Demontarea Jonctiunilor Mandrinate Prin Încălzire CU Curenti Turbionari
UNIVERSITATEA DIN PITEȘTI
FACULTATEA DE ȘTIINȚE
DOMENIUL DE STUDII DE LICENȚĂ INGINERIA MEDIULUI
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT ZI
PROIECT DE DIPLOMĂ
COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Prof. univ. dr. ing. ȘERBAN VALECA
ABSOLVENT
SAVU LAURA
PITEȘTI
(2016)
UNIVERSITATEA DIN PITEȘTI
FACULTATEA DE ȘTIINȚE
DOMENIUL DE STUDII DE LICENȚĂ INGINERIA MEDIULUI
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT ZI
DEMONTAREA JONCȚIUNILOR MANDRINATE PRIN ÎNCĂLZIRE CU CURENȚI TURBIONARI
COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Prof. univ. dr. ing. ȘERBAN VALECA
ABSOLVENT
SAVU LAURA
PITEȘTI
(2016)
Cuprins:
INTRODUCERE 3
Capitolul 1. PREZENTARE GENERALĂ 6
1.1Canalul combustibil al reactorului nuclear de tip CANDU 6
1.2 Considerații generale asupra joncțiunilor mandrinate 10
1.3 Demontarea joncțiunilor mandrinate prin încălzire cu curenți turbionari 14
Capitolul 2. PREZENTARE TEHNOLOGIE DE DEMANDRINARE 18
2.1 Analiza condițiilor tehnologice de demontare a joncțiunii mandrinate tub presiune fiting terminal și stabilirea funcțiunilor echipamentului 18
2.2 Configurare soluție tehnologică.Dimensionare-calcul preliminar 21
Capitolul 3. IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI 34
Capitolul 4. CALCULE PRIVIND DIMENSIONAREA INDUCTORULUI 40
CONCLUZII 48
Bibliografie: 50
INTRODUCERE
Considerând faptul că din exploatarea unităților nucleare rezultă deșeuri cu diferite grade de radioactivitate, politicile în domeniul nuclear au la bază principiul minimizării impactului radiațiilor ionizante asupra mediului ambiant și a persoanelor prin prioritizarea procedeelor de reciclare și de reutilizare.
În România, la Cernavodă, se află în funcțiune 2 reactoare realizate după conceptul CANDU 600-PHWR (CANadian Deuterium Uranium 600 – Pressurized Heavy Water Reactor) al căror aport la mixul energetic național este de 18%. Acest tip de reactor folosește drept combustibil uraniul natural, fiind moderat cu apă grea (D2O) și are drept caracteristică utilizarea canalului combustibil cu rolul de a conține și de a dirija debitul de agent de răcire peste combustibil în scopul preluării căldurii produse în urma reacțiilor de fisiune.
Reactorul de tip CANDU este proiectat să funcționeze timp de 40 de ani la o capacitate de operare de 90%, însă anumite elemente, precum tubul de presiune ce intră în componența ansamblului canal combustibil, sunt supuse unor solicitări ce conduc la reducerea duratei de viață prestabilită în faza de proiectare ce pot duce la necesitatea înlocuirii lor, comparativ cu alte filiere de reactoare ce sunt realizate pe modelul conținerii combustibilului nuclear într-un vas de presiune compact, lucru ce implică decomisionarea reactorului în cazul unei defecțiuni majore în vasul de presiune (vasul reactor). La filiera CANDU, vasul de presiune (Calandria) are în componență 380 ansamble canal combustibil, care, în caz de defectare sau de îmbătrânire, pot fi schimbate în mod individual. Acest lucru prezintă un avantaj major față de celelalte filiere de reactoare.
Ansamblul canal combustibil este alcatuit din: tub de presiune, fitinguri terminale și alte elemente asociate. Îmbinarea fitingurilor terminale cu tubul de presiune se realizează prin mandrinare mecanică ce asigură o îmbinare etanșă pentru cele două componente, însă demontarea acestora în scopul înlocuirii fitingului necesită utilizarea unei tehnologii specifice.
Tehnologia de dezasamblare a tubului de presiune poate fi concepută:
Fie prin îndepărtarea fitingurilor terminale în urma retezării tubului de presiune la 200 mm de capetele mandrinate;
Fie prin îndepărtarea fitingurilor terminale în urma demontării nedistructive a joncțiunilor mandrinate-tub presiune-fiting terminal;
Tehnologia oferă posibilitatea refolosirii fitingurilor de capăt comparativ cu situația în care, după procedura de tăiere fitingurile de capăt sunt considerate deșeuri alături de tubul de presiune. Astfel se elimină o mare parte din problemele de transport și de depozitare a deșeurilor rezultate, precum și problema utilizării de noi fitinguri, ce ar mări cantitatea de material expus contaminării radioactive, demontarea nedistructivă a acestei mandrinări fiind o alternativă avantajoasă.
Această tehnică ar asigura desprinderea și îndepărtarea rapidă a tubului de presiune din îmbinarea mandrinată, reducând timpul de oprire al reactorului reducând costurile implicate și durata de expunere a personalului implicat.
În primul capitol am realizat o descriere a canalului de combustibil utilizat pentru reactorul CANDU 600-PHWR cu evidențierea tubului de presiune și a fitingului terminal precum și a îmbinării mandrinate dintre cele două componente și posibilitatea demontării acesteia prin utilizarea încălzirii inductive.
În al 2-lea capitol au fost analizate date privind îmbinarea mandrinată pentru a determina sarcina axială necesară pentru demontarea îmbinării, posibilitatea realizării acestei demontări în dferite regimuri de temperatură și posibilitatea conceperii unui echipament pentru realizarea acestei operațiuni.
În capitolul 3 am prezentat aspecte privind impactul asupra mediului pentru cele două modalități de înlocuire a tubului de presiune, cu evidențierea avantajelor semnificative pe care le-ar implica utilizarea echipamentului propus.
Capitolul 4 descrie bazele generale ale calculului inductoarelor pentru piese feromagnetice, o analiză a parametrilor specifici echipamentului precum: puterea specifică, durata aplicării încălzirii și frecvența curentului indus.
Lucrarea reprezintă un studiu tehnic necesar configurării unei baze de date utile proiectării unui echipament de demontare a joncțiunii mandrinate tub presiune-fiting terminal prin încălzire cu curenți turbionari, echipament care să acționeze direct la fața reactorului în perioada de staționare
Capitolul 1. PREZENTARE GENERALĂ
Canalul combustibil al reactorului nuclear de tip CANDU
Caracteristic structurii compacte a reactorului CANDU 600-PHWR este utilizarea unui vas de joas presiune numit Calandria, de formă cilindrică, strbătut orizontal de un numr de 380 de ansambluri canal de combustibil integrate n circuitul primar de transport al cldurii.
Particularitățile reactorului nuclear de tip CANDU 600-PHWR sunt:
conținerea și răcirea combustibilului se realizează în tuburile de presiune
combustibilul utilizat este uraniul natural
moderator și agent de răcire- apă grea (D2O),
încărcarea cu combustibil se face fără oprirea reactorului
Ansamblul canal combustibil are rolul de a conține combustibilul și de a dirija debitul de agent de răcire(D2O) peste combustibil în scopul preluării căldurii produse în urma reacțiilor de fisiune.
Un ansamblul canal de combustibil este alctuit n principiu din dou fitinguri de capt, tub de presiune, tub calandria, reazeme, elemente de fixare, de preluare a dilatrilor i de protecie biologic, ntreg ansamblul fiind poziionat ntre plcile de capt ale vasului Calandria. În cazul în care un canal de combustibil trebuie să fie inspectat sau înlocuit operatorii pot face acest lucru în timpul opririi reactorului.
Spaiul dintre tuburile calandria este strbtut forat de moderator D2O, acesta asigurnd totodat i respectarea limitei de joas temperatur.
