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2009 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2009 Rio de Janeiro,RJ, Brazil, September27 to October 2, 2009 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: 978-85-99141-03-8

DETERMINAÇÃO DOS VALORES LIMITES DE FREQUÊNCIA DE

OPERAÇÃO PARA APLICAÇÃO DO ENSAIO CORRENTE PARASITAS NA INSPEÇÃO DE TUBOS INSTALADOS EM

CONDENSADORES DE CENTRAIS NUCLEARES PWR.

Welligtânia Domingos Dias1, Donizete A. Alencar2, Silvério F. Silva Júnior3

1 Centro de Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MG Av. Amazonas

28630-050 Belo Horizonte, MG @cdtn.br

2 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear – CDTN - CNEN

Av. Antonio Carlos 6627 31270-901 Belo Horizonte, MG

[email protected]

3 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear – CDTN - CNEN Av. Antonio Carlos 6627

31270-901 Belo Horizonte, MG [email protected]

ABSTRACT

PWR nuclear power plants condensers are constituted by thousands of thin wall and small diameter metallic tubes, supported by carbon steel plates. Their integrity must be verified periodically by means of eddy current nondestructive examination (NDE). In the Brazilian plants, ASME code recommendations have been adopted for such inspections. So, adequate probe operating frequencies have to be selected in order to obtain specific transient signals phase and amplitude signatures, as they are generated by volumetric discontinuities present in a calibration standard tube. The objective of this paper is to show how minimum and maximum operating frequency, following ASME recommendations, can be experimentally found and applied in the inspection of titanium tubes similar to those installed in Angra I condensers.

RESUMO

Condensadores de usinas nucleares do tipo PWR são constituídos por milhares de tubos metálicos de parede delgada, montados na forma de feixe, suportados por placas ou chicanas de aço carbono e encapsulados em uma carcaça. Para verificar seu estado de integridade, devem ser realizadas, periodicamente, inspeções por meio do método de ensaio não destrutivo de correntes parasitas. Nas usinas brasileiras, a aplicação deste ensaio deve obedecer as condições estabelecidas pelo código ASME. Dentre outras recomendações, é fundamental estabelecer valores adequados de frequências de operação para as sondas empregadas. Para tanto, deve ser desenvolvido, em laboratório, um procedimento de calibração, em que um tubo padrão de referência, idêntico aos instalados, contendo descontinuidades volumétricas de geometria conhecida, é avaliado, registrando-se as inclinações e amplitudes dos sinais obtidos para todas as descontinuidades. Este trabalho tem por objetivo determinar, em conformidade com o código ASME, os valores de frequencia de operação mínima e máxima para aplicação do ensaio de correntes parasitas na inspeção de tubos de titânio, similares aos instalados nos Condensadores da Usina Nuclear Angra I.

INAC 2009, Rio de Janeiro, RJ, Brazil.

1. INTRODUÇÃO Trocadores de calor são, basicamente, equipamentos que permutam calor entre diferentes meios, tais como água, óleo, soluções, polpas, etc.. Dentre os diversos trocadores necessários à operação das usinas nucleares a água pressurizada - Pressurized Water Reactor – PWR, consideram-se importantes os Condensadores. Tais equipamentos são constituídos por milhares de tubos metálicos de parede delgada, montados na forma de feixes paralelos, suportados por placas (chicanas) e encapsulados em uma carcaça. Por questões de segurança operacional, seu estado de integridade deve ser verificado periodicamente. Nas usinas nucleares brasileiras emprega-se para este fim o método de ensaio não destrutivo (END) por correntes parasitas [1]. A aplicação deste método requer recursos tais como: um sistema de testes com pelo menos duas freqüências de operação simultânea, sondas do tipo bobbin-coil operando nos modos absoluto e diferencial; além de tubos de referência (padrões) para calibração. Tanto as recomendações para calibração do sistema de testes quanto as metodologias para avaliar descontinuidades devem estar em conformidade com o código ASME [2]. Este trabalho tem por objetivo determinar, em conformidade com este código, os valores mínimo e máximo de frequências de operação, aplicáveis na inspeção de tubos de titânio similares aqueles instalados nos Condensadores da usina nuclear Angra I.

