lunedì 24 giugno 2024 · 0 min read
Monitoraggio di vibrazioni flusso-indotte di un fascio tubiero in uno scambiatore nucleare
Le vibrazioni indotte da flusso (FIVs) di fasci tubieri in scambiatori nucleari hanno notevole importanza nella progettazione e sicurezza dei reattori nucleari. Comprendere queste vibrazioni aiuta a ottimizzare le prestazioni del reattore e garantire l'integrità degli assemblaggi di combustibile nucleare. ISE e l'Agenzia Nazionale per le Nuove tecnologie, Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile (ENEA) hanno indagato sull'effetto delle FIV su un prototipo di nocciolo del reattore nucleare. Hanno indotto vibrazioni attraverso il flusso di piombo liquido ad alte temperature. Dewesoft ha fornito hardware e software per acquisire, digitalizzare e elaborare i dati di vibrazione provenienti da 24 estensimetri.
Il combustibile nucleare, noto anche come fuel bundle, è un insieme di barre di combustibile disposte in una configurazione specifica all'interno del nocciolo o nucleo del reattore nucleare. Ogni barra di combustibile nucleare è tipicamente costituita da un lungo e sottile tubo realizzato in lega di zirconio, riempito con pellet di combustibile nucleare. Questi sono generalmente composti da uranio arricchito o composti di plutonio.
Il fuel bundle svolge un ruolo cruciale nel funzionamento del reattore nucleare. Durante il funzionamento del reattore, la fissione all'interno dei pellet di combustibile genera calore. Questo calore produce vapore che aziona turbine per generare elettricità. La configurazione e la disposizione del fascio di combustibile all'interno del nucleo del reattore deve facilitare il trasferimento del calore, garantire la stabilità del reattore e controllare la reazione nucleare.
La Vibrazione Indotte da Flusso (FIV) si riferisce al fenomeno per il quale un flusso di fluido che passa attraverso una struttura induce vibrazioni su di essa. Queste vibrazioni possono verificarsi in vari sistemi, come pipeline, scambiatori di calore o componenti di reattori nucleari.
Le FIVs possono sorgere a causa di diversi fattori, tra cui la natura instabile del flusso di fluido, la turbolenza, gli effetti di interazione fluido-struttura e i fenomeni di risonanza. Quando la frequenza del flusso di fluido coincide con la frequenza naturale della struttura, può verificarsi la risonanza, portando a vibrazioni potenzialmente dannose.
Partners
ENEA è l'Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l'Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile. È un ente pubblico che promuove la ricerca e l'innovazione tecnologica e fornisce servizi avanzati alle imprese, alla pubblica amministrazione e ai cittadini nei settori dell'energia, dell'ambiente e dello sviluppo economico sostenibile.
Fondata nel 1997, ISE è una società di ingegneria elettronica specializzata in servizi di consulenza relativi all'affidabilità degli impianti e all'ingegneria della manutenzione, servizi tecnici nella manutenzione predittiva e nel monitoraggio delle condizioni, e attività di formazione e coaching correlate. La società si rivolge principalmente al mercato industriale, operando in molti settori diversi, tra cui oil & gas, chimico, petrolchimico, cemento, energia, alimentare e bevande, farmaceutico, ecc.
Per il mercato industriale e i produttori di apparecchiature originali (OEM), l'azienda offre anche servizi di ricerca e sviluppo relativi ai sistemi di acquisizione dati, IoT, database di serie temporali, algoritmi di machine learning e applicazioni complete basate su esigenze specifiche. ISE progetta e commercializza anche prodotti Twise® per attività di manutenzione predittiva, monitoraggio delle condizioni e test.
Setup sperimentale
Al fine di attenuare il fenomeno delle vibrazioni indotte dal flusso (FIVs), possono essere utilizzate strategie di progettazione appropriate, come meccanismi di smorzamento, la modifica della geometria della struttura o l'impiego di sistemi di isolamento delle vibrazioni. Gli ingegneri spesso utilizzano simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) e test sperimentali per analizzare e prevedere il comportamento delle FIVs nelle applicazioni ingegneristiche.