Utilizarea uraniului neîmbogățit pentru reactoarul nuclear de tip CANDU impune necesitatea folosirii unor materiale cu absorție scăzută de neutroni în zona activă. Din acest motiv se folosesc aliajele de zirconiu pentru realizarea tuburilor de presiune și a tuburilor calandria, precum și a apei grele atât pentru moderare cât și ca agent de răcire, aceasta având cea mai mică valoare pentru secțiunea eficace de absorbție a neutronilor și cel mai bun raport de moderare.
Integritatea și funcționarea canalului de combustibil este o condiție esențială pentru exploatarea reactorului în parametrii normali.
Tubul de presiune mandrinat la ambele capete n fitingurile de capt reprezint limita de presiune i temperatur a ansamblului canal de combustibil n vasul calandria si totodată conține combustibilul nuclear răcit prin curgerea turbulentă a agentului de lucru D2O.
Caracteristici generale ale tubului de presiune:
– Material: aliaj Zirconiu – 2,5% niobiu;
– Lungime: 6 m;
– Diametru interior minim: 103 mm;
-Grosimea peretelui : 4 mm;(14. Rosca.F ,2015)
-Dispunerea într-o rețea pătratică cu latura de 30 de cm.
Figura .1 Schema unui canal combustibil
(Sursa: Dunn JT. Kakaria (1982)
Expunerea tuburilor de presiune la condiții de mediu deosebite precum temperaturi de până la 313 °C, presiune internă de până la 11 MPa, fluxuri de neutroni de până la 3,7 x 1013 n / cm2 / s ( în 30 de ani de funcționare la capacitate de 80%), vibrații mecanice induse de curgerea agentului primar, determină modificări ale dimensiunilor și a materialului, ducând la reducerea duratei de viață prestabilită în faza de proiectare fiind necesară înlocuirea acestora.(www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1037_prn.pdf)
Ansamblul tub de presiune-fiting terminal a fost astfel proiectat încât pentru solicitări ale instalației vor rezulta scurgeri prin peretele tubului de presiune înaintea cedării îmbinării mandrinate, situație confirmată de trei accidente de acest gen ale unităților CANDU Ontario Hydro (O.H.).( Kakaria, 1982)
Tuburile de presiune ajung la sfârșitul duratei lor de serviciu atunci când nu mai îndeplinesc funcțiile de proiectare. Exploatarea unităților nuclear-energetice de tip CANDU s-a confruntat cu situații accidentale care au necesitat înlocuirea unuia sau mai multor tuburi de presiune.
Spaiul inelar dintre tubul de presiune i tubul calandria poate fi “deschis” sau “nchis” i strbtut de CO2. Gazul sub presiune realizează o izolare termică și previne coroziunea componentelor canalului de presiune. Monitorizarea umidității din acest spațiu inelar permite detectarea unor scurgeri de apă grea din canalul de combustibil și permite analiza continu a mediului de izolare furnizând date utile caracterizrii integritii peretelui tubului de presiune ( Kakaria, 1982).
Evitarea contactului direct ntre tubul de presiune i tubul calandria se realizează prin poziționarea a patru arcuri brațară distanțiere din Inconel. Prin alungire, acestea permit expansiunea tubului de presiune în interiorul tubului calandria. Spațiul dintre acestea și tubul calandria a fost realizat astfel încât să permită expansiunea tuburilor de presiune deformate în timp datorită condițiilor de exploatare.
Figura .2 Fiting terminal
(Sursa: Dunn JT. Kakaria (1982)
Fiderii sunt conectați pe fitingul terminal printr-o flanșă și au rolul de a asigura intrarea și ieșirea agentului de răcire în canalul combustibil.
La capetele canalelor combustibile se află un dop de oțel inoxidabil, cu rol de protecție contra radiațiilor gamma, iar la fiecare capăt al canalului combustibil se află câte un dop de închidere, fixarea acestora fiind realizată prin etanșare metalică sub presiune.
Fitingurile terminale asigură legăturile de intrare și ieșire pentru agentul de răcire, realizând în același timp și o legătură etanșă de presiune, pentru mașinile de încărcare/descărcare, pentru introducerea/extragerea și respectiv deplasarea combustibilului.(13. Valeca Ș. , 2015)
Proiectantul zonei active a utilizat ca metodă de îmbinare etanșă a tuburilor de presiune (aliaj de Zr-2,5 % Nb) cu fitingurile terminale (oțel inoxidabil) un procedeu clasic de deformare plastică, mandrinarea mecanică. Astfel capetele tubului de presiune sunt montate rigid în fitingurile terminale prin aplicarea unui procedeu de îmbinare utilizând o procedură de lucru care să diminueze mărimea tensiunilor mecanice remanente (www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1037_prn.pdf).
Oțelul utilizat pentru realizarea racordurilor, conform standardelor S.U.A., este oțelul AISI 403M a cărui compoziție este redată în Tabelul 1.
Tabel 1. Compoziția standard pentru oțelul AISI 403 M (Sursa: Ursu, I. (1982)
(M-modificat)
Materialul tubului de presiune, refulat prin mandrinare în renurile fitingului de capat, asigură îmbinarea tubului de presiune cu fitingul terminal.
Având în vedere faptul că menținerea integrității vasului de presiune a reactorului nuclear de tip CANDU este o condiție esențială, materialul de bază al vasului și îmbinările asociate (procedee de sudură, procedeu de mandrinare mecanică) au rolul de a asigura rezistența mecanică și tenacitatea adecvate pe toată durata de viață (Ursu I. (1982).
1.2 Considerații generale asupra joncțiunilor mandrinate
Pentru realizarea racordurilor terminale ale tuburilor de forță, în reactorii comerciali de tip CANDU-PHW, se folosesc oțeluri feritice. Sudarea aliajelor de zirconiu, din care sunt realizate tuburile de presiune, cu oțeluri (materialul utilizat pentru fitingurile de capăt) nu poate fi realizată datorită formării de compuși intermetalici casanți, astfel că pentru îmbinarea etanșă a tuburilor de presiune cu fitingurile terminale s-a utilizat procedeul de mandrinare mecanică.
Această metodă prezintă avantajul că permite îmbinarea unor componente din metale diferite (precum aliajele din zirconiu și oțelul).
Joncțiunile mandrinate sunt îmbinări realizate la rece prin deformații plastice ce constă în expansiunea tubului de presiune în fiting pentru a realiza o îmbinare etanșă.
În fitingul terminal sunt practicate trei renuri în zona joncțiunii mandrinate. Tubul de presiune este inserat în fitingul terminal acoperind renurile. Prin fitingul terminal se introduce o mandrină ce determină expansiunea tubului de presiune în fitingul terminal. Grosimea peretelui tubului de presiune este redusă cu 12-15% și renurile din fitingul terminal sunt parțial umplute cu materialul tubului de presiune. De asemenea materialul tubului de presiune este extrudat pe direcție axială dinspre zona mandrinată ( Kakaria, 1982).
Figura 1.2 Capătul tubului de presiune mandrinat în fitingul terminal
(Sursa : Ursu I. (1982)
Factori de performanță:
tensiuni remanente mici în materialul tubului de presiune
rezistență la aplicarea unor sarcini axiale
etanșeitate
În urma testelor realizate de AECL Technologies o parte din tensiunile remanente din tubul de presiune se pierd în timpul funcționării reactorului.
Conform standardelor CSA-N285.2 rezistența la tracțiune a jonțiunii mandrinate trebuie să suporte de "trei ori condițiile proiectare "(17. Clendening RI, 2002).
O îmbinare mandrinată pe suprafață cu trei renuri presupune avantajul sporirii rezistenței la smulgere a îmbinării obținute.
Dimensiuni de gabarit ale fitingului terminal:
• diametrul exterior: DF, [mm];
• lungime totală: LF, [mm];
• diametrul exterior al capătului de fiting: DFi, [mm].
