2007 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2007 Santos, SP, Brazil, September 30 to October 5, 2007 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: 978-85-99141-02-1
SONDAS PARA INSPEÇÃO DE TROCADORES DE CALOR
INSTALADOS EM USINAS NUCLEARES TIPO PWR PELO
MÉTODO DE CORRENTES PARASITAS
Alonso F. O. Silva1, Donizete A. Alencar 2
1 Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC) Av. Antônio Carlos 6627 Pampulha
31270-901 Belo Horizonte, MG kauzz21@yahoo.com
2 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN)
Rua Professor Mário Werneck s/n 30123-970 Belo Horizonte, MG
daa@cdtn.br
ABSTRACT
From all non destructive examination methods usable to perform integrity evaluation of critical equipment installed at nuclear power plants (NPP), eddy current test (ET) may be considered the most important one, when examining heat exchangers. For its application, special probes and reference calibration standards are employed. In pressurized water reactor (PWR) NPPs, a particularly critical equipment is the steam generator (SG), a huge heat exchanger that contains thousands of U-bend thin wall tubes. Due to its severe working conditions (pressure and temperature), that component is periodically examined by means of ET. In this paper a revision of the operating fundamentals of the main ET probes, used to perform SG inspections is presented.
1. INTRODUÇÃO
Trocadores de calor são, basicamente, sistemas que permutam calor de um meio a outro. Esses meios podem ser água, óleo, soluções, polpas, etc.. Nas usinas nucleares do tipo PWR (Pressurized Water Reactor) são instalados diversos trocadores de calor. Neste trabalho, apresenta-se uma revisão sobre os principais aspectos funcionais do trocador de calor denominado Gerador de Vapor (GV). Na Fig. 1 apresenta-se uma visão dos seus principais componentes e aspecto geral. Numa usina PWR o calor resultante dos processos de fissão nuclear, que ocorrem no núcleo do reator, é retirado pela água de refrigeração [1]. Esta água, sujeita a contaminações radioativas, é bombeada e conduzida por tubulações até chegar ao GV. Ali ocorre o processo de troca térmica, realizada por milhares de tubos de pequeno diâmetro. Completando o circuito primário, esta água é conduzida de volta ao vaso do reator. Já no circuito secundário, o vapor formado na troca é conduzido para a turbina, é resfriado em condensadores e retorna ao GV. Portanto, este equipamento é comum aos dois circuitos. Em operação, as condições de temperatura e pressão encontradas são consideráveis. Para os GVs do tipo D3, fabricados pela Westinghouse e instalados na usina Angra 1, a temperatura chega a atingir, no bocal de alimentação do circuito primário, cerca de 324o C (a 100% de potência). A pressão, neste caso, alcança 174 Kg/cm2 (2485 psi) com vazão de 4479 Kg/s. No
circuito secundário, encontram-se no bocal de saída de vapor: 279o C, pressão de 83 Kg/cm2
(1185 psi) e vazão de 515 Kg/s.
Figura 1: Detalhes construtivos de um gerador de vapor típico de usinas PWR.
Tanto no circuito primário quanto no secundário, o fluxo de água/vapor sob estas condições pode levar ao aparecimento de vibrações e desgastes na estrutura do gerador de vapor. Tais efeitos, juntamente com outros relacionados com a química da água contribuem para o aparecimento de uma série de mecanismos de degradação das partes constituintes dos GVs, e em especial dos tubos [2] que o compõem. Os danos resultantes do rompimento de tubos de um gerador de vapor estão vinculados a questões de contaminação (radioatividade do circuito primário pode chegar ao secundário) e eficiência térmica do dispositivo trocador de calor. Do ponto de vista econômico, a ocorrência de rupturas traduz-se em gastos com manutenção e ainda na interrupção da geração de energia elétrica. Deste modo, nas paradas técnicas para manutenção das usinas nucleares está prevista a aplicação de procedimentos e rotinas que eliminem ou minimizem a ocorrência de danos. Os principais procedimentos utilizados são:
• Melhoria na química da água, para minimizar o efeito da corrosão,
• Limpeza da lama e produtos de corrosão que se acumulam na superfície externa
dos tubos e sobre os espelhos,
• Tamponamento dos tubos, obstruindo a passagem de água no interior dos tubos,
através da colocação de tampões em suas extremidades,
• Enluvamento, onde é introduzido e soldado um tubo curto ou luva no interior dos
Observa-se que as duas últimas ações estão diretamente relacionadas à caracterização dimensional e exata localização de falhas nos tubos. Para tanto, empregam-se métodos de inspeção não destrutiva. Neste contexto, insere-se o ensaio por correntes parasitas, principal método para a detecção de defeitos nos tubos dos GVs de centrais nucleares PWR.
