ENSAYOS DE VIBRACIONES E IMPACTO PARA LA CALIFICACIÓN SÍSMICA DE MÓDULOS DE CONTROL Y SENSORES DE NIVEL DESTINADOS A INSTALACIONES NUCLEARES

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1 ENSAYOS DE VIBRACIONES E IMPACTO PARA LA CALIFICACIÓN SÍSMICA DE MÓDULOS DE CONTROL Y SENSORES DE NIVEL DESTINADOS A INSTALACIONES NUCLEARES Ing. Lingeri, Sergio Darío - Arévalo, Mariano Ariel Comisión Nacional de Energía Atómica San Martín, Buenos Aires, 1650, Argentina, Tel Fax lingeri@cnea.gov.ar - marevalo@cnea.gov.ar RESUMEN: En el presente trabajo se exponen los procedimientos y ensayos realizados sobre diferentes Módulos de Control y Sensores de Nivel para su calificación Sísmica. Dicha calificación requiere ensayos dinámicos del tipo Barrido Sinusoidal e Impactos de Alto Nivel de acuerdo al estándar IEEE-344, en las tres direcciones principales de excitación según el sistema de coordenadas adoptado, verificando su correcto funcionamiento antes y después de cada ensayo. ANTECEDENTES Por solicitud de la Subgerencia de Instrumentación y Control del Centro Atómico Ezeiza, se sometió a un Sensor de Nivel del Tanque de Boro y a un conjunto de Módulos de Control electrónicos (Amplificador de Ganancia Variable, Amplificador de Aislación de Tres Canales, Adaptador de Transmisores y Radicador, Amplificador y Filtro de Ruido Neutrónico) de las centrales nucleares Atucha I, Atucha II y Embalse, a ensayos de vibraciones sinusoidales extremas, Impactos y Movimientos Sísmicos, simulando las condiciones dinámicas presentes en estos fenómenos mediante la utilización de un EEV (Excitador Electrodinámico de Vibraciones), basado en lo expuesto en las normas IEEE-344. Se describe la implementación y ejecución de las mediciones de vibración realizadas sobre los componentes mencionados y las características de los equipamientos utilizados pertenecientes a las facilidades de la División Estudio y Ensayo de Componentes Estructurales. EQUIPAMIENTO UTILIZADO Para realizar dichos ensayos se utilizó un EEV (Excitador Electrodinámico de Vibraciones) marca TIRA vib Type TV 51000/LS-340, el cual cuenta con una capacidad máxima de 11 KN, un ancho de banda útil entre Hz y un

2 desplazamiento máximo de 50.8 mm pico a pico, como se observa en la Figura 1. Figura 1. EEV con el sistema de adquisición y control del mismo. El sistema de adquisición de datos que permiten relevar las señales de aceleración y controlar los movimientos de base del EEV son los siguientes: Driver VRC CHs. Software Vibration View de VRC. Computadora equipada con software de Control y adquisición de señales. Amplificador y acondicionador de señales. Cuatro acelerómetros miniatura. 1 Acelerómetro Bruel & Kjaer Type 4370 serie: (99.09 pc/g) Todos los instrumentos fueron contrastados contra una cadena de medición de vibraciones, calibrada en el Depto. de Física del Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), que se usa en la División EECE como patrón secundario. Descripción de Adaptadores de Ensayo Debido a las características geométricas de los distintos módulos de control ensayados y la necesidad de reproducir las fijaciones reales en condición de funcionamiento normal, se utilizaron un conjunto de dispositivos adaptadores como los mostrados en la Figura 2. Estos permiten la fijación al EEV para realizar los ensayos mecánicos y generar la transferencia de aceleración necesaria en las tres direcciones principales X, Y, Z según el sistema de coordenadas adoptado.

3 Dichos dispositivos fueron ensayados previamente, aplicando un LLSS (Barrido Senoidal de Bajo Nivel) detallado en la Tabla I, el cual permite caracterizar el comportamiento dinámico de éstos, verificando si existen resonancias dentro del rango de ensayos que modifiquen la transferencia de aceleración entre el EEV y el componente a ensayar. Tabla I. Barrido Senoidal de Bajo Nivel. (LLSS) Amplitud 0 a pico Rango de frecuencias Velocidad de barrido 0.2 G 5 a 2000 Hz 2 Oct/min Figura 2. Modelos a ensayar sobre sus respectivos dispositivos de montaje, vinculados a la Slip Table. Figura 3. Módulo de control vinculado a su dispositivo adaptador sobre el Head Expander.