Caracteristici de montaj ale fitingului terminal cu tubul de presiune, Figura 1.4:
• diametrul interior: dFi, [mm];
• lungimea utilă mandrinării: lm , [mm];
• jocul de montaj: minim (practic „zero” posibil un ajustaj cu strîngere usoară);
• lungimea de la capatul zonei mandrinate pană la capatul fitingului terminal: LmF, [mm];
• diametrul interior al tubului de presiune în zona nemandrinată: dti, [mm].
Caracteristici funcționale generate de geometria fitingului terminal și a îmbinării cu tubul de presiune utile configurării dispozitivului de smulgere a capatului de tub de presiune din joncțiunea mandrinată:
• distanțele: între capătul liber al fitingului terminal si locașul destinat blocării bacurilor închiderii canal, între el si locașul dintre tubul liner și între el și capătul mandrinat al tubului de presiune;
• rostul dintre capatul tubului liner si capătul mandrinat al tubului de presiune;
• diametrele interioare ale capatului liber al fitingului terminal (pană în inelul de etanșare) si diametrul interior al tubului liner.
Detalii ale joncțiunii mandrinate, Figura 1.4 asigură necesarul de date pentru configurarea unor componente de baza ale dispozitivului (supraîncălzitorul si capatul de atac al sculei de smulgere):
Cele trei renuri sunt caracterizate de: înălțime: h, [mm]; lățime, s, [mm]; distanța între renurile de capat, l1, [mm]; diametrul interior al tubului de presiune în zona mandrinată: di1, [mm]; grosimea peretelui tubului mandrinat în dreptul renurilor:h1 și între renuri h2, [mm];.
Figura 1.4 Detalii ale mandrinării tubului de presiune in fitingul terminal
(Sursa: Studiul tehnic RI – 4605, 1995 )
Mandrinarea mecanică este o îmbinare etanșă și rigidă cu strângere radială, obținută la rece cu ajutorul mandrinei, pe o suprafață renurată. Roluirea din interior a tuburilor de presiune în zona renurată determină deformarea în domeniul plastic a aliajului de Zirconiu pe două direcții: radială și longitudinală, reducând volumul interior al renurilor din fiting, prin umplerea lor, într-o anume proporție. Repartizarea presiunii de contact între renurile îmbinării mandrinate este prezentată în Figura 1.5 ( 3. Pavel.Al,1982).
Figura 1.5 Repartizarea presiunii de contact între renuri (îmbinare mandrinată)
(Sursa: 4. Studiul tehnic RI – 4605, 1995 )
Gradul de mandrinare este pentru cazul de față determinat cu relația (1.1):
Determinarea valorii orientative a sarcinii axiale propriu-zise
Pentru început, presupunem că lucrăm în condiții de rezistență fără a prezenta riscul pierderii stabilității având o îmbinare mandrinată pe suprafața netedă, fără renuri, în acest caz, sarcina axială maximă la tracțiune/ compresiune pe care tubul de presiune mandrinat ar putea să o preia este data de relația (1.2):
Întrucât riscul pierderii stabilității există, aceeași sarcină axială maximă devine pentru un coeficient de siguranță:
Pe de altă parte, o îmbinare mandrinată pe o suprafață cu trei renuri presupune avantajul creșterii rezistenței la smulgere a îmbinării obținute. Astfel, se obține o sarcină axială de aproximativ trei ori mai mare, estimată la un maxim de ~ 3xQcap.( 4. RI – 4605, 1995)
Prin aplicarea metodei de demontare a joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting de capăt fară deteriorarea acestuia din urmă, fitingurile terminale pot fi reintroduse în circuitul primar prin mandrinarea cu un alt tub de presiune.
1.3 Demontarea joncțiunilor mandrinate prin încălzire cu curenți turbionari
Tehnologia de înlocuire a tubului de presiune presupune dezasamblarea prin tăiere a ansamblului canal de combustibil. Ea include tăierea tubului de presiune la capete, în apropierea fitingurilor terminale și la jumatatea lui rezultând astfel componentele active ce trebuie containerizate, transportate și depozitate.
Sistemul funcționează pe principiul încălzirii inductive. Această tehnică are o aplicabilitate foarte mare fiind utilizată datorită avantajelor acesteia ce includ economia de material și de energie.
Capătul de fiting din îmbinarea mandrinată se încălzește rapid iar forța de extragere a fitingului din joncțiunea mandrinată, exercitată pe direcție axială, poate fi aplicată imediat după atingerea temperaturii specificate sau pe toată durata de încălzire.
Pentru demontarea joncțiunii se aplică încălzirea inductivă a capătului de fiting urmată rapid de exercitarea unei forțe axiale ce va duce la desprinderea tubului de presiune din zona mandrinată fără a afecta integritatea fitingului ( 3. Pavel.Al,1982). Prin încălzirea rapidă a capătului de fiting terminal se obține o creștere a diametrului acestuia față de diametrul tubului de presiune, fapt ce facilitează desprinderea acestora din jonctiune.
Transmiterea unei cantități considerabile de energie electromagnetică sau a unor vârfuri de putere în timp scurt fără a folosi contacte propriu-zise poate fi realizată prin inducție electromagnetică. La baza acestei metode stă inducerea de curenți turbionari într-o masă metalică, curenți care prin efectul Joule-Lenz produc încălzirea acesteia.
Q- căldura degajată, [Q]SI= J (Joule)
I-Intensitatea curentului electric [I]SI=A
R-rezistivitatea electrică [R]SI=Ω (ohm)
t-timpul
Efectul Joule-Lenz sau efectul termic al curentului electric constă în disiparea căldurii la trecerea curentului electric printr-un conductor.
La încălzirea prin curenți turbionari, numită și încălzire prin inducție, încălzirea poate fi dirijată. Când este necesar să se încălzească întregul material, acesta se așează în câmp magnetic de joasă frecvență caz în care curenții turbionari sunt repartizați în întregul material și încălzirea se produce simultan în întregul volum, cu un timp de încălzire scăzut și pierderi mici de căldură.
Accesul în zona mandrinată a tubului de presiune este posibil doar prin interiorul fitingului terminal și se limitează doar la peretele interior al tubului de presiune. Prin urmare echipamentul trebuie să fie compatibil cu fitingul terminal și cu porțiunea mandrinată de tub de presiune.
Din punct de vedere tehnico-economic, inductorul reprezintă subansamblul cu cea mai mare influență, prin intermediul acestuia realizându-se fluxul energiei electromagnetice către joncțiunea mandrinată.
Metoda inducției electromagnetice permite producerea de căldură direct în materialul de procesat, fără a folosi contacte, ceea ce contribuie la reducerea pierderilor de energie. Se urmărește demontarea joncțíunii mandrinate prin aplicarea unei forțe axiale în urma încălzirii joncțiunii cu ajutorul unui inductor.
Pentru demontarea joncțiunii mandrinate este necesară conceperea și realizarea unui echipament complex cu următoarele funcțiuni:
încălzirea rapidă în volum a capătului de fiting în scopul obținerii unei creșteri în diametru față de diametrul exterior al tubului de presiune rămas la o temperatură constantă în jurul valorii inițiale;
exercitarea unei forțe de compresiune axială, aplicată rapid, necesară smulgerii tubului de presiune din îmbinarea mandrinată.
Modul de aplicare al celei de-a doua funcțiuni poate fi:
imediat după atingerea temperaturii specificate pe suprafața interioară a fitingului în îmbinarea mandrinată.
pe toată perioada de încălzire
Inductorul este reprezentat dintr-o bobină cilindrică alimentată în curent alternativ, iar capătul de fiting terminal reprezintă indusul. Astfel, se realizează încălzirea unui corp la o temperatură mult mai mare decât cea a înfășurării bobinei.
Metoda de încălzire inductivă se bazează pe legea inducției în general și pe efectele pelicular și de proximitate, în special. Un rol important îl are și variația proprietăților oțelului prin încălzire.
Pentru încălzirea joncțiunii mandrinate se va utiliza o bobină cilindrică ca sursă pentru câmpul magnetic variabil în timp ce duce la apariția unui curent indus în corpul supus încălzirii având drept consecință încălzirea acestuia.
