2007 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2007Santos, SP, Brazil, September 30 to October 5, 2007ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABENISBN: 978-85-99141-02-1

SONDAS PARA INSPEÇÃO DE TROCADORES DE CALORINSTALADOS 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 Pampulha31270-901 Belo Horizonte, MG

kauzz21@yahoo.com

2 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN)Rua Professor Mário Werneck s/n30123-970 Belo Horizonte, MG

daa@cdtn.br

ABSTRACT

From all non destructive examination methods usable to perform integrity evaluation of critical equipmentinstalled at nuclear power plants (NPP), eddy current test (ET) may be considered the most important one, whenexamining 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 hugeheat 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 ofthe 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 calordenominado Gerador de Vapor (GV). Na Fig. 1 apresenta-se uma visão dos seus principaiscomponentes e aspecto geral. Numa usina PWR o calor resultante dos processos de fissãonuclear, 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 aoGV. Ali ocorre o processo de troca térmica, realizada por milhares de tubos de pequenodiâmetro. 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 resfriadoem 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 osGVs do tipo D3, fabricados pela Westinghouse e instalados na usina Angra 1, a temperaturachega a atingir, no bocal de alimentação do circuito primário, cerca de 324o C (a 100% depotência). A pressão, neste caso, alcança 174 Kg/cm2 (2485 psi) com vazão de 4479 Kg/s. No

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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 condiçõespode levar ao aparecimento de vibrações e desgastes na estrutura do gerador de vapor. Taisefeitos, juntamente com outros relacionados com a química da água contribuem para oaparecimento de uma série de mecanismos de degradação das partes constituintes dos GVs, eem especial dos tubos [2] que o compõem. Os danos resultantes do rompimento de tubos deum gerador de vapor estão vinculados a questões de contaminação (radioatividade do circuitoprimário pode chegar ao secundário) e eficiência térmica do dispositivo trocador de calor. Doponto de vista econômico, a ocorrência de rupturas traduz-se em gastos com manutenção eainda na interrupção da geração de energia elétrica. Deste modo, nas paradas técnicas paramanutenção das usinas nucleares está prevista a aplicação de procedimentos e rotinas queeliminem 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

tubos.

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Observa-se que as duas últimas ações estão diretamente relacionadas à caracterizaçãodimensional e exata localização de falhas nos tubos. Para tanto, empregam-se métodos deinspeção não destrutiva. Neste contexto, insere-se o ensaio por correntes parasitas, principalmétodo 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 porJean Foucault, em 1825 [3]. Se por um lado provocam efeitos indesejáveis em máquinaselétricas, como a geração de calor, podem ser úteis como meio de investigação depropriedades de materiais ou da integridade de peças e equipamentos industriais. A formaçãodessas correntes depende de três fatores relacionados com material a ser examinado: ageometria, a condutividade elétrica σσσσ e a permeabilidade magnética µµµµ. Observa-se que suacirculação é superficial ou sub-superficial e que na medida em que penetram num material,sua intensidade exponencialmente. Verifica-se ainda que esta penetração varia inversamentecom o valor da freqüência de teste e que a fase das correntes, cresce linearmente com aprofundidade. Os sistemas de inspeção por correntes parasitas levam em conta que o valor daimpedância complexa da bobina de indução varia conforme as perturbações sofridas pelascorrentes parasitas induzidas num material sob teste. A representação deste processo pode serfeita 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 situaçõesdistintas: o ponto Po representa a impedância (Ro + � Lo) no ar. Ao ser aproximada dasuperfície do material testado, a impedância se altera e é representada pelo ponto P1equivalente a ( R1 + � L1). Para sua aplicação prática, o ensaio por correntes parasitas requero uso de equipamentos cujas características construtivas poderão variar de acordo com osobjetivos do teste. Para este trabalho, serão focalizados aqueles empregados na inspeção detubos [4]. Um arranjo básico é apresentado no diagrama de blocos da Fig. 3. Sua operação édescrita a seguir.