2. FUNDAMENTOS DE CORRENTES PARASITAS
As chamadas correntes parasitas foram constadas experimentalmente pela primeira vez por Jean Foucault, em 1825 [3]. Se por um lado provocam efeitos indesejáveis em máquinas elétricas, como a geração de calor, podem ser úteis como meio de investigação de propriedades de materiais ou da integridade de peças e equipamentos industriais. A formação dessas correntes depende de três fatores relacionados com material a ser examinado: a geometria, a condutividade elétrica
σσσσ
e a permeabilidade magnéticaµµµµ
. Observa-se que sua circulação é superficial ou sub-superficial e que na medida em que penetram num material, sua intensidade exponencialmente. Verifica-se ainda que esta penetração varia inversamente com o valor da freqüência de teste e que a fase das correntes, cresce linearmente com a profundidade. Os sistemas de inspeção por correntes parasitas levam em conta que o valor da impedância complexa da bobina de indução varia conforme as perturbações sofridas pelas correntes parasitas induzidas num material sob teste. A representação deste processo pode ser feita no plano complexo de impedância, como mostrado na Fig. 2.Figura 2 – Variações de impedância no plano complexo.
Observa-se que a bobina de indução tem sua impedância registrada em duas situações distintas: o ponto Po representa a impedância (Ro + Lo) no ar. Ao ser aproximada da superfície do material testado, a impedância se altera e é representada pelo ponto P1 equivalente a ( R1 + L1). Para sua aplicação prática, o ensaio por correntes parasitas requer o uso de equipamentos cujas características construtivas poderão variar de acordo com os objetivos do teste. Para este trabalho, serão focalizados aqueles empregados na inspeção de tubos [4]. Um arranjo básico é apresentado no diagrama de blocos da Fig. 3. Sua operação é descrita a seguir.
Figura 3. Diagrama de um sistema básico para a inspeção de tubos.
Um gerador de freqüência continuamente ajustável alimenta uma sonda de teste e fornece um sinal de referência a um circuito demodulador síncrono. Um amplificador de sinais de ganho ajustável amplia os sinais detectados pela sonda, na medida em que é deslocada pelo interior dos tubos sob teste. A seguir, um circuito denominado demodulador síncrono elimina a componente de freqüência do sinal de teste e transforma os sinais detectados nas componentes de tensão Vx e Vy. Um bloco denominado circuito de rotação de fase permite modificar a inclinação do par Vx e Vy, resultando no par Vx' e Vy'. As componentes são então apresentadas na tela de um monitor complexo na forma de figuras de Lissajous .
3. PRINCIPAIS SONDAS DE TESTE PARA A INSPEÇÃO DE TUBOS
Diversos tipos de sondas são utilizados para o ensaio por correntes parasitas [5]. Sua geometria e características construtivas variam em função dos objetivos de cada inspeção. Para o exame de tubos instalados em trocadores de calor, utilizam-se geralmente sondas internas do tipo bobbin coil em arranjo absoluto ou diferencial. Uma característica muito importante em sondas é seu fator de enchimento (fill-factor). O fator de enchimento é a razão entre o diâmetro externo das bobinas de uma sonda e o diâmetro interno dos tubos sob teste. Fatores de enchimento próximos a 1 representam uma maior proximidade entre a sonda e as descontinuidades a serem detectadas, o que resulta em maior sensibilidade. Na prática, para obter-se boa movimentação da sonda através dos tubos é necessário sacrificar a sensibilidade. Fatores de enchimento tipicamente encontrados são da ordem de 0,92 a 0,98. Para inspecionar os trechos curvados dos tubos, com raios de curvatura reduzidos, empregam-se sondas dos tipos citados cuja carcaça ou chassis é flexível. Neste caso o fator de enchimento é significativamente menor. Sondas diferenciais permitem a detecção de descontinuidades localizadas, mas são pouco sensíveis para a detecção e avaliação descontinuidades circunferenciais. Não detectam descontinuidades graduais. Possuem duas bobinas ativas cujos enrolamentos estão em oposição. Quando as duas bobinas estão sobre uma seção homogênea de um tubo, como pode ser visto na Fig. 4a, o sinais emitidos se anulam, mas quando há uma perda localizada de espessura (defeito) a circulação das correntes difere e o resultado pode ser visualizado como uma figura de Lissajous. O volume, a profundidade e a
localização (interna ou externa ao tubo) definem a amplitude e inclinação das figuras. Na Fig. 4b observam-se 5 figuras superpostas obtidas a partir de um padrão ASME [6] contendo orifícios de fundo plano de 20%, 40%, 60%, 80% e 100% de perda de espessura. Na Fig. 4c
a) b) c)
Figure 4. Figuras de Lissajous (a), padrão de referência (b) e sonda bobbin coil típica(c).