Repartizarea curenților în secțiunea inductorului respectiv în sectiunea de încălzit a fitingului, este influențată de efectele: pelicular, de proximitate și de buclă.
Efectul pelicular constă în repartizarea neuniformă a curentului în secțiunea inductorului, densitatea de curent concentrându-se pe una din suprafețele conductorului.
Efectul de proximitate este o variantă a efectului pelicular, concentrarea densității de curent fiind amplificată în adâncime de interacțiunea câmpurilor electromagnetice proprii tuturor conductoarelor (spirelor) parcurse de curent și în forma dată de sensul curenților.
Efectul de buclă este o variantă a efectului pelicular. Într-o spiră conductoare parcursă de curent concentrarea densității de curent are loc pe interiorul spirei conductoare și se datorează asimetriei câmpului magnetic propriu. Datorită efectului de buclă, în cazul în care probăm inductorul în afara îmbinării mandrinate (în general în lipsa reperului de încălzit), curentul se concentrează pe suprafața interioară a spirei inductorului .
Pentru materiale magnetice la efectul termic al curentului electric se adaugă efectul de histerezis ce se manifestă printr-o întârziere a densității fluxului magnetic (B) față de intensitatea cîmpului magnetic aplicat din exterior, H. După anularea câmpului magnetic aplicat, în corp rămâne o magnetizație remanentă, pentru reducerea căreia este necesară aplicarea unui câmp contrar celui inițial. În timpul unui ciclu de histerezis materialul absoarbe din câmpul magnetic o cantitate de energie, care se transformă în căldură și care constituie pierderile de histerezis.
Materialele feromagnetice își mențin proprietățile numai dacă temperatura lor rămâne scăzută. Există pentru fiecare material o valoare critică a temperaturii, numită temperatura Curie, dincolo de care materialul se comportă ca un material paramagnetic.
Prin încălzire, oțelului i se schimbă rezistivitatea și permeabilitatea magnetică. Astfel rezistivitatea crește până la punctul Curie, după care creșterea ei se diminuează.
Figura 1.3 Dependența permeabilității magnetice relative și a rezistivității în funcție de temperatură (Sursa : [12] A. E. Sluhotkii, S.E. Rîschin 1982)
Factorul de putere scade cu creșterea frecvenței, dependența este mai pronunțată în cazul materialelor mai rezistive și cu permeabilitate magnetică mai ridicată.
Pe durata scurtă a încălzirii, oțelul își schimbă proprietățile electrice. La o temperatura puțin sub temperatura maxim admisă de proiectant pentru a nu afecta proprietățile mecanice, se obține rezistivitatea electrică a oțelului inoxidabil. Permeabilitatea magnetică a oțelurilor, în general, variază puțin până la 650-7000 C putând fi luată în calcul direct din diagramă.
Energia transmisă/vârful de putere depind direct de frecvență, curent, flux magnetic realizat și de numărul de spire ale inductorului.
Capitolul 2. PREZENTARE TEHNOLOGIE DE DEMANDRINARE
2.1 Analiza condițiilor tehnologice de demontare a joncțiunii mandrinate tub presiune fiting terminal și stabilirea funcțiunilor echipamentului
Inițierea și dezvoltarea unui echipament de demontare a joncțiunilor mandrinate tub presiune-fiting terminal ar scurta durata dezasamblării componentelor nedemontabile ale canalului combustibil și ar pemite refolosirea fitingurilor de capăt.
Reintegrarea fitingurilor de capăt recuperate în circuitul primar al centralei elimină problema transportului și depozitării și, nu în ultimul rând a execuției de noi fitinguri terminale.
O încălzire locală rapidă în volumul capătului de fiting corespunzător zonei mandrinate în scopul obținerii unei creșteri în diametru față de diametrul exterior al tubului de presiune rămas la o temperatură constantă în jurul valorii inițiale ar duce la slăbirea îmbinării mandrinate conducând implicit la o valoare mult redusă a forței de smulgere necesară demontării joncțiunii. (4. RI – 4605 ,1995)
S-au calculat dilatările diametrale locale ale fitingului terminal pentru T1, T2 si T3 si respectiv forțele de smulgere corespunzătoare, reprezentând variațiile lor cu temperatura în figurile 2.1 și 2.2.
Pentru un nivel de temperatura de T2= 100˚C realizată local, pe capătul de fiting terminal (T1= 20˚C) si un coeficient de dilatare: α100˚C, [K-1] obținem, ( 4. RI – 4605 / 1995):
o dilatare pe contur:
o creștere a diametrului ce la prima vedere ar duce la o desprindere a celor două suprafețe în contact (între renuri). Desprinderea nu va fi însă totală deoarece în urma mandrinării distribuția neuniformă a tensiunilor remanente în materialul tubului de presiune, așa cum se poate observa în Figura 1.5, va provoca o ovalizare semnificativă.
Pentru acest nivel de temperatura nu ne așteptăm la o reducere valorică semnificativă a valorii forței de smulgere.
Pentru un nivel de temperatura de T3 = 200˚C realizată local, pe capătul de fiting terminal (T1= 20˚C) și un coeficient de dilatare: α200˚C, [K-1] obținem, ( 4. RI – 4605 / 20.06.1995):
o dilatare pe contur:
o crestere a diametrului interior al fitingului terminal de ~ cinci ori mai mare decât cea obținută anterior.
Forța axială de smulgere in acest caz se calculează cu relația (pentru ):
unde: Dr, [cm], este diametrul tubului de presiune deformat in renură.
Forța axială de smulgere obținută ar corespunde posibilităților tehnologice de realizare a echipamentului, ( 4. RI – 4605 / 20.06.1995).
Pentru un nivel de temperatura de T4 = 300˚C realizată local, pe capatul de fiting terminal (T1= 20˚C) și un coeficient de dilatare: α300˚C, [K-1] obținem, ( 4. RI – 4605 / 20.06.1995):
o dilatare pe contur:
o creștere a diametrului interior al fitingului terminal de ~ zece ori mai mare decât cea obținută anterior.
Forța axială de smulgere în acest caz se calculeaza cu relatia:
Valoarea forței axiale de smulgere obținută nu pune probleme tehnologice deosebite putând fi realizată fie prin atașarea unui cilindru hidraulic (pneumatic) în zona longitudinală a fitingului, fie prin încastrarea unui cilindru hidraulic (pneumatic) de formă specială în tubul liner, ( 4. RI – 4605 / 20.06.1995).
Forma teșită la a flancului renurilor (spre interiorul canalului) determină o înscriere ușoară a tubului de presiune mandrinat pe direcția de acționare a forței de smulgere.
Temperatura necesară dilatării capătului fitingului în zona mandrinată poate fi realizată prin inducere de curenți turbionari în intervale de timp scurte astfel stabilite încât temperatura tubului de presiune în zonă să se mențină în limitele acceptabile (+C ), ( 4. RI – 4605 / 20.06.1995).
În urma creșterii temperaturii tubului de presiune cu C, din calcul rezultă o forța de smulgere încă tehnologic realizabilă, ( 4. RI – 4605 / 20.06.1995).
Figura 2.1 Variația dilatării diametrale a capătului de fiting
(Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
Figura 2.2 Variația forței de smulgere a capătului de tub de presiune
(Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
Inductorul generează un câmp magnetic alternativ de 50 de Hz în fitingul terminal controlat în putere și durată. Fitingul de capăt, care se comportă ca o spiră în scurt circuit pe circuitul magnetic al inductorului, se încălzește zonal controlat până la temperatura de 300 ̊C permițând demandrinarea cu ajutorul unui echipament de forță.
Temperaturile în inductor și în fiting vor fi măsurate și controlate cu ajutorul unui calculator.
Acesta va rula un program complex de măsură și de estimare a evoluției temperaturii fitingului și totodată, de protecție la supraîncălzire a inductorului. Tot calculatorul dă comenzile pentru acționarea blocului de putere care injectează controlat trenuri de impulsuri în inductor până la obținerea temperaturii necesare pentru demandrinare.