4 En el caso del dispositivo de montaje (DM) utilizado para el sensor de nivel de tanque de boro, se realizó un modelo FEM del mismo para predecir los niveles de aceleración que serían alcanzados durante los distintos ensayos. Dada la considerable masa del sistema a ensayar, y el nivel de cargas aplicado, es de vital importancia asegurar que los valores de esfuerzos obtenidos en los tornillos de vinculación del DM a la Slip Table y al Head Expander no superan los admisibles para cada tipo de ensayo. Por lo tanto, dicho FEM se ajustó a los valores experimentales de frecuencia y amplitud obtenidos durante los LLSS en cada dirección, asegurando una caracterización completa de todo el sistema colocado sobre el EEV y evitando posibles daños a los insertos de vinculación del Head Expander y la Slip Table. Figura 4. FEM Soporte de Sensor de Nivel del Tanque de Boro. El FEM del DM destinado a utilizarse en el sensor de boro, se realizó con un mallado de elementos sólidos tetraédricos (Figura 4). Los tornillos de vinculación se modelaron empleando elementos de viga de orden lineal (2 nodos). Dichos elementos de viga se vincularon en un extremo mediante arañas rígidas al modelo del soporte y en su otro extremo se le aplicaron las condiciones de borde y la aceleración de entrada del sistema entregada por el Shaker (Figura 5).

5 Figura 5. Elementos de viga representando las uniones a la Slip Table. Sobre el FEM se realizaron 2 análisis: Respuesta en frecuencia para los barridos senoidales y respuesta temporal para los ensayos de Shock. En ambos casos se utilizó el método de superposición modal y una relación de amortiguamiento crítico del 2.5%. Los resultados de dichos análisis se mostraran posteriormente comparando la respuesta en frecuencia calculada mediante FEM y la obtenida mediante el sistema de adquisición de datos. INSTRUMENTACION Durante los ensayos de LLSS se utilizaron cuatro canales de medición, uno de control y tres de adquisición. Para garantizar una excitación uniforme se controló el movimiento del EEV desde el Head Expander o la Slip Table (según el eje de excitación) con un solo canal de medición (Canal 1) y los restantes (Canales 2,3 y 4) como adquisición de señales en posiciones distantes sobre cada DM (Figuras 6 y 7). De esta manera fue posible obtener los espectros de aceleración a los que fueron sometidos los distintos componentes. Teniendo en cuenta que el rango de frecuencias a ensayar está comprendido entre 5 y 110 Hz, se analizó el comportamiento dinámico de cada DM, resultando que éstos se comportan rígidamente por lo que se garantiza que la excitación generada por el EEV se transmitirá sin modificaciones significativas al componente a ensayar.

6 Figura 6. Sensor de Nivel del Tanque de Boro vinculado a su dispositivo adaptador sobre la Slip Table. Figura 7. Sensor de Nivel del Tanque de Boro vinculado a su dispositivo adaptador sobre el Head Expander. DESARROLLO DE LAS TAREAS De acuerdo a la norma IEEE-344 y cumpliendo con los Protocolos de Ensayo preestablecidos, se establecen tres tipos de ensayos diferentes: Ensayos de vibraciones Sinusoidales de Alto Nivel (HLSS Evaluación de cargas de tipo Sísmicas) en las tres direcciones principales. Ensayos de Impacto (Shock Respuesta ante un Impacto de gran aceleración) en las tres direcciones principales. Verificaciones Funcionales Pre y Post ensayo.

7 Los parámetros y magnitudes de ensayo se presentan a continuación: Ensayo HLSS A B Tabla II. Barrido Senoidal de Alto Nivel. (HLSS) Placas electrónicas Frecuencia Aceleración Amplitud Vel. de Barrido (Hz) (G) (mm) (Oct/min) 5 a a a a Duración (Ciclos) C 55 a Ensayo HLSS Tabla III. Barrido Senoidal de Alto Nivel. (HLSS) Sensor Frecuencia Aceleración Amplitud Vel. de Barrido (Hz) (G) (mm) (Oct/min) Duración (Ciclos) A 5 a B 15.7 a Tabla IV. Niveles de Shock Tiempo Aceleración Duración Forma (mseg) (G) (Ciclos) Half Sine Una vez configurados los perfiles en el software de control del EEV, se procedió a realizar los ensayos en cada una de las tres direcciones principales X, Y, Z, completando en su totalidad la secuencia preestablecida sin evidenciar fallas estructurales de ningún componente. RESULTADOS OBTENIDOS A continuación se muestran en las Figuras 5, 6 y 7 los resultados obtenidos durante los ensayos.

8 Figura 8. Ensayo B HLSS sobre las tres placas respuesta eje X. Figura 9. Ensayo B HLSS sobre las tres placas respuesta eje X. Figura 10. Ensayo B HLSS sobre las tres placas respuesta eje Z.

9 Figura 11. Ensayo de Shock sobre las tres placas en el eje X. Figura 12. Ensayo de Shock sobre las tres placas en el eje Y. Figura 13. Ensayo de Shock sobre las tres placas en el eje Z.

10 Figura 14. Ensayo B sobre el Sensor de Tanque de Boro en el eje X. Figura 15. Ensayo B sobre el Sensor de Tanque de Boro en el eje Y. Figura 16. Ensayo B sobre el Sensor de Tanque de Boro en el eje Z.

11 Figura 17. Ensayo de Shock sobre el Sensor de Tanque de Boro en el eje X. Figura 18. Ensayo de Shock sobre el Sensor de Tanque de Boro en el eje Y. Figura 19. Ensayo de Shock sobre el Sensor de Tanque de Boro en el eje Z. Los resultados de aceleración calculados a partir de la respuesta en frecuencia del FEM se muestran a continuación para el barrido senoidal del

12 ensayo B. Se puede ver claramente que los niveles de amplificación son muy similares a los obtenidos en forma experimental durante el ensayo del sensor de boro (Figura 20). Figura 20. Niveles de aceleración calculados por FEM para el soporte del sensor de boro. Como se mencionó anteriormente se realizó el cálculo de los esfuerzos que aparecen sobre los elementos de viga que representan los tornillos de vinculación. En la Figura 21 se muestran los resultados de fuerza axial para el ensayo B del sensor de boro, sobre los elementos de viga más solicitados. Como se puede ver, se alcanzan valores de 10000N sobre uno de los tornillos M8 y su correspondiente inserto sobre la Slip Table. Figura 21. Niveles de carga axil calculados por FEM para los tornillos del soporte. Por otro lado se realizó también un análisis de respuesta temporal como se dijo anteriormente para validar el FEM en el ensayo de Shock (Figura 22)

13 Figura 22. Niveles de aceleración calculados por FEM para el soporte del sensor de boro durante el ensayo de Shock. CONCLUSIONES Los DM utilizados durante los ensayos dinámicos, transmiten las aceleraciones impuestas en la base del EEV de forma "rígida" a los componentes a ensayar, sin generar amplificaciones significativas dentro del rango de ensayos. Se logró someter al conjunto de módulos electrónicos y al sensor de tanque de boro a los ensayos de vibraciones sinusoidales extremas, Impactos y Movimientos Sísmicos en las tres direcciones principales X, Y, Z, observando a simple vista, que el componente ensayado, no sufrió daños tales como roturas, ni fisuras visibles aun en los ensayos de impacto con 50 g de aceleración en el eje Z. Los dispositivos electrónicos se mantuvieron fijos a su dispositivo de montaje durante la totalidad de los ensayos. Las pruebas funcionales fueron realizadas por el grupo del centro atómico Ezeiza de los distintos módulos de electrónica y en el sensor de boro previo y post ensayos. Con dichas mediciones se verificó la correcta funcionalidad de todos los componentes, sin observar cambios significativos, con lo cual se considera que aprueban adecuadamente los ensayos mecánicos que establece la norma para componentes nucleares sometidos a cargas sísmicas. Los resultados experimentales se condicen muy bien con la aproximación lograda en los cálculos por FEM, con lo cual se logró obtener un modelo validado para el DM del sensor de boro tanto en respuesta en frecuencia como en respuesta temporal.