteamiento ideal relativo al funcionamiento de la planta y ala confianza en la eficacia de las inspecciones en servicio, que ya desde el año 1970 son práctica usual en las centrales nucleares de acuerdo con los requerimientos del código ASME. Las inspecciones en servicio (que incluyen un conjunto de pruebas realizadas mediante técnicas de END destinadas a controlar y verificar la integridad de los límites de presión de los diferentes sistemas) han presentado estas limitaciones, principalmente debido a la poca experiencia inicial acerca de la presencia de defectos en los diversos componentes de las centrales y a las deficiencias en la transferencia . de tecnología desde otros campos de aplicación de los END al terreno nuclear (no obstante, hay que señalar que los componentes nucleares presentan marcadas diferencias respecto a los de otras actividades industriales tales como, mayores dimensiones, materiales no homogéneos, accesos difíciles, condiciones de trabajo rigurosas en cuanto a humedad, temperatura y especialmente radiación), como a las propias limitaciones tecnológicas de dichos ensayos. Tradicionalmente se consideraba que el desgaste mecánico, o los defectos iniciales en una soldadura o componente, eran la causa de la mayoría de los defectos potenciales; la experiencia ha demostrado que los factores ambientales, las concentraciones de ten.siones, la corrosión( las vibraciones, etc., son más importantes que los primeros. ESTADO ACTUAL Entre las técnicas de END normalmente aplicadas en las inspecciones en centrales nucleares, podemos citar la radiográfica, la ultrasón ica, la de corrientes inducidas, las de partículas magnéticas y la inspección visual. Entre ellas cabe destacar la ultrasónica y a continuación la de corrientes inducidas, que día a día, va aumentando su campo de aplicación. Las técnicas radiográficas, au nque bastante uti I izadas, encuentran limitaciones debido a la radiación remanente en los componentes y en el ambiente, que altera la película sensible y limita su tiempo de exposición. Dentro de las inspecciones en servicio realizadas en centrales nucleares pueden distinguirse, según la forma de real ización, las mecanizadas y las manuales. Por inspección mecanizada se entiende aque. Ila en la que las sondas de inspección (bobinas y/o transductores piezoeléctricos) van montadas sobre un dispositivo mecánico que es el que proporciona el movimiento de exploración. En estos casos,junto al dispositivo mecánico, elementos de control y equipos de ultrasonidos o corrientes inducidas, suele utilizarse un sistema de adquisición de datos muy simplificado, consistente en diferentes unidades de registo, de cinta magnética, de papel (reg. X-T) y de vídeo. En los dos primeros casos las variables registradas son analógicas y consisten, para ultrasonidos, en la amplitud y el tiempo recorrido de la indicación que aparece en la pantalla; para ello, los equipos necesitan un hardware adicional ("puerta de tiempos") que en la mayoría de los casos, antes de iniciar el registro, necesitan una serie de ajustes farragosos. Las variables registradas en las inspecciones por corrientes inducidas, amplitud y fase, son pro porcionadas directamente por los equipos comerciales. Los registros de vídeo simplemente graban las pantallas de los equipos para tener un elemento de confirmación y apoyo a los registros mencionados anteriormente. El campo de aplicación de dichas inspecciones mecanizadas, desde 1963 en que comenzó esta actividad la central nuclear de Elk R iver, hasta la actual idad, se ha centrado normal mente en la inspección ultrasónica de la vasija del reactor y en la inspección mediante corrientes inducidas de los tubos de los generadores de vapor. Para el resto de los componentes sometidos a inspección, ésta se lleva a cabo en la mayoría de los casos manualmente; es decir, el movimiento de exploración de los transductoresy el registro de indicaciones y señales de interés lo efectúa un operador manualmente. No es difícil señalar las dificultades que comportadicho tipo de inspección, a nivel de ejecución (accesibilidad, nivel de radiación, repetibilidad del movimiento y presión sobre el transductor, etc.) y a nivel de registro (se consume un tiempo elevado registrando indicaciones, cada operador interpreta las señales de una manera, etc.). Aún en el caso de las inspecciones mecanizadas, hay que señalar que el estudio y la evaluación de los resultados es dependiente del operador, difícil y árduo, las longitudes de los registros obtenidos son enormes, decenas de horas de cintas y kilómetros de papel (son necesarias de 3.000 a 8.000 pasadas para inspeccionar las sol daduras de la vasija del reactor; en los generadores de vapor de una central hay más de 13.800 tubos de 18 m. de longitud cada uno), el manejo de dichos registros, el estudio y comparación con otros posteriores, las labores de búsqueda y muestreo de información consumen un tiempo elevado y se prestan a un número considerable de errores. mini computador DISPOSITIVO DE INSPECCION figura 1.