În paralel calculatorul va coordona miscările capului de demandrinare precum și poziționarea acestuia față de tubul de presiune prin intermediul unui modul de acționare compus din motoare pas cu pas.
Astfel s-au anlizat condițiile tehnologice de demontare a îmbinării mandrinate a tubului de presiune cu fitingul terminal urmărind:
Implementarea noii tehnologii propuse în cadrul activităților procedurate de dezasamblare a canalului combustibil;
Caracterizarea joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting terminal din punct de vedere dimensional și al caracteristicilor de material;
2.2 Configurare soluție tehnologică.Dimensionare-calcul preliminar
Soluția tehnologică constă în încălzirea rapidă prin metoda inductivă utilizând următoarele elemente de bază:
Generator de medie/înaltă frecvență
Inductor-spirală-inel sau buclă conductoare răcită cu apă
Baterie de condensatoare-necesară pentru compensarea factorului de putere al inductorului
Forța axială de smulgere
2.2.1 Funcțiunea de încălzire. Concept
Încălzirea fitingului este o încălzire cu acțiune periodică și se realizează simultan în toată suprafața angajată în îmbinarea mandrinată. Temperatura suprafeței și repartizarea ei în adâncime (cu un gradient ales de 500 C) depinde de puterea specifică, de durata aplicării și de frecvența curentului indus.
Încălzirea capătului de fiting în astfel de condiții presupune generarea unui câmp electromagnetic puternic (H), propriu încălzirii prin inducție. (11. RI – 4217, 1994)
Inductorul este elementul de bază al acestui echipament. În proiectarea lui nu sunt suficiente respectarea principiilor de bază ale încălzirii prin inducție, precum și a unor metodici anume de alegere a dimensiunilor, un rol important il reprezintă experimentul propriu-zis.
Prin urmare, pentru stabilirea formei finale a inductorului va fi necesară realizarea și testarea unui număr de inductoare. Fiecare inductor experimentat poate presupune modificări atât ale instalației de alimentare cât și ale modulelor componente ale echipamentului pentru atingerea caracteristicior funcționale dorite și mărirea siguranței în exploatare.
Se dorește încălzirea unei suprafețe cilindrice interioare. O astfel de incalzire este mai complicată decât încălzirea oricăror suprafețe exterioare închise. La încălzirea suprafețelor interioare fluxul magnetic se închide prin aer în interiorul inductorului; reluctanța circuitului fiind mare și componenta de magnetizare a curentului în inductor este mare.
Pentru acelasi inductor folosit la încălzirea unei suprafețe exterioare, fluxul magnetic se închide prin reperul de oțel încălzit, reluctanța circuitului fiind mult redusă in acest caz și curentul în inductor este corespunzator mai mic. Prin urmare, la aceleași dimensiuni ale inductorului, pentru încălzirea suprafețelor interioare este necesar un curent mult mai mare decât în cazul încălzirii suprafețelor exterioare.
Această creștere de curent se amplifică odată cu reducerea diametrului inductorului sau cu scăderea frecvenței rețelei (50 Hz) pentru încălzirea prin inducție a suprafeței interioare la un diametru redus al inductorului. Ea conduce la creșterea pierderilor de putere în inductor și la scăderea randamentului procesului de încălzire (mărirea pierderilor de putere în inductor în cazul nostru, spre exemplu implică o creștere a temperaturii inductorului, creștere nedorită deoarece ar duce la creșterea temperaturii tubului de presiune și totodată necesită un debit de apă de răcire suplimentar).
În prezența îmbinării mandrinate, curentul indus în capătul de fiting este de sens contrar celui din inductor și datorită efectului de proximitate, curentul va circula mai mult sau mai puțin, funcție de mărimea întrefierului ales și de suprafața exterioară a spirei inductorului. Astfel pentru un întrefier redus, obținem o mai bună repartizare a curentului pe secțiunea conductorului inductorului și totodata o creștere a câmpului magnetic pe suprafața fitingului (zona mandrinării) urmată de creșterea curentului indus și implicit, de creșterea temperaturii. În acest caz, la mărirea întrefierului inevitabil ales în condiții tehnologice impuse, se va adăuga grosimea tubului de presiune (aliaj de Zr-2,5 %Nb, material diamagnetic).
Liniile câmpului magnetic se închid în cea mai mare parte prin fiting în zona mandrinată și nu prin tubul de presiune, reluctanța tubului de presiune fiind cu un ordin de mărime mai mare decât cea a fitingului terminal.
Reducerea efectului de buclă poate fi obținută prin micșorarea înălțimii radiale a conductorului inductorului la o valoare minim admisă, pentru a nu reduce eficiența sistemului de răcire a inductorului. În cazul nostru, răcirea inductorului este deosebit de importantă întrucât am limitat superior creșterea temperaturii tubului de presiune la maxim 10˚C.
Inductorul nu va fi în contact direct cu tubul de presiune, dar nu putem spune nici că va fi izolat termic.
Transmitera căldurii poate fi realizată și limitată astfel:
Prin conducție- limitată de folosirea unor materiale termoizolante
Prin convecție naturală-limitată de durata redusă a vârfurilor de putere aplicate
Prin radiație-limitată de asigurarea unui debit de răcire corespunzător
Micșorarea reluctanței de închiderea a fluxului magnetic poate fi realizată folosind concentratoare executate din tablă de fero-siliciu. Astfel, densitatea de curent concentrată pe interiorul secțiunii inductorului este refulată spre suprafața exterioară a secțiunii, liniile de câmp care taie fitingul în zona mandrinată se îndesesc, energia transmisă crește și implicit crește temperatura. Folosirea concentratoarele de camp magnetic îmbunătățesc randamentul de încălzirea al suprafețelor interioare, însă complică mult execuția inductorului.
Alegerea formei și a dimensiunilor inductorului se face în urma calcului preliminar de dimensionare pentru un regim de încălzire impus de particularitățile problemei (întrefier mărit, coeficient de dilatare a aliajului de Zr-2,5 % Nb de ~ trei ori mai mare ca al oțelului inoxidabil, diametru util si lungime activă comparabilă etc).
Forma finală a inductorului se va stabili după încercarea inductorului experimental în condițiile regimului de încălzire pe probe ale îmbinării mandrinate tub de presiune- fiting terminal.
În cazul nostru, practic este vorba de încălzirea unei suprafețe cilindrice interioare. O astfel de încălzire este considerabil mai complicată decât încălzirea oricăror suprafețe exterioare închise. La încălzirea suprafețelor interioare fluxul magnetic se închide prin aer în interiorul inductorului, reluctanța fiind mare și componenta de magnetizare a curentului de inductor folosit la încălzirea unei suprafețe exterioare, însă fluxul magnetic se închide prin reperul de oțel încălzit, reluctanța circuitului fiind mult redusă și curentul în inductor fiind mult mai mic.
Prin urmare, la aceleași dimensiuni ale inductorului, pentru încălzirea suprafețelor interioare este necesar un curent mult mai mare decât în cazul încălzirii suprafețelor exterioare. Această creștere de curent se amplifică odată cu reducerea diametrului inductorului sau cu scăderea frecvenței rețelei (50 Hz) pentru încălzirea prin inducție a suprafeței interioare la un diametru redus al inductorului (sub 100 mm) conduce la creșterea pierderilor de putere în inductor și la scăderea randamentului procesului de încălzire (mărirea pierderilor de putere în inductor în cazul nostru, spre exemplu implică o creștere a temperaturii inductorului, creștere nedorită deoarece ar duce la creșterea temperaturii tubului de presiune și totodata necesită un debit de apă de răcire suplimentar).
Tubul de presiune este considerat „transparent” pentru liniile de câmp care il străbat, ele închizandu-se majoritatea în capătul de fiting terminal. În cazul în care din experiment va rezulta încălzirea excesivă a tubului de presiune, se poate realiza un circuit de răcire directă a tubului de presiune.