Le FIVs sono una preoccupazione significativa nella prototipazione e nell'assemblaggio dei reattori nucleari che utilizzano fasci tubieri. Quando il refrigerante fluisce attorno alle barre di combustibile all'interno del nucleo del reattore, può indurre vibrazioni nei componenti strutturali. Queste vibrazioni possono portare a vari problemi, tra cui la fatica, l'usura e potenziali danni al nucleo del reattore. Comprendere e mitigare le vibrazioni indotte è quindi un aspetto essenziale nella progettazione e nel funzionamento del reattore per garantire sicurezza ed efficienza.
Abbiamo condotto un esperimento per monitorare e misurare le FIVs su un prototipo di scambiatore nucleare, in cui un flusso di piombo liquido a una temperatura fino a 550°C induce vibrazioni. La parte del prototipo su cui è condotta la misura consiste in un fascio esagonale di 37 barre. Ogni barra è costituita da un tubo cilindrico cavo lungo 1,7 m pieno di pellet di carburo di tungsteno perforato per simularela presenza di combustibile nucleare.
La sezione di test, mostrata nella Figura 3, include inoltre flange di accoppiamento che collegano il fuel bundle al sistema di pompaggio del piombo. Una duck neck nella parte superiore della sezione di test consente ai cavi di strumentazione di uscire dalla porzione riempita di piombo e di collegarsi al sistema di acquisizione dati (DAQ).
Progettazione del Sistema di Monitoraggi
Il sistema di misurazione doveva monitorare le ampiezze e le frequenze dello spostamento della barra utilizzando un segnale grezzo proveniente da estensimetri installati adeguatamente nella sezione di test e consentire la valutazione dell'incertezza che caratterizza la misura. Abbiamo applicato un sistema composto da:
24x KYOWA KHC - estensimetri resistenti alle alte temperature
KRYPTON CPU rugged data-logger portatile e conforme allo standard IP67, insieme a un computer per l'elaborazione dati.
L'esperimento è condotto in un ambiente con condizioni molto impegnative: il sistema di monitoraggio deve sopportare alte temperature e pressioni, un ambiente corrosivo (flusso di piombo liquido), e i sensori devono essere installati in uno spazio limitato. I trasduttori comunemente usati nel monitoraggio delle vibrazioni, come gli accelerometri, non sono adatti per ambienti estremi, quindi abbiamo selezionato sottili estensimetri KYOWA KHC resistenti alle alte temperature. Gli estensimetri sono stati saldati sulle barre - vedere Figura 4.
Per misurare i modi di vibrazione generati dalle FIVs, abbiamo installato 24 SG su 4 barre (due triplette di SG per ciascuna barra), come mostrato nella Figura 5. Ogni punto di monitoraggio è stato selezionato per ottenere misure ottimali dell'ampiezza e della direzione delle oscillazioni delle barre.
Abbiamo identificato il sistema di acquisizione dati DEWESoft 8-channel SIRIUS® STGM a 8 canali come la migliore soluzione per acquisire e gestire i segnali provenienti dai 24 SG. DEWESoft SIRIUS® consente misurazioni ad alta risoluzione (delta-sigma a 24 bit) e rapporto segnale-rumore (con un rumore di fondo di 95 dB a una larghezza di banda di 100 kHz) fornendo un sistema modulare che permette di accorpare 3 dispositivi mantenendo la sincronizzazione dei dati. Inoltre, l'interfaccia EtherCAT® semplifica la connessione al PC (abbiamo scelto un PC industriale Intel NUC senza ventola fornito da FEC, con un processore I7 e 16 GB di RAM). La nostra soluzione è presentata nella Figura 6.
Abbiamo utilizzato il software integrato DEWESoftX per filtrare ciascun segnale, elaborare i dati e visualizzarli in una dashboard dedicata. Abbiamo acquisito i segnali a una frequenza di campionamento di 5 kHz, quindi abbiamo ridotto il rumore applicando un filtro passa basso a 30 Hz e mediando il risultato su finestre di tempo di 0,01 s.
Infine, abbiamo elaborato i segnali risultanti con due script personalizzati in C++, inclusi direttamente nel software Dewesoft.