- Prototipo nacional de sistema de adquisición de señales ultrasónicas para inspección en centrales nucleares, desarrollado conjuntamente por el Laboratorio de Ordenadores y Cibernética de la ETSITM y la empresa TECNATOM. NUEVAS TENDENCIAS Ganados por la aparición de nuevos problemas y para garantizar al máximo la disponibilidad de las plantas (hay que pensar que una centra I de 930 Mwe factu ra cada día del orden de 100 millones de pesetas), son los propietarios de las mismas quienes amplían los límites de inspección y exigen resultados cuantitativos con mayores niveles de fiabilidad y en el menor tiempo posible. Como ejemplo, para comentar las nuevas tendenGias tecnológicas en este campo, sirva un problema surgido recientemente como es la aparición de grietas de corrosión intergranular (CIG) en el circuito primario de las centrales tipo BWR. El planteamiento y el estudio para la resolución de estos problemas ha permitido y potenciado la introducción de nuevas tecnologías, fundamental mente electrónica, informática y metalúrgica, en el terreno de la inspección por END en la industria nuclear. Así a raíz de diversos seminarios, surgidos para estudiar los problemas de detección, discriminación y dimensionamiento de grietas de CIG, se ha recomendado que las inspecciones se realicen de forma mecanizada, de tal forma que se asegure la repetibilidad de la exploración. Este razonam iento puede aplicarse, y de hecho trata de aplicarse, al resto o a la ma"1oría de los componentes que hay que inspeccionar; debido a ello, hoy día se encuentran numerosos desarrollos de equipos mecanizados para inspección, con unas: características tales que permitan salvar las limitaciones de acceso y adaptarse y cubrir el mayor número de áreas a inspeccionar. A consecuencia de esto, los dispositivos mecánicos han aumentado sus prestaciones, sus dimensiones se han reducido, se utilizan motores paso a paso, captadores de precisión, etc. Las unidades de control, merced a la miniaturización e integración de los componentes electrónicos, son más reducidas y más precisas; con la llegada de los microprocesadores la perfección, sencillez y automatización de los movimientos es considerable. Los nuevos sistemas de adquisición de datos permiten, también "gobernados por JiP (coincidente o no con el que gobierna el movimiento del dispositivo), muestrear, detectar y almacenar la señas ultrasónica (conviene señalar que los transductores piezoeléctricos trabajan normalmente con impulsos de 0,5 a 5 MHz y, por tanto, la frecuencia de muestreo para capturar las señales de ultrasonidos es del orden de 10M Hz) de tal forma que (Continúa en pág. 85) FLUJO MAGNETlCO PRIMARIO Así se denominan todos aquellos ensayos que no alteran la integridad del material u objeto al efectuar la medida sobre el mismo. Las principales técnicas de END aplicadas a la verificación de materiales son la radiográfica, la ultrasónica y la de corrientes inducidas. Los elementos principales de la técnica radiográfica son la fuente de radiación (rayos X o rayos gamma) y la película sensible. El objeto a radiografiar debe interponerse entre la fuente y la película, de tal forma que todo el contorno y sus características interiores y exteriores se proyectarán sobre la película. Allí donde el material sea más grueso o más denso absorberá una cantidad mayor de flujo de la radiación que aquellas partes donde sea más delgado o menos denso. De esta forma, la radiación incidente sobre la película irá formando una imagen, radiografía, del objeto. Las zonas oscuras de la placa corresponden a las partes de las cuales la radiación a través del objeto ha sido más intensa y las claras, a las zonas donde la radiación ha sido menor. Dentro de la técnica ultrasónica,existen diversas modalidades, método de resonancia, método de transmisión, método de impulsoeco, siendo esta última la más utilizada. Se precisa un transductor piezoeléctrico y un equipo de ultrasonidos (básicamente consta de un generador de impulsos y un amplificador conectado a una etapa de video). Los tipos de excitación más usuales son con onda continua y mediante . impulsos; aquí nos referiremos a esta última. El generador emite pulsos periódicamente al transductor, y a su vez, éste los convierte en energía ultrasónica y los envía al material a inspeccionar. El equipo de ultrasonidos se calibra de tal forma que la base de tiempos del TRC se corresponde con el tiempo que el ultrasonido tarda en recorrer el espesor del material. El extremo izquierdo de la pantalla se asocia con la superficie de entrada y el extremo derecho con la superficie de fondo. Así, cuando el haz ultrasónico "ilumine" algún reflector A que se interponga en su camino, entre la superficie superior y la pared B, parte de la energía se reflejará y volverá al transductor en un tiempo menor que el que tarda en alcanzar la superficie B. De esta forma se detecta la discontinuidad y se localiza su posición, permitiendo inspeccionar la integridad del material. La técnica de inspección mediante corrientes inducidas se suele aplicar a la verificación de tubos de material conductor, de pequeño diámetro y espesor, debido al limitado poder de penetración de las corrientes inducidas. La sonda de inspección presenta una disposición de dos bobinas próximas. Por una de ellas (bobina excitadora) pasa una corriente alterna de frecuencia y amplitud fijas. En el interior y en las cercanías de esta bobina se induce un campo magnético alterno, que varía con la misma frecuencia que el flujo de corriente e induce una tensión alterna en la bobina de recepción. Si se introducen las dos bobinas dentro de un tubo de material conductor, el campo de excitación alterno no se induce solamente en la bobina receptora, sino