Valoarea curentului obținut din calcul necesită șine de alimentare de grosime corespunzătoare) ce nu sunt compatibile cu interiorul fitingului terminal, fără a considera faptul că acestea trebuie să străbată întregul echipament.
Pentru cazul în care s-a luat în calcul utilizarea unui inductor cu patru spire, la aceleași dimensiuni de gabarit și cu același material pentru execuția concentratorului, concentratorul va fi străbătut central de un capăt al inductorului. Intrefierul ales este de 11 mm , suficient pentru adaptarea unui sistem cu apă corespunzător tubului de presiune în zona mandrinată.
În cazul în care temperatura tubului de presiune se modifică în cele 10 s de încălzire în limita de 30˚C am putea reduce întrefierul.
Barele de curent vor fi realizate dintr-un oțel rezistent la oxidare la temperaturi ridicate.
Pentru un inductor cu spira (spirele) perpendicular(e) pe axa longitudinală a tubului de presiune, acesta nu mai constituie o spiră în scurtcircuit, încălzirea lui datorându-se doar fenomenului de conductivitate termică. Randamentul încălzitorului va scădea întrucât rolul efectelor pelicular și de proximitate practic se va anula. Pentru a micșora fluxurile de dispersie este necesară dispunerea de concentratori suplimentari înainte și în spatele inductorului complicând mult execuția propriu-zisă.
Calcul preliminar de dimensionare al inductorului
Calculul inductorului:
Alegerea frecvenței de lucru:
= rezistivitatea oțelului inoxidabil martensitic
=diametrul mediu al capătului de fiting în zona mandrinată
d2 = grosimea fitingului în zona mandrinată
În urma calculului a rezultat faptul că se poate alege frecvența rețelei pentru calcularea circuitului respectiv a sistemului de răcire.
Masa capătului de fiting supus mandrinării:
Unde :
-diametru exterior al fitingului terminal
-diametrul interior al fitingului terminal în zona mandrinată
l-lungimea capătului de fiting mandrinat
– densitatea oțelului inoxidabil martensitic
Adâncimea fierbinte de pătrundere a curentului:
Unde:
ρ(zy-Nb2,5)= rezistivitatea electrică a aliajului zirconiu-Niobiu, ohm*m;
=permeabilitatea magnetică a aliajului Zr-Nb;
f= frecvența curentului
Puterea utilă încălzirii capătului de fiting în zona mandrinată se calculează funcție de căldura specifică medie în secțiune:
Unde:
G=masa capătului de fiting mandrinat
c=căldura specifică medie
Tm=temperatura medie pe secțiune
t= timpul mediu de încălzire (t=10s)
Puterea specifică utilă devine:
Unde:
PT=puterea utilă [W]
= diametrul interior al fitingului în zona mandrinată
=lungimea capătului de fiting mandrinat [m]
Funcțiunea de compresiune-mod de realizare. Calcul preliminar de dimensionare
În adoptarea soluției de realizare a forței axiale de compresiune s-a ținut cont de faptul că:
inductorul îsi menține poziția inițială în zona mandrinată
șinele de alimentare cu energie electrică a inductorului străbat întregul echipament
Efectuarea unor încercări mecanice de tracțiune/compresiune a tubului de presiune în zona mandrinată nu a fost posibilă, astfel încât s-a efectuat un calcul necesar determinării valorii orientative a sarcinii axiale propriu-zise.
Structura de rezistență a inductorului va face corp comun cu structura de rezistență a cilindrului pneumatic.
Centrajul și totodată rezemarea echipamentului în axa fitingului terminal se va realiza cu două tipuri de role dispuse echidistant pe o circumferință la 120 0 și încastrate în corp. Capul de atac va avea centraj propriu suplimentar cu role încastrate în cele trei fălci mobile ce acționează asupra tubului de presiune în îmbinarea mandrinată.
Corpul echpamentului va trebui să asigure în aceste condiții:
– fixarea pe fitingul terminal;
– centrajul echipamentului în axa fitingului terminal;
– structura de rezistență a inductorului;
– structura de rezistență a cilindrului pneumatic precum și protecția șinelor de alimentare cu energie electrică a inductorului.
Structura de rezistență a inductorului va face corp comun cu structura de rezistență a cilindrului pneumatic
Corpul de atac montat în prelungirea pistonului va culisa pe structura de rezistență a inductorului fără a necesita ghidarea pe barele de curent ci doar o protecție suplimentară realizată cu un manșon din material izolator electric rezistent la radiații.
Introducerea echipamentului în fitingul terminal necesită protejarea initial a capătului fitingului prin introducerea prealabilă a unui manșon cu diametru interior astfel încât să se acopere canalul de zăvorâre al bacurilor închiderii canal și să se evite totodată lovirea accidentală a zonei sensibile a inelului de etanșare.
Capetele de atac ale fălcilor execută o mișcare de evazare radială concomitent cu acțiunea de înaintare a capului pentru a intra în contact cu capătul tubului de presiune și de a realiza forța de compresiune. Capul de atac este montat rigid în prelungirea pistonului, piston ce se autocentrează pe suprafața lisă a cămășii cilindrului pneumatic încastrate în corpul echipamentului. Centrajul realizat astfel permite evitarea contactului direct cu barele de curent ce străbat axial în două puncte pistonul, protecția lor efectuându-se prin manșoane de material izolant (electric) dispuse la intrarea în cilindrul pneumatic și în structura de rezistență, la intrarea în inductor.
Modul de fixare al echipamentului pe fitingul terminal se efectuează printr-un mecanism de cuplare/decuplare manuală a patru bacuri realizat și acționat cât mai simplu. Cele patru bacuri sunt dispuse radial și echidistant și sunt acționate la coborâre până la contactul cu fitingul prin translația pe “pe plan înclinat” a unui manșon. Rotirea manșonului și blocarea lui în poziția cuplat menține bacurile în contact intim cu umărul șamfrenat (la 150) al canalului radial de la intrare in fiting și împiedică ridicarea lor accidentală. Pe partea fixă a mecanismului de cuplare/decuplare va fi prevăzut un ochi de ridicare compatibil cu cârligul electropalanului (sau palanului manual) montat pe brațul rotativ sau grinda monorai ce utilizează platforma montată la fața reactorului (pe sau sub podul MID).
La montarea și demontarea echipamentului se prevede o piesă de echilibrare montată în locașul circular al corpului fără a atinge barele de curent.
Șinele de alimentare cu energie electrică au la intrare în echipament un suport izolator și distanțier astfel poziționat încât să absoarbă vibrațiile mecanice generate de trecerea curentului și totodată să anuleze efectul forțelor electrodinamice. Cilindrul și etanșarea pistonului trebuie astfel proiectat și aleas încât să lucreze la maxim 100 bar folosind ca agent de lucru bioxid de carbon.
Suprafața de lucru a pistonului va fi:
Unde:
Dci=diametrul cămășii interioare a cilindrului [cm]
dp= diametrul exterior al țevii de priotecție a șinei de alimentare cu energie electrică a inductorului.
Grosimea cilindrului pneumatic va fi:
Unde:
-presiunea de calcul/kgf/
=diametrul cămășii interioare a cilindrului [cm]
și coeficienți de adaos
Solicitarea de compresiune a tubului de presiune în îmbinarea mandrinată
Suprafața secțiunii tubului de presiune:
Unde DTE D TI diametrul exterior/interior al tubului de presiune în zona mandrinată
Considerând că doar 60 % din suprafața calculată (Ap ) este solicitată la compresiune obținem
[kgf/cm2 ]
(Sub 20% din rezistența la curgere a materialului)
S-au calculat eforturile unitare de strivire pentru suprafața tubului de presiune solicitată și suprafața de cuplare a fittingului cu capul mașinii de încărcat-descărcat ambele în contact cu echipamentul de demontare obținându-se solicitări maxime sub 25% respectiv 5 % din eforturile unitare admisibile (pentru aliajul Zr- 2,5 % Nb și AISI 403 M).
Prin urmare putem afirma că nu este pericol de strivire a secțiunii tubului de presiune.
