lunes, 24 de junio de 2024 · 0 min read
Monitoreo de vibraciones inducidas por flujo (FIV) en un conjunto de pines nucleares
Las vibraciones inducidas por el flujo (FIV) en conjuntos de barras de combustible son críticas en el diseño y la seguridad de reactores nucleares. Comprender estas vibraciones ayuda a optimizar el rendimiento del reactor y garantizar la integridad de los conjuntos de combustible nucleares. ISE y la Agencia Nacional de Energía de Italia, ENEA, investigaron el efecto de las FIV en un núcleo nuclear prototipo. Indujeron vibraciones a través del flujo de plomo líquido a altas temperaturas. Dewesoft suministró hardware y software para adquirir, digitalizar y procesar datos de vibración de 24 extensómetros.
Un conjunto de pines nucleares, también conocido como un haz de combustible, es una colección de varillas de combustible nuclear dispuestas en una configuración específica dentro del núcleo de un reactor nuclear. Cada varilla de combustible nuclear típicamente consiste en un tubo largo y delgado hecho de un material, como una aleación de circonio, lleno de pastillas de combustible nuclear. Estas pastillas suelen estar compuestas de compuestos de uranio enriquecido o plutonio.
El conjunto de pines nucleares desempeña un papel crucial en el funcionamiento de un reactor nuclear. Durante la operación del reactor, la fisión dentro de las pastillas de combustible genera calor. Este calor puede producir vapor, que impulsa turbinas para generar electricidad. La configuración y disposición de los haces de combustible dentro del núcleo del reactor facilitan una transferencia de calor eficiente, mantienen la estabilidad del reactor y controlan la reacción nuclear.
La vibración inducida por el flujo (FIV) se refiere al fenómeno en el que el flujo de fluido al pasar por una estructura induce vibraciones en esa estructura. Estas vibraciones pueden ocurrir en varios sistemas de ingeniería, como tuberías, intercambiadores de calor o componentes de reactores nucleares.
La FIV puede surgir debido a varios factores, incluyendo la naturaleza no estacionaria del flujo de fluido, la turbulencia, efectos de interacción fluido-estructura y fenómenos de resonancia. Cuando la frecuencia del flujo de fluido coincide con la frecuencia natural de la estructura, puede producirse resonancia, lo que conlleva vibraciones potencialmente dañinas.
Los socios
ENEA es la Agencia Nacional para Nuevas Tecnologías, Energía y Desarrollo Económico Sostenible. Es un organismo público que promueve la investigación y la innovación tecnológica, y ofrece servicios avanzados a empresas, administraciones públicas y ciudadanos en los sectores de energía, medio ambiente y desarrollo económico sostenible.
Fundada en 1997, ISE es una empresa de sistemas de ingeniería electrónica especializada en servicios de consultoría relacionados con la confiabilidad de instalaciones y la ingeniería de mantenimiento, servicios técnicos en mantenimiento predictivo y monitoreo de condiciones, y actividades de capacitación y asesoramiento relacionadas. La empresa se enfoca principalmente en el mercado industrial, operando en diversos sectores como petróleo y gas, química, petroquímica, cemento, energía, alimentos y bebidas, farmacéutica, entre otros.
Para el mercado industrial y los fabricantes de equipos originales (OEM), la empresa también ofrece servicios de investigación y desarrollo relacionados con sistemas de adquisición de datos, IIoT, bases de datos de series temporales, algoritmos de ML, y aplicaciones completas basadas en necesidades específicas. ISE también diseña y comercializa productos Twise® para mantenimiento predictivo, monitoreo de condiciones y actividades de pruebas.
El montaje experimental
Comprender y mitigar las vibraciones inducidas por el flujo (FIV, por sus siglas en inglés) puede implicar el uso de estrategias de diseño adecuadas, como mecanismos de amortiguación, alterar la geometría de la estructura o emplear técnicas de aislamiento de vibraciones. Los ingenieros a menudo utilizan simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) y pruebas experimentales para analizar y predecir el comportamiento de las FIV en aplicaciones de ingeniería.