que también da lugar a una tensión según líneas circunferenciales en el tubo. Bajo la influencia de estas tensiones eléctricas inducidas fluyen corrientes eléctricas en el sentido circunferencial que se denominan corrientes inducidas. Estas corrientes generan a su vez unos campos magnéticos y éstos dan lugar a unos flujos magnéticos que inducen en la bobina receptora tensiones que son el resultado de la superposición de la tensión neta inducida por el campo primario y por las corrientes inducidas. El comportamiento de las corrientes inducidas en la bobina de recepción queda determinado esencialmente por los parám etros del material, tales como su conductividad eléctrica, permeabilidad y geometría. De esta forma, a través del comportamiento de sus corrientes inducidas, son medibles las propiedades del material. Por tanto, los procedimientos para la detección de defectos mediante corrientes inducidas se basan en estud iar las variaciones locales de las propiedades homogéneas del material ya mencionadas, (conductividad, permeabilidad o geometría), originadas por alteraciones en el mismo. (Viene de pág. 83) el tratamiento posterior en un ordenador es inmediato. Debido a la peculiaridad y configuración geométrica de la soldadura del material, a la zona donde suelen aparecer y a la morfología de las grietas de CIG, las señales u Itrasón icas recog idas no son i nterpretables fácilmente; de ahí que las técnicas clásicas de evaluación mediante valoración de la ampl itud de la señal resulten insuficientes, y las técnicas de procesado de señal sean totalmente necesarias y en muchos casos ya estén aportando resu I tados positivos; se trabaja sobre filtrado para eliminación de la señal mediante variables en los dominios del tiempo y de la frecuencia al objeto de establecer algoritmos de reconocim iento de patrones, en USA ya existe un equipo comercial (ALN 4000), que está diseñado basándose en estos orincipios. Para estudiar la evolución, el crecimiento, de las grietas de CIG, se está diseñando un sistema que permita la moritorización cont(nua de las señales ultrasónicas que produce la grieta durante 14 meses; aunque el problema de la monitorización continua es un planteamiento ya solucionado en otros campos, hay que tener en cuenta que las condiciones de trabajo (Temperaturas de 3500 sobre la tubería, presión y humedad elevadas, almacenamiento y procesamiento durante 14 meses de señales que varían lentamente) en nuestro caso dan lugar a ciertas dificultades que aún están por resolver. Puntos importantes para el establecimiento de algoritmos de evaluación automática y de ayuda al analista de resultados son la formación de bancos de datos y ficheros multivariables; en la actualidad, el problema radica en la dificultad de caracterizar la señal y correlacionar ésta con los diferentes tipos de indicaciones, debido en parte a la falta de una muestra amplia y variada de los diferentes tipos de defectos. Otro aparato que presenta una evolución importante es el relativo a equipos de ultrasonidos y transductores. La nueva concepción de equipo contempla una configuración modular, caracterización y parametrización de cada uno de los m ód ulos, control mediante J1P, programas de calibración y autocomprobación, interfase están dar de E/S y optim ización del generador de emisión tal que permita entregar la máxima energía ultrasónica al elemento transductor. Hay que señalar la aparición de nuevos tipos de transductores tales como los EMAT (Electro Magnetic Acoustic Transducer), aún no muy utilizados, pero que debido a su forma de trabajo (sin contacto con el material) abren nuevas posibilidades; los transductores de cristales múltiples ("arrays"), permiten el barrido y la focal ización automática en cualquier punto, bien de forma mecánica o bien electrónica (siendo ésta más interesante), aumentando la cobertura del área inspeccionada y la velocidad de exploración; dentro del campo de los "arrays", se han desarrollado los denominados SAFT (Synthetic Aperture Focusing Transducer), que mediante elementos transductores de pequeño tamaño, y procesamiento de la amplitud y la fase recibida en cada uno de ellos, perm iten obtener información de las características de los defectos. Cada día son más numerosos los equipos que permiten la obtención de imágenes de la zona inspeccionada, ayudando así a la evaluación. La holografía, los sistemas con representaciones gráficas a colores, el análisis de señales, el estudio de la distribución de tensiones y campos magnéticos med iante elementos finitos, los nuevos modos de propagación de ondas, los estudios sobre la interacción de las ondas con los defectos, la incidencia de la energía retrodispersada, son algunas de las técnicas y desarrollos que tímidamente están haciendo su aparición en el campo de los END aplicados en la industria nuclear. Mediante la interacción y aplicación de otras disciplinas al campo de los END, aumentará la calidad y la fiabilidad de las inspeccio,nes, nos encontraremos más cerca de la automatización del proceso, ...y de la obsolescencia, pero aún hay que recorrer un largo camino. lECTURAS ADICIONALES E. HERBERT: "Finding the flaws in nuclear power plants" IEEE, Spectrum. Sep., 1982. J.B. PEREZ PART: "Evolución de las inspecciones en servicio por END" Nuclear España. Mayor, 1983. R.S. 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30 oct 2015