Suprafața de contact cu cele patru bacuri (60% din suprafața totală)
Unde Dfm și Dfu sunt diametrele fitingului ce delimitează zona de contact
Solicitarea de compresiune pe suprafața de contact cu fitingul terminal în contactul solicitat la compresiune cu bacurile mecanismului de fixare ale echipamentului.
Astfel, putem afirma că nu este nici un pericol de strivire a suprafeței umărului fitingului terminal în contactul solicitat la compresiune cu bacurile mecanismului de fixare a echipamentului.
(σB=obținut este sub 5% din efortul unitar admisibil)
Componentele modulului de cuplare/blocare a cilindrului hidraulic pe fitingul de capat al ansamblului canal de combustibil au fost verificate prin calcul la incovoiere, forfecare și intindere.
Soluția aleasa oferă garanția păstrării calității suprafețelor capătului de fiting aflate în contact cu Masina de Incarcat/Descarcat (MID)
2.3 Elaborare specificație tehnică
2.3.1 Scop si obiectiv
Obiectivele urmărite au la bază dezvoltarea unui echipament de demontare a joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting terminal cu următoarele caracteristici:
1. reducerea duratei demontării canalului combustibil defect și a dozei total încasată (în om-rem);
2. Fitingul terminal demontat să nu prezinte defecte de suprafață majore:
– în zona mandrinării cu noul tub de presiune;
– pe toată lungimea tubului liner;
– in zona cuplării cu capul mașinii de încarcat-descărcat;
3. Renunțarea la spațiul corespunzător de depozitare și la containerele aferente.
2.3.2 Cerințe inițiale pentru canalul de combustibil demontat:
Demontarea canalului combustibil impune:
Umiditate controlată presupunând extragerea agentului folosit la decontaminarea rămas în spațiul dintre tubul „liner„ și corpul fitingului terminal
Uscarea subansamblului realizat din fitingul de capăt și tubul de presiune
Temperatură controlată ( 20˚ C)
Stabilirea intensității câmpului de radiații la fața reactorului în zona vizată
Tehnologia de demontare a canalului combustibil trebuie să asigure în prealabil:
Demontarea și izolarea racordului fider cu flanșă oarbă la ambele capete ale canalului combustibil
Demontarea și înlăturarea ansamblului de poziționare fiting terminal (numai la demontarea primului fiting al canalului de combustibil, la cel de al doilea operația va fi ulterioară smulgerii tubului de presiune)
Tăierea cordonului de sudură dintre inel atașare fiting terminal- bucșă compensator lenticular;
Existența unui electropalan sau palant montat pe un braț pivotant sau grindă monorai
Existența unităților necesare (butelii CO2, panou de distribuție a energiei electrice)
Pentru a realiza demontarea tubului de presiune din fitingul terminal sunt necesare următoarele:
Dezvoltarea unui echipament de tăiere a tubului de presiune la poziție astfel încât să nu pună în pericol integritatea tubului calandria
Un container de transfer pentru fiting terminal sau respectiv, pentru doua jumătăți de tub de presiune
Containere de transport si depozitare pentru fragmentele de tub de presiune
2.3.3 Cerințe impuse echipamentului de demontare a îmbinării mandrinate
Compatibilitatea cu fitingul terminal și porțiunea de tub de presiune mandrinată
Realizarea funcțiunii de încălzire urmărind:
Atingerea temperaturii de 3000 C pe suprafața fitingului terminal în interiorul îmbinării mandrinate în mai puțin de 10 s.
Păstrarea unui gradient de temperatură de 500 C la încălzirea în volum a capătului de fiting
Menținerea tubului de presiune în limita maximă de 300 C
Realizarea funcțiunii de compresiune urmărind:
Aplicarea forței de smulgere a fitingului terminal din mandrinare fără a-l deteriora;
Păstrarea integrității capului de atac al echipamentului.
Aplicarea instantanee a forței de compresiune simultan cu tăierea tensiunii de alimentare
Realizarea cursei complete de aproximativ 100 mm necesară desprinderii fitingului din îmbinarea „end shield”;
Realizarea de legături electrice flexibile între barele de curent ale transformatorului coborâtor de tensiune și șinele de alimentare ale inductorului (pentru a nu induce vibrații mecanice);
Menținerea integrității structurale și a funcționalității echipamentului în mediu cu radiații;
Posibilitatea înlocuirii rapide a inductorului contaminat;
Se vor folosi doar materiale cu certificat de calitate.
În urma aplicării tehnicii de demontare a joncțiunii mandrinate, fitingul terminal trebuie să ramână intact în zona renurilor.
2.3.4 Modul de lucru
Se introduce manșonul de protecție în fitingul terminal
Se introduce echipamentul de demontare în fitingul terminal utilizând piesa de echilibrare
Se blochează bacurile mecanismului de fixare
Se realizează montajul legăturilor elastice între barele de curent ale transformatorului coborâtor de tensiune și șinele de alimentare ale inductorului
Se cuplează furtunele de presiune ale cilindrului pneumatic la sistemul de alimentare cu CO2
Se comandă alimentarea cu energie electrică (control automat) a inductorului
La tăierea tensiunii (atingerea temperaturii cerute) se deschide servovalva și se aplică instantaneu presiune stabilă în timpul experimentelor) necesară creșterii forței de smulgere
În cazul în care nu realizăm smulgerea se repetă operațiile de încălzire rapidă și smulgere.
După desprinderea fitingului din îmbinare și ”end shield” se montează containerul de transport și se aplică tehnologia de extragere cunoscută până la încărcare în container
Se transportă containerul la sistemul de decontaminare
Trebuie să se aibă în vedere ca:
Încălzirea suprafețelor cilindrice interioare este considerabil mai complicată decât încălzirea oricărei suprafețe exterioare închise;
La încălzirea suprafețelor cilindrice interioare pierderile în inductor sunt considerabile, astfel că obținerea câmpului termic necesar se realizează cu randament scăzut;
Menținerea constantă a temperaturii medii în volumul capătului de fiting și totodată menținerea temperaturii inițiale a tubului de presiune pe durata aplicării forței axiale de compresiune asigură demontarea nedistructivă a fitingului terminal.
După realizarea acestor funcțiuni se realizează încărcarea componentelor în container care trebuie transportat la sistemul de decontaminare. Fitingul va fi în continuare pasivizat, ambalat și depozitat.(11. RI – 4217, 1994)
Conform procedurii generale elaborate urmează următoarele etape:
Izolare racord cu flanșă oarbă la ambele capete ale canalului combustibil
Demontare ansamblu poziționare fiting terminal (capăt liber)
Tăierea cordonului de sudură dintre inel atașare fiting teminal bucșă compensator lenticular capăt liber
Tăierea tubului de presiune la 200 mm de capătul mandrinat în fitingul terminal (capăt liber). Se înteleg aici: montaj echipament/reglaj cap cu role/control poziție cap cu role/tăiere tub de presiune/verificarea tăierii complete/demontare/ decontaminare/control
Extragere fiting terminal direct în containerul de transfer, (capăt liber) și transport în zona de depozitare
Protejare zonă de montaj fiting terminal cu un tub extensie montat în prelungirea tubului calandria
Se introduce un tub de protecție în exteriorul tubului de presiune deplasând spre capătul fix cele patru arcuri brățară distanțier;
Se introduce o sculă de împingere a tubului de presiune, se fixează tubul de protecție în momentul în care scula intră în contact cu capătul tăiat al tubului de presiune
Tăierea cordonului de sudură dintre inel atașare fiting terminal-bucșă compensator lenticular capăt fix(montaj, reglaj control, echipament complex urmând tăierea propriu-zisă și demontarea echipamentului)
Împingerea dopului de protecție temporară dincolo de jumătatea tubului de presiune
Tăierea tubului de presiune la jumătatea lui (montaj echipament, reglaj, control poziție, tăierea propriu-zisă, verificare tăiere completă, retragere cap cu role în zona mandrinată, capăt fix)
Tăierea tubului de presiune la cca 200 mm de capătul mandrinat în fitingul terminal, capăt fix (reglaj, control poziție, tăiere propriu-zisă , verificare tăiere completă demontare, decontaminare, control și depozitare)
Demontare ansamblu de poziționare fiting terminal, capăt fix
Extragerea fitingului terminal direct în containerul de transfer și transport în zona de depozitare
Introducerea unui tub extensie în zona tubului calandria în vederea protejării locului de montaj al fitingului terminal
Împingerea celor două bucăți de tub de presiune în containerul de transfer și transportul lor în zona de depozitare componente înalt active
Extragerea tubului de protecție și a sculei de împingere decontaminarea lor și depozitare
Efectuarea operațiilor de control al contaminării la fața reactorului.