Las FIV son una preocupación significativa en el prototipo y ensamblaje de reactores nucleares que utilizan conjuntos de varillas de combustible. A medida que el refrigerante fluye alrededor de las varillas de combustible dentro del núcleo del reactor, puede inducir vibraciones en los componentes estructurales. Estas vibraciones pueden provocar varios problemas, incluyendo fallos por fatiga, desgaste y posibles daños al núcleo del reactor. Comprender y mitigar las FIV son aspectos esenciales del diseño y la operación del reactor para garantizar la seguridad y eficiencia.
Diseñamos un experimento para monitorear las FIV en un prototipo de núcleo nuclear, donde el flujo de plomo líquido a una temperatura de hasta 550°C induce vibraciones. La parte central del prototipo consta de una sección de prueba, que incluye un conjunto hexagonal de 37 varillas. Cada varilla es un tubo cilíndrico hueco de 1,7 m de largo lleno de pellets perforados de carburo de tungsteno, que simulan la presencia de combustible nuclear.
La sección de prueba, mostrada en la Figura 3, incluye además bridas de acoplamiento que conectan la sección de prueba al sistema de bombeo de plomo. Un cuello de cisne en la parte superior de la sección de prueba permite que los cables de instrumentación salgan de la porción llena de plomo y se conecten al sistema de adquisición de datos (DAQ).
Diseño del sistema de monitoreo
El sistema de medición debía monitorear las amplitudes y frecuencias del desplazamiento de las varillas utilizando una señal en bruto de galgas extensiométricas adecuadamente instaladas en la sección de prueba, permitiendo también la evaluación de la incertidumbre que caracteriza la cadena de medición. Aplicamos un sistema compuesto por:
24 galgas extensiométricas resistentes a la temperatura KYOWA KHC.
3 sistemas de adquisición de datos modulares Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM de 8 canales.
KRYPTON CPU, un registrador de datos portátil y robusto con clasificación IP67 y computadora de procesamiento de datos.
Software de adquisición de datos DewesoftX para filtrado de señales, procesamiento de datos y visualización.
El experimento presenta condiciones muy desafiantes: el sistema de monitoreo debe soportar alta temperatura y presión, un entorno corrosivo (plomo líquido en flujo), y los sensores deben instalarse en un espacio limitado. Los transductores comúnmente utilizados en el monitoreo de vibraciones, como los acelerómetros, no son adecuados para entornos extremos, por lo que seleccionamos las galgas extensiométricas delgadas y resistentes a la temperatura KYOWA KHC. Las galgas extensiométricas fueron soldadas por puntos en las varillas, como se muestra en la Figura 4.
Instalamos las 24 galgas extensiométricas en cuatro varillas, con dos tríos de galgas por cada varilla, para capturar los modos FIV, como se muestra en la Figura 5. Seleccionamos cada punto de monitoreo para obtener mediciones óptimas de amplitud y dirección de las oscilaciones de las varillas.
Identificamos la adquisición de datos de 8 canales Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM como la mejor solución para adquirir y manejar las señales de los 24 sensores de galgas extensiométricas. SIRIUS DAQ permite mediciones de alta resolución (delta-sigma de 24 bits) y una relación señal-ruido (con un nivel de ruido de 95 dB a un ancho de banda de 100 kHz), proporcionando un sistema modular que permite apilar tres dispositivos manteniendo una perfecta sincronización de datos entre canales.
La interfaz EtherCAT® simplifica la conexión con la PC. Elegimos una PC industrial Intel NUC sin ventilador con un procesador I7 y 16 GB de RAM. Vea nuestra solución en la Figura 6.
Utilizamos el software de adquisición de datos DewesoftX incluido para filtrar cada señal, procesar los datos y visualizarlos en un panel dedicado. Adquirimos las señales a una tasa de muestreo de 5 kHz, luego reducimos el ruido aplicando un filtro pasa bajo a 30 Hz y promediando el resultado en ventanas de 0.01 s.