2. FUNDAMENTOS BÁSICOS O método de ensaio por correntes parasitas consiste em induzir, por meio de bobinas (sondas), correntes elétricas alternadas em materiais eletricamente condutores e observar sua interação [3], que é função:

• das características construtivas do elemento sensor; • das características geométricas do material testado; • das propriedades elétricas e magnéticas do material; • da frequência de teste.

Com este método é possível detectar a presença de descontinuidades existentes no material que venham a interferir no fluxo das correntes parasitas, através das variações da impedância complexa da(s) bobina(s) de teste. Por meio de processamento eletrônico específico, os sinais resultantes destas variações podem ser apresentados, na forma de figuras de Lissajous, em tubos de raios catódicos (TRC) ou monitores de vídeo de sistemas de ensaio computadorizados. Além de detectar a presença de descontinuidades, podem-se fazer avaliações de suas profundidades e classificá-las como internas ou externas à superfície em que se encontra a sonda de ensaio. No processo de análise podem ser utilizados critérios por amplitude ou fase dos sinais gerados [4]. As sondas utilizadas para a realização deste ensaio podem ter tipos e arranjos diferentes, que dependem da geometria da peça a ser examinada e dos tipos e características das descontinuidades passíveis de serem detectadas. Para o ensaio de tubos utilizados em trocadores de calor, as sondas podem ser classificadas, quanto ao arranjo, como diferenciais ou absolutas. Quanto ao tipo, podem ser externas (somente para ensaio de tubos soltos) ou internas. Na FIG.1 por ser observado o diagrama representativo de uma sonda diferencial interna, do tipo bobbin-coil, inserida num tubo, para a realização de um ensaio. Além da sonda de testes, é necessário utilizar-se tubos de referencia (padrões) para calibração.


Figura 1. Sonda diferencial interna tipo bobbin-coil.

Na Secção V – Artigo 8 – Apêndice 1 e 2 do Código ASME, encontram-se recomendações para promover a calibração do sistema de testes empregado na avaliação quantitativa das descontinuidades detectadas. Na FIG. 2 é apresentado o esquema construtivo de um tubo padrão em conformidade com este código. Na FIG. 3 pode-se observar o aspecto real de um tubo padrão de titânio usinado por meio de eletro-erosão.

Figura 2. Esquema construtivo de tubo um padrão ASME.

Figura 3. Aspecto real de um tubo padrão de calibração ASME.

Deslocando-se a sonda de testes através do tubo e havendo alguma descontinuidade, uma indicação correspondente, de forma característica, é formada na tela do equipamento de teste. Pode ser visto na FIG. 4, o registro de um sinal (figura de Lissajous) correspondente a um furo passante, presente num padrão ASME. Deve ser estabelecida uma frequência de operação, de forma que o sinal referente ao orifício passante faça um angulo aproximadamente 40 graus com o eixo horizontal. A defasagem entre os sinais referentes ao furo passante e os correspondentes aos furos de fundo plano de 20% de perda de espessura deve estar entre 50 e 120 graus.


Figura 4. Figura de Lissajous correspondente a um furo passante.

Adicionalmente, a amplitude mínima para o sinal dos furos de 20% deve ser de 30% da altura da tela (pico a pico). Completando este conjunto, a inclinação do sinal correspondente ao movimento da sonda (vibração) e/ou o sinal obtido do rasgo interno de 10% de perda de espessura deve ser ajustada para zero grau, por meio do controle de rotação de fase do equipamento de testes. A tolerância admitida é de 5º. Na FIG. 5 tem-se uma representação esquemática do processo de formação de figuras de Lissajous e valores de inclinações para sondas diferenciais.

Figura 5. Figuras de Lissajous e valores de inclinações conforme o código ASME.

Na FIG. 6 pode ser vista uma curva de avaliação típica, construída a partir dos valores de inclinação correspondentes às descontinuidades existentes no padrão de referencia ASME.