Analizând operațiile etapelor de mai sus observăm că folosind echipamentul de demontare a joncțiunii mandrinate:
Trebuie să se autopoziționeze din montaj față de un reper fix eliminând reglajul și controlul poziției inițiale
Se realizează desprindera fitingului terminal din manșonul „end shield-urile” calandriei în același timp cu eliberarea porțiunii mandrinate a tubului de presiune simplificând mult etapa extragerii fitingului direct în containerul de transfer
Fitingul terminal poate fi decontaminat, pasivizat pentru a împiedica apariția coroziunii inerte și în final depozitat până în momentul refolosirii.
Nu elimină tăierea tubului de presiune la jumătatea lui însă oferă posibilitatea alegerii și a altor soluții de tăiere (la intrare în containerul de transfer, sau separat în baia de stocaj, ambele dotate corespunzător cu dispozitive de tăiere)
Se scurtează durata intervenției pe canalul combustibil defect
Se elimină containerele de transfer și depozitare
Capitolul 3. IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI
Considerând faptul că politica națională de gestionare a deșeurilor radioactive este în conformitate cu cerințele internaționale stabilite prin "Convenția comună asupra gestionării în siguranță a combustibilului uzat și asupra gospodăririi în siguranță a deșeurilor radioactive", ratificată prin Legea nr. 105/1999, precum și cu politica de gestionare a deșeurilor radioactive promovată la nivelul Uniunii Europene, managementul tuturor substanțelor contaminate radioactiv se face în concordanță cu acestea și urmând principiul realizării minimizării impactului aupra mediului prin prioritizarea procedeelor de reciclare și reutilizare în scopul menținerii impactului asupra mediului ”la cel mai scazut nivel posibil pentru condițiile date”. Principiul ALARA are la bază reducerea generării și minimizarea contaminării factorilor de mediu, considerând atât factori de securitate cât și economici.
Prin Ordinul 56/2004, CNCAN adoptă principiile de bază privind gestionarea în siguranță a deșeurilor radioactive, ce se aplică titularilor de autorizații. Conceptul constă în mimnimizarea cantității de deșeuri radioactive și se aplică pornind de la proiectarea instalației, operarea acesteia și până la planurile de decomisionare. Titularul de autorizație va realiza, în acest scop, următoarele:
Selectarea și controlul materialelor
Reciclarea și reutilizarea materialelor
Implementarea de proceduri de caracterizare a deșeurilor și sortarea diferitelor tipuri de materiale
Prin reducerea volumului de deșeuri ce trebuie depozitate definitiv sau temporar se reduc riscurile asociate impactului asupra populației și mediului precum și potențiale cheltuieli și obligații viitoare.
Un element esențial al unei strategii de reducere la minimum a deșeurilor care provin din
dezafectarea instalațiilor nucleare este facilitarea procedurilor de decontaminare și dezasamblare în timpul proiectării, construcției, operării și în cazul oricăror lucrări de mentenanță.
Tehnica de demontare a jonctiunii mandrinate tub de presiune-fiting de capăt, fără deteriorarea acestuia din urmă, reduce semnificativ cantitatea de material contaminat pentru care trebuie realizate o serie de măsuri precum: utilizarea containerelor de transport, transportul și mai ales depozitarea fitingurilor de capăt rezultate în urma demontării joncțiunii mandrinate, acestea putând fi reintroduse în circuitul primar prin mandrinarea cu capetele unui alt tub de presiune.
Reutilizarea fitingurilor de capăt este condiționată însă de decontaminarea acestor componente.
Dezasamblarea tubului de presiune poate fi concepută fie prin retezarea acestuia la 200 mm de capetele mandrinate, fie prin îndepărtarea fitingurilor terminale în urma demontării nedistructive a joncțiunilor mandrinate tub presiune-fiting terminal.
Echipamentul de demontare a joncțiunii mandrinate ar putea fi folosit și în condițiile păstrării intacte a procedurii generale elaborate în care are loc taierea din interior a tubului de presiune. Această alternativă presupune însă ca recuperarea fitingurilor terminale extrase din zona activă să aibe loc într-o încăpere amenajată corespunzător implementării tehnologiei propuse care să ofere protecție împotriva radiațiilor emise de fragmentul de tub de presiune mandrinat (lipsește protecția biologică oferită de „end shield-urile” calandria)( 5. Bugeanu 1994). Alegerea acestei variante ar duce la posibilitatea refolosirii fitingului terminal prin desprinderea acestuia de porțiunea de tub de presiune rezultată în urma tăierii însă această variantă nu este preferată datorită faptului că procedura de tăiere a componentelor metalice poate produce resturi, praf, fum și aerosoli a căror compoziție și dimensiune a particulelor depind de tipul de proces utilizat.
În afara deșeurilor contaminate rezultate în urma tăierii, se pot elibera din materiale și radionuclizi emițători beta, fapt ce impune necesitatea unei protecții suplimentare pentru ca aceste substanțe să nu fie inhalate de personalul operator. Procesele de tăiere a materialelor metalice prin metode mecanice, cu excepția tăierii abrazive, produc resturi de dimensiuni mari și foarte puțini aerosoli. Filtrarea sau colectarea resturilor se poate face folosind filtre HEPA obișnuite și aspiratoare.( 7.IAEA TECDOC 401, 2001)
Aceste aspecte sunt foarte importante considerând condițiile de management al substanțelor solide contaminate radioactiv care impun proceduri speciale de transport și depozitare a acestor deșeuri pentru a se evita contaminarea mediului.
Înlocuirea unuia sau mai multor tuburi de presiune generează o cantitate de material radioactiv care este constituită atât din componente ce nu mai pot fi utilizate dar și din componente care, printr-o demontare corespunzătoare, pot fi refolosite în circuitul primar de transport al căldurii. Utilizarea metodei descrise în lucrare duce la reducerea cantității de deșeuri, astfel că pentru înlocuirea unui tub de presiune ar rezulta două fitinguri terminale ce pot fi reutilizate, iar prin înlocuirea tuturor tuburilor de presiune dintr-un reactor CANDU, rezultă 380 * 2 = 760 de fitinguri contaminate radioactiv. În raport cu efectele obținute observăm creșterea eficienței folosirii echipamentului la demontarea mai multor sau chiar a tuturor canalelor combustibile.
Pentru reciclarea și reutilizarea unor materiale contaminate radioactiv se impune decontaminarea acestora.( 9. www.cncan.ro/assets/Informatii-Publice/06-Rapoarte/Rapoarte-2008/4.0-Radioprotectie-si-Deseuri-Radioactive.pdf)
Decontaminarea reprezintă îndepărtarea contaminanților prin: spălare, procedee de încălzire, metode electrochimice, curățare mecanică etc.
În alegerea modalității de decontaminare sunt importanți factori precum tipul, compoziția, proprietățile, geometria și cantitatea de material ce trebuie supusă acestui proces, adâncimea de decontaminare impusă, conținutul distribuția și tipul de izotopi radioactivi din material etc.
Decontaminarea materialelor metalice în scopul reintroducerii în structura reactorului se poate realizeaza prin următoarele metode: metoda electropolizării, metoda cu spumă, metoda cu gel.( 8. www.nipne.