Il primo script calcola la direzione della flessione e il raggio di curvatura della barra in ciascun punto di monitoraggio. Il secondo script utilizza queste informazioni per calcolare la deflessione totale della barra nella direzione trasversale. Inoltre, il sistema di monitoraggio permette di tracciare in tempo reale la deflessione trasversale di ciascuna barra. Ulteriori dettagli sul processo di elaborazione dei dati possono essere trovati in T. Rovai et al. (2023).
Fase sperimentale
Per testare il sistema di monitoraggio, abbiamo realizzato un banco di prova semplificato costituito da un tubo in alluminio strumentato con tre estensimetri disposti come quelli sulle barre di combustibile nucleare. Abbiamo posizionato gli estensimetri a metà della lunghezza del tubo per misurare il primo modo di vibrazione del tubo.
Abbiamo acquisito i segnali degli estensimetri utilizzando un Dewesoft KRYPTON® 3xSTG e abbiamo estrapolato l'ampiezza della deflessione trasversale della barra utilizzando gli stessi script in C++ sviluppati per la configurazione finale. Abbiamo quindi confrontato l'output con una misura da un trasduttore lineare analogico. Vi è stata una forte concordanza tra i risultati sperimentali e quelli attesi. Il banco di prova realizzato è mostrato in Figura 7.
La Figura 8 mostra la dashboard in DewesoftX mentre è in corso la registrazione di un test di urto eseguito sul banco di prova. Il sistema di monitoraggio registra le oscillazioni del tubo.
Il software elabora i segnali grezzi provenienti dagli estensimetri e li converte in una deflessione sugli assi x-y.
Abbiamo quindi testato i sistemi di monitoraggio sui fasci tubieri della sezione di test utilizzando un sistema di acquisizione dati Dewesoft SIRIUSie-8xSTGM.
Ancora una volta, abbiamo eseguito un test di sollecitazione per verificare la corretta direzione e deflessione, ottenendo dei risultati consistenti.
Utilizzando DewesoftX, abbiamo sviluppato un pannello di controllo finale che include i segnali misurati da ciascun estensimetro, la deflessione totale e una rappresentazione grafica della deflessione della barra negli assi x-y.
La Figura 9 mostra una registrazione video della dashboard configurata in DewesoftX durante un test di sollecitazione su una barra di combustibile.
Abbiamo assemblato il fascio di barre composto da 37 barre, di cui quattro barre strumentate con gli estensimetri. Vedere l'assemblaggio finale nella Figura 1.
Abbiamo verificato ancora una volta che i sensori fossero in grado di rilevare la deflessione della sezione di test per gravità. Abbiamo eseguito quest'ultimo test utilizzando lo stesso PC che abbiamo successivamente installato per l'esperimento del flusso di piombo. È importante notare che tutti questi test sono stati eseguiti a temperatura ambiente.
Conclusioni
In questo caso studio, abbiamo presentato un prototipo di nuclear core composto da una sezione di test formata da un fascio di 37 tubi.
Abbiamo strumentato quattro di queste tubi con sei estensimetri resistenti alle alte temperature per monitorare le vibrazioni indotte dal flusso e misurare la deflessione trasversale delle barre.
Abbiamo adottato il dispositivo Dewesoft SIRIUS DAQ per l'acquisizione dati a causa dei suoi vantaggi in termini di personalizzazione, accuratezza, risoluzione e stabilità. Abbiamo esteso le capacità del framework software DewesoftX con script in C++ per calcolare la deflessione delle barre dalle tensioni misurate dagli estensimetri, visualizzando i dati elaborati su una dashboard personalizzata.
Abbiamo testato il sistema su un banco di prova semplificato e sulle barre della sezione di test, confermando che soddisfa i requisiti sperimentali. Infine, abbiamo verificato di poter derivare l'ampiezza delle vibrazioni misurando la deformazione delle barre con un'incertezza ragionevole di circa il 10%.
Questi risultati misurati e analizzati sono stati presentati e pubblicati nel 2023 IEEE International Workshop on Metrology for Industry 4.0 & IoT.