A operação em modo absoluto é indicada para avaliação de descontinuidades com variações graduais, como perdas generalizadas de espessura por desgaste. Este tipo de sonda, usa somente uma bobina ativa. É indicada na avaliação de descontinuidades localizadas ou graduais, na medição de espessuras e ainda na determinação da condutividade elétrica.
Sondas Especiais
Uma vez que sondas tipo bobbin coil são ineficazes na caracterização de alguns tipos de descontinuidades localizadas circunferencialmente, tais como trincas causadas por corrosão sob tensão (PWSCC), sondas especiais [7] devem ser utilizadas . As principais são:
Sonda Pancake Multicanais: Sonda que possui 4 a 8 bobinas planas, distribuídas ao longo da superfície externa da sonda. O equipamento de teste a que fica conectada deve ter número equivalente de canais. A velocidade de inspeção é similar a aplicada às sondas bobbin coil. Sonda Pancake rotativa: Sonda motorizada que possui uma única bobina plana tipo pancake (motorized rotating pancake coil - MRPC). Em operação, é feita uma varredura helicoidal pela superfície interna do tubo inspecionado. O equipamento de teste deve estar sincronizado com o sistema de movimentação da sonda. A velocidade de inspeção é geralmente menor do que a aplicada às sondas bobbin coil.
Sonda emissoras-receptoras multicanais: Conhecidas como sondas CECCO [8], são ideais para a detecção de trincas circunferenciais na região do espelho dos trocadores, conhecida como zona de expansão. Suas bobinas emissoras e receptoras são colocadas ao redor do carcaça da sonda. Caracterizada por sua alta imunidade ao efeito de vibração (lift-off), a velocidade de inspeção é similar a aplicada às sondas bobbin coil.
CONCLUSÕES
Neste trabalho apresentou-se uma compilação da revisão dos princípios e condições de operação dos geradores de vapor de centrais nucleares tipo PWR.
Verificou-se que o método de correntes parasitas é o mais utilizado na avaliação de integridade destes equipamentos.
Assim, fez-se um estudo sobre o uso deste método na avaliação de integridade de tubos instalados em GVs. Os principais tipos de sondas, seus pontos fracos e fortes foram estudados.
REFERÊNCIAS
1. H. BAILLY, D. MÉNESSIER, C. PRUNIER, The Nuclear Fuel of Pressurized Water
Reactors and Fast Reactors – Design and Behaviour, Collection du Commissariat à L’Energie Atomique, Paris, France, 1999.
2. H.C.K. SILVEIRA, Análise da Integridade Estrutural de Tubos de Geradores de Vapor
Deteriorados por Corrosão sob Tensão pelo Primário na Região de Transição de Expansão Junto ao Espelho, Dissertação (mestrado), IPEN-USP, 2002.
3. ASNT, “Nondestructive Testing Handbook – Electromagnetic Testing”, vol 5, Columbus,
USA, 2004.
4. D.A. ALENCAR, Simpar: Sistema de Simulação de Testes de Tubos por Correntes
Parasitas, Belo Horizonte, CEFET-MG, Dissertação (mestrado), 1995.
5. D. STEGMAN, Curso de Correntes Parasitas, ABENDE, Sao Paulo, Brazil, 1987.
6. ASME, “Boiler and Pressure Vessel Code”, New York, USA, 2004.
7. “Selection of NDT Techniques for Inspection of Heat Exchanger Tubing”,
http://www.sirem.es/ingles/index.php?page=Inspection_Techniques_2, 2007.
8. V.S. CECCO, “Transmit-Receive Eddy Current Probes for Circumferential Cracks in