Figura 6. Curva de Avaliação Típica

3. DETERMINAÇÃO DE FREQUÊNCIAS DE OPERAÇAO

3.1 METODOLOGIA ANALÍTICA Pode-se determinar analiticamente o valor da frequência ótima de ensaio, fo. Para tanto, utiliza-se uma metodologia empírica [5], traduzida pela equação (1):

fo = 10ρ / W2 (1)

onde, fo é a frequência ótima (Hz); ρρρρ é a resistividade elétrica do material (µ.Ω.m); W é a espessura do revestimento (polegadas).

Para este trabalho, os objetos sob estudo são tubos de titânio, similares aqueles instalados nos condensadores da usina nuclear Angra 1. Seu diâmetro externo nominal vale 25,4 mm, sua espessura de parede 0,68 mm e a resistividade elétrica é de 6,52 . 10-7 Ω.m [6]. Para estes valores, a frequência ótima vale cerca de 340 kHz. 3.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL – ASME Apresenta-se na FIG. 7. duas telas do equipamento de testes utilizado no experimento [7], operando na frequencia de 200 kHz, com ganho 57 e rotação de fase 88º. A figura de Lissajous (a) corresponde ao furo passante. O valor medido da inclinação foi 34º. Já a figura de Lissajous (b) corresponde aos furos de 20%. O valor da inclinação foi 86º. Portanto, nesta


frequencia de operação, obteve-se uma diferença de 52º, valor que está em conformidade com o código ASME. Para freqüências menores que 200 kHz a diferença medida foi inferior a 50º.

(a) (b)

Figura 7. Figuras de Lissajous obtidas na frequência de 200 kHz. Apresenta-se na FIG. 8. duas telas do equipamento de testes recalibrado, operando na frequencia de 550 kHz, com ganho 53 e rotação de fase 47º. A figura de Lissajous (a) corresponde ao furo passante. O valor medido da inclinação foi 42º. Já a figura de Lissajous (b) corresponde aos furos de 20%. O valor da inclinação foi 160º. Portanto, nesta frequencia de operação, obteve-se uma diferença de 118º, valor que está em conformidade com o código ASME. Para freqüências maiores que 550 kHz a diferença medida foi superior a 120º.

(a) (b)

Figura 8. Figuras de Lissajous obtidas na frequência de 550 kHz.

4. CONCLUSÕES

Os experimentos realizados permitiram determinar os valores mínimo (200 kHz) e máximo (550 kHz) de freqüências de operação aplicáveis na inspeção de tubos de titânio, similares


aos instalados nos condensadores de Angra I, por meio do método de correntes parasitas, em conformidade com as recomendações do código ASME.

AGRADECIMENTOS Agradeço ao CDTN, na pessoa do Dr. Donizete A. Alencar, pela orientação e apoio constantes. Agradeço ainda ao Dr. Silvério F. Silva Junior, pela orientação específica e à FAPEMIG – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais, pela concessão de bolsa de iniciação científica.

REFERÊNCIAS 1. American Society for Nondestructive Testing, ElectromagneticTesting, v. 4, ASNT,

Columbus (2004). 2. American Society of Mechanical Engineers, ASME Boiler and Pressure Vessel Code,

Eddy Current Examination of Tubular Products, Section V, Article 8, Appendix I and II, ASME, New York, (1999).

3. Stegman D., Curso de Correntes Parasitas, ABENDE, São Paulo, 1987. 4. Alencar, D. A, Avaliação de Integridade de Revestimentos de Combustíveis de Reatores e

Pesquisa e Teste de Materiais Utilizando o Ensaio de Correntes Parasitas. Tese (Doutorado) – IPEN/USP, São Paulo (2004).

5. Soares, A. Aplicações das Correntes de Foucault na Detecção de Descontinuidades em

Tubos de Zircaloy, Dissertação (Mestrado) – UFMG, Belo Horizonte (1976). 6. Eddy Current Technology Inc., Resistivity of Materials Table, ECT, Virginia Beach

(2000). 7. Eddy Current Technology Inc., MAD-8D Operating Manual, ECT, Virginia Beach (2002).

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