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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 umsinal de referência a um circuito demodulador síncrono. Um amplificador de sinais de ganhoajustável amplia os sinais detectados pela sonda, na medida em que é deslocada pelo interiordos tubos sob teste. A seguir, um circuito denominado demodulador síncrono elimina acomponente de freqüência do sinal de teste e transforma os sinais detectados nascomponentes de tensão Vx e Vy. Um bloco denominado circuito de rotação de fase permitemodificar a inclinação do par Vx e Vy, resultando no par Vx' e Vy'. As componentes sãoentão 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]. Suageometria e características construtivas variam em função dos objetivos de cada inspeção.Para o exame de tubos instalados em trocadores de calor, utilizam-se geralmente sondasinternas do tipo bobbin coil em arranjo absoluto ou diferencial. Uma característica muitoimportante em sondas é seu fator de enchimento (fill-factor). O fator de enchimento é a razãoentre 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 asdescontinuidades a serem detectadas, o que resulta em maior sensibilidade. Na prática, paraobter-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. Parainspecionar os trechos curvados dos tubos, com raios de curvatura reduzidos, empregam-sesondas dos tipos citados cuja carcaça ou chassis é flexível. Neste caso o fator de enchimentoé significativamente menor. Sondas diferenciais permitem a detecção de descontinuidadeslocalizadas, mas são pouco sensíveis para a detecção e avaliação descontinuidadescircunferenciais. Não detectam descontinuidades graduais. Possuem duas bobinas ativascujos enrolamentos estão em oposição. Quando as duas bobinas estão sobre uma seçãohomogênea de um tubo, como pode ser visto na Fig. 4a, o sinais emitidos se anulam, masquando há uma perda localizada de espessura (defeito) a circulação das correntes difere e oresultado pode ser visualizado como uma figura de Lissajous. O volume, a profundidade e a

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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] contendoorifícios 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 variaçõesgraduais, como perdas generalizadas de espessura por desgaste. Este tipo de sonda, usasomente uma bobina ativa. É indicada na avaliação de descontinuidades localizadas ougraduais, 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 dedescontinuidades localizadas circunferencialmente, tais como trincas causadas por corrosãosob tensão (PWSCC), sondas especiais [7] devem ser utilizadas . As principais são:

Sonda Pancake Multicanais: Sonda que possui 4 a 8 bobinas planas, distribuídas ao longoda superfície externa da sonda. O equipamento de teste a que fica conectada deve ter númeroequivalente 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 helicoidalpela superfície interna do tubo inspecionado. O equipamento de teste deve estar sincronizadocom o sistema de movimentação da sonda. A velocidade de inspeção é geralmente menor doque a aplicada às sondas bobbin coil.

Sonda emissoras-receptoras multicanais: Conhecidas como sondas CECCO [8], são ideaispara a detecção de trincas circunferenciais na região do espelho dos trocadores, conhecidacomo zona de expansão. Suas bobinas emissoras e receptoras são colocadas ao redor docarcaça da sonda. Caracterizada por sua alta imunidade ao efeito de vibração (lift-off), avelocidade de inspeção é similar a aplicada às sondas bobbin coil.

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CONCLUSÕES

Neste trabalho apresentou-se uma compilação da revisão dos princípios e condições deoperação dos geradores de vapor de centrais nucleares tipo PWR.

Verificou-se que o método de correntes parasitas é o mais utilizado na avaliação deintegridade destes equipamentos.

Assim, fez-se um estudo sobre o uso deste método na avaliação de integridade de tubosinstalados em GVs. Os principais tipos de sondas, seus pontos fracos e fortes foramestudados.

REFERÊNCIAS

1. H. BAILLY, D. MÉNESSIER, C. PRUNIER, The Nuclear Fuel of Pressurized WaterReactors and Fast Reactors – Design and Behaviour, Collection du Commissariat àL’Energie Atomique, Paris, France, 1999.

2. H.C.K. SILVEIRA, Análise da Integridade Estrutural de Tubos de Geradores de VaporDeteriorados por Corrosão sob Tensão pelo Primário na Região de Transição deExpansão 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 CorrentesParasitas, 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

Heat Exchanger Tubes”, Materials Evaluation , v. 54 no 1, January 1996.