Finalmente, elaboramos las señales resultantes con dos scripts personalizados en C++, que se incluyen directamente en el software DewesoftX.
El primer script calcula la dirección de la flexión y el radio de curvatura de la varilla en cada punto de monitoreo. El segundo script utiliza esta información para calcular la deflexión total de la varilla en la dirección transversal. Por lo tanto, el sistema de monitoreo resultante es un rastreador en tiempo real de la deflexión transversal de cada varilla. Puede encontrar más detalles sobre el procesamiento de datos en T. Rovai et al. (2023).
El experimento
Para probar el sistema de monitoreo, realizamos un banco de pruebas simplificado que consistía en un tubo de aluminio instrumentado con tres galgas extensiométricas (SGs) dispuestas en configuración de tríada, al igual que las SGs en las varillas nucleares. Sellamos las SGs a la mitad de la longitud del tubo para capturar el primer modo de vibración del tubo.
Adquirimos las señales de las SG utilizando un Dewesoft KRYPTON® 3xSTG y extrapolamos la amplitud de deflexión transversal de la varilla utilizando los mismos scripts en C++ desarrollados para la configuración final. Luego comparamos el resultado con una medición de un transductor analógico de desplazamiento lineal. Hubo una fuerte concordancia entre los resultados experimentales y los esperados. Vea el banco de pruebas en la Figura 7.
La Figura 8 muestra el panel de control de DewesoftX registrando una prueba de impacto realizada en el banco de pruebas. El sistema de monitoreo captura las oscilaciones del tubo. El software elabora las señales en bruto de la tríada de SG y las convierte en una deflexión en el eje x-y.
Luego probamos los sistemas de monitoreo en las varillas de combustible de la sección de prueba utilizando un sistema de adquisición de datos Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM. Una vez más, realizamos pruebas de impacto para verificar la reconstrucción correcta de la dirección y la amplitud de la flexión, y encontramos resultados consistentes. Usando DewesoftX, desarrollamos un panel de control final que incluía las señales medidas por cada tríada de galgas extensiométricas, la deflexión total y una representación gráfica de la deflexión de la varilla en el eje x-y. La Figura 9 muestra una grabación en video del panel de control durante una prueba de impacto en una varilla de combustible.
Montamos el conjunto de varillas que consta de 37 varillas, con cuatro de ellas instrumentadas con las galgas extensiométricas. Vea el ensamblaje final en la Figura 1.
Verificamos una vez más que los sensores podían detectar el movimiento al doblar la sección de prueba por gravedad. Realizamos esta última prueba utilizando la misma PC que instalamos posteriormente para el experimento con flujo de plomo. Es importante señalar que todas estas pruebas se llevaron a cabo a temperatura ambiente.
Conclusión
El experimento real con plomo líquido aún no se ha realizado. Sin embargo, en este artículo presentamos la realización de un prototipo de núcleo nuclear que consta de una sección de prueba con un conjunto de 37 varillas. Instrumentamos cuatro de estas varillas con seis galgas extensiométricas resistentes a la temperatura cada una para monitorear las vibraciones inducidas por el flujo y medir la deflexión transversal de las varillas.
Adoptamos el dispositivo de adquisición de datos Dewesoft SIRIUS debido a sus ventajas en personalización, precisión, resolución y estabilidad. Ampliamos las capacidades del software DewesoftX con scripts en C++ para calcular la deflexión de las varillas a partir de las deformaciones medidas por las galgas extensiométricas, visualizando los datos procesados en un panel personalizado de DewesoftX.
Probamos el sistema en un banco de pruebas simplificado y en las varillas de la sección de prueba, confirmando que cumple con los requisitos experimentales. Finalmente, verificamos que podemos derivar la amplitud de vibración a partir de la medición de la deformación de las varillas con una incertidumbre razonable de alrededor del 10%.
Estos resultados medidos y analizados fueron presentados y publicados en el 2023 IEEE International Workshop on Metrology for Industry 4.0 & IoT