MANEJO DEL ENVEJECIMIENTO DE CABLES de interés en la industria nuclear

Transcripción

1 El ININ hoy MANEJO DEL ENVEJECIMIENTO DE CABLES de interés en la indstria nclear Laboratorio de Calificación de Eqipo Por O. ederico Ramírez Noriega y Alejandro Santiago Ahedo, Departamento de Calificación y Verificación de la Calidad de Eqipos Introdcción 24 Contacto Nclear La posibilidad de acelerar el proceso de envejecimiento encentra s base teórica en algnos conceptos qe se expondrán brevemente en este apartado. Las reacciones qímicas y el envejecimiento Las propiedades qe caracterizan a las sstancias como s color, textra y flexibilidad, entre otras, son consecencia de la manera como se estrctran las partíclas moléclas o átomos- qe la constityen. Las partíclas se reacomodan cada vez qe les es posible bscando estrctras qe les permiten mantener el máximo eqilibrio posible consigo mismas y con el ambiente qe las rodea. El eqilibrio entre las partíclas y s entorno se alcanza cando contienen la menor cantidad de energía interna posible. Si na sstancia se mantiene en n ambiente inalterable, ss propiedades también permanecen sin cambio al transcrrir el tiempo. Sin embargo, esta circnstancia difícilmente se pede dar en la natraleza; lo característico de los ambientes natrales son las condiciones continamente cambiantes y esto implica n

2 estado permanente de realimentación de condiciones qe provoca qe las sstancias inflyan y modifiqen s ambiente al mismo tiempo qe éste inflye y modifica a las primeras. De todo esto se conclye qe la estrctra de las sstancias está sometida a modificaciones continas. Estas modificaciones llegan a ser significativas cando ocasionan cambios en las propiedades características de la sstancia y, cando este cambio ocrre, se dice qe la sstancia ha experimentado na reacción qímica. El envejecimiento acelerado consiste en provocar qe las reacciones qímicas qe sfren los materiales (lentos en forma natral) se realicen en intervalos mcho más cortos, casi tan cortos como se qiera. Esto permite verificar prácticamente el pronóstico de evolción qe segirán todas y cada na de las propiedades características de n material dado a condición de qe se conozca, con certeza, el valor de la energía de activación 1. La preba OIT, qe se expondrá más adelante, es ideal para esto. Aplicación en centrales ncleares Antecedentes Todas las centrales ncleoeléctricas reqieren licencia para operar, cya vigencia se encentra limitada y pede extenderse si, a jicio del órgano reglador, se cmple con na amplia gama de normas. Actalmente, las centrales núcleo- eléctricas están desarrollando las bases para la renovación de licencias a través de n macroproyecto aspiciando por el OIEA en el qe se están desarrollando 4 estdios piloto de sistemas, estrctras y componentes relacionados con la segridad de las plantas participantes. La Central Ncleoeléctrica de Lagna Verde (CLV) es joven; no obstante, ya trabaja en diversos aspectos como la preparación del apoyo técnico qe llegado el momento permita jstificar la renovación de licencia y con ello la extensión de vida de eqipos y componentes de la planta. Estos trabajos forman parte de la respesta qe la CLV da al PLIM Plan Life Managementimplementado por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Al igal qe la CLV, el ININ también se prepara; para ello, adapta y desarrolla métodos y procedimientos, así como infraestrctra, con el objetivo de estar involcrado y de participar en este proyecto qe tiene la Comisión ederal de Electricidad (C E). Para los estdios mencionados se está sigiendo la metodología del manejo del envejecimiento tilizado en algnas plantas en Eropa; de los resltados qe se obtengan, consideran qe será posible elaborar el Programa del manejo del envejecimiento (AMG, por las iniciales de Ageing Managment Programs). Esta metodología implica realizar estdios e investigaciones sobre la degradación de sistemas, estrctras y componentes provocada por el envejecimiento de los materiales a casa de las condiciones ambientales y de servicio. En particlar, el Laboratorio de Calificación y Verificación de la Calidad de Eqipos del ININ se prepara en lo relativo a las prebas y estdio del envejecimiento de cables. (1) La energía de activación se relaciona con la rapidez de desarrollo de la reacción qímica. Estrctras para envejecimiento de cables Contacto Nclear 25

3 Uno de estos estdios piloto está dirigido a los cables de instrmentación y a los de mediana y alta potencia. El motivo de tal atención es claro: bajo ningún motivo se pede poner en riesgo la segridad, y n elemento clave para esto es la integridad y fncionalidad de los cables eléctricos, esencialmente aqellos qe están relacionados con la fnción de la misma segridad de la central. Estdio del envejecimiento Con relación a los procesos propios del envejecimiento qe sfren los cables de na central ncleoeléctrica srgen tres temas específicos: a) definir los mecanismos de envejecimiento, b) comprender como ocrren éstos; y c) investigar métodos para mitigar ss consecencias. El Manejo del envejecimiento, en el caso específico de los cables, está orientado a los materiales orgánicos qe los integran y tiene por objetivo encontrar la respesta a los tres temas de interés señalados en el párrafo anterior: definir, comprender y mitigar. Evalación del envejecimiento Los cables contienen sstancias sensibles al medio qe las rodea y son ssceptibles a sfrir modificaciones de acerdo con las condiciones de s entorno. Entre los principales agentes ambientales qe alteran al cable se encentran la temperatra, la radiación, la hmedad y el oxígeno. La temperatra modifica el valor qe corresponde a la velocidad de reacción y, por lo tanto, se alteran las condiciones de eqilibrio. La radiación, la hmedad y el oxígeno provocan reacciones qímicas adicionales o diferentes, en los materiales qe integran al cable, principalmente los orgánicos. Las consecencias son cambios en las propiedades del cable, lo cal implica envejecimiento. Algnas de las propiedades más sobresalientes del material aislante de n cable y qe sfren las alteraciones propias del envejecimiento son: 26 Contacto Nclear la resistencia de aislamiento, la corriente de fga, el factor de disipación, la elongación de rptra, el módlo de elasticidad, las dimensiones, la densidad, la dreza shore, el tipo y concentración de antioxidante en el polímero y el tipo de polímero. Manejo del envejecimiento en planta Consiste en dar segimiento al proceso de cambio qe experimentan las variables anteriores. Se realiza típicamente por tres métodos: a) en el sitio (on going); b) con prebas en el laboratorio; y c) por monitoreo de la condición: a) El manejo del envejecimiento en planta se realiza con base en los resltados qe se obtienen al medir algnas de las variables - antes mencionadas- en n cable mestra, seleccionado de las mestras representativas de los cables instalados. Las mestras representativas selen ser trozos de cable qe se colocan cerca de éstos para mantenerlos en las mismas condiciones del sitio de instalación, y qe tienen la ventaja de estar libres para ser retirados en el momento en el qe se desee efectar la inspección o la medición, de cyos resltados se pronostica la condición qe debe tener el cable instalado. A intervalos preestablecidos se toma algna de las mestras representativas qe haya en el sitio de instalación y en ellas se miden variable en observación y 0 y 1 Gráfica 1. Aplicación del criterio de aceptación tiempo

4 todas o algnas de las propiedades antes mencionadas. Los resltados obtenidos se mestran en la gráfica 1. (página anterior), la cal ilstra la evolción típica qe experimenta, al paso del tiempo, algna propiedad del cable. Se pede seleccionar calqiera de las variables para hacer el segimiento, por ejemplo, la elongación. Cando el cable está nevo esta variable tiene n valor y 0 ; cando el cable deja de ser apto para realizar ss fnciones, la misma variable tiene ahora n nevo valor y 1, s valor límite. El intervalo entre y 0 y y 1 se divide en 100 partes y este es el valor de la variable qe se tiliza en el eje vertical de la gráfica 1. El criterio típico qe se aplica es retirar el cable de servicio cando el valor de la variable llega al 50 % del intervalo. Instalaciones del ININ para preba de accidente base de diseño se da a las variables se obtiene la evidencia qe sstenta los pronósticos respecto a la vida útil del cable,. c) El manejo del envejecimiento monitoreando la condición se realiza vigilando directamente el cable instalado en operación. Horno para envejecimiento térmico b) El manejo del envejecimiento en el laboratorio consiste en medir el valor de cada variable de interés, a diferentes niveles de envejecimiento. Para esto, es necesario dar envejecimiento acelerado a las mestras. Con ello es posible determinar anticipadamente cómo evolcionarán las propiedades monitoreadas. Este manejo tiene la ventaja de qe la propiedad qe se inspecciona se monitorea directamente en el espécimen real, el qe efectivamente realiza el trabajo, y no implica extrapolaciones, sposiciones ni pronósticos Este manejo es my laborioso, ya qe implica dar segimiento a cada variable en particlar. Con base en el segimiento qe Cable prototipo para prebas de envejecimiento Contacto Nclear 27

5 realizados con base en otro espécimen: Así, por ejemplo, se pede detectar corrosión, grietas o conexiones flojas en el cable instalado. No obstante, este manejo tiene la desventaja de limitar significativamente las opciones de monitoreo qe se peden realizar sobre el espécimen. Por ejemplo, si se retira el cable instalado se sspende la operación; no se peden hacer prebas destrctivas con el cable; es my limitado el tamaño de mestra qe se pede tomar del espécimen porqe na mestra grande altera ss dimensiones; además, en mchas ocasiones es difícil tener acceso al cable. cable. Tampoco el interior de la central es el mejor lgar para realizar la medición. Por otra parte, realizar la medida en na mestra seleccionada de los tramos de cable libre qe hay jnto a los qe trabajan, podría dar resltados con nivel de incertidmbre no satisfactorio debido, entre otras cosas, a qe la temperatra del cable en fnciones no necesariamente es igal a la del cable de referencia y, por lo mismo, el nivel de envejecimiento no es igal. El manejo de envejecimiento se desarrolla simltáneamente dentro de la central ncleoeléctrica y en los laboratorios qe apoyan esta actividad. La preba OIT: apoyo al AMP La preba OIT (Oxidation Indction Time) es na de las diversas aplicaciones de la calorimetría de barrido diferencial. Los cables nevos contienen na cierta cantidad de agente antioxidante qe va gastándose como consecencia de las diferentes reacciones de oxidación qe sfre el material orgánico del cable por la acción del ambiente. Así, medir la cantidad residal de agente antioxidante eqivale a medir el nivel de envejecimiento del cable. En la imagen de abajo se mestra n eqipo qe se tiliza en el ININ para medir elongación. Es obvio qe si se necesita medir esta propiedad no se pede hacer en el material aislante de n cable qe está instalado y operando. La medición se realiza de manera indirecta, pes no es posible llevar este eqipo a las entrañas de la central ncleoeléctrica, ni se pede tomar la mestra qe se necesita sin inhabilitar al Eqipo para prebas de tensión-elongación La preba OIT ofrece la posibilidad de inferir, con n alto nivel de confianza, los valores de todas las variables a partir de na mestra tomada directamente del espécimen original. Para esto es necesario tomar na mestra del aislante del cable instalado no mayor a 10 miligramos y, con base en el resltado obtenido, establecer la correspondencia de dicha OIT con los valores de cada propiedad para ese material en particlar. Para qe la correspondencia tenga fndamento válido es necesario realizar las prebas qe permitan jstificar la correspondencia entre los diferentes valores de OIT y el valor correspondiente a cada propiedad. Un bosqejo de cómo establecer esta correspondencia es: a) determinar los valores qe tiene cada variable en cables nevos; b) determinar el OIT de los cables nevos; 28 Contacto Nclear

6 Prebas por desarrollar La preba OIT está plenamente aceptada. Existe en el ININ el potencial para desarrollar prebas adicionales qe complementen o sstityan, parcialmente, a la preba OIT tilizando, por ejemplo, infrarrojo, microscopía electrónica de barrido o difractometría. Calorímetro diferencial de barrido para determinación de OIT c) envejecer aceleradamente, diferentes lotes de cables. Cada lote se envejece n año, cinco años, veinte años, etcétera; y d) a cada lote envejecido se le determina el valor de cada na de ss variables y se le mide s OIT. La preba OIT se realiza por el método DSC (Differential Scanning Calorimetry) y consiste en obtener n termograma del material nevo y comparar con el termograma obtenido a partir del material sado o a partir de material qe ha sido envejecido en forma acelerada. La sigiente imagen corresponde a n calorímetro típico. El nivel de envejecimiento, o bien, el nivel de degradación con respecto al valor de las propiedades originales está directamente relacionado con la proporción qe gardan las líneas base del termograma como se pede apreciar en la sigiente figra. T aislante sado aislante nevo CONCLUSIONES El ININ está desarrollando ss recrsos para tener la capacidad qe reqiere la C E en la Central Ncleoeléctrica Lagna Verde para implantar el Programa de administración del envejecimiento de cables qe dará fndamento y servirá para jstificar la extensión de vida de ss nidades. A la fecha, el grpo de calificación de eqipo del ININ, con apoyo del grpo de sistemas electrónicos, está realizando estdios de envejecimiento con cables prototipo de la CLV para extensión de vida a 60 años y está analizando información técnica de actalidad para enfocar las principales tareas del programa del manejo del envejecimiento de la Central. i Referencias K. Thoma «Aging Management of I&C cables, low voltage power cables, medim voltage cables», proceedings for the workshop schedle on Cable Ageing Programs for LVNPP, Janary , Veracrz, México. G. Toman «Aging Management Process», proceedings for the workshop schedle on Cable Ageing Programs for LVNPP, Janary , Veracrz, México. P. antoni «Qalification of safety related cables», proceedings for the workshop schedle on Cable Ageing Programs for LVNPP, Janary , Veracrz, México. EPRI TR , inal Report, «Redction of Oxidation Indction Time Testing to Practice as a Life Assessment Techniqe for Cable Inslation», Prepared by University of Virginia, Charlottesville, Virginia, USA. D «Standard Test Method for Oxidative-Indction Time of Polyolefins by Differential Scanning Calorimetry», American Society for Testing and Materials. C. R. Arganis, A. Díaz, J.A. Agilar «Evalación de la integridad y extensión de vida de la planta nclear Lagna Verde. Programa de Manejo de Vida de Planta», Contacto Nclear, No. 44, septiembre 2006, p t Gráfica 2. Termograma para OIT 1 Ver Cinética Qímica. Variación de la Constante de Eqilibrio con la Temperatra. Contacto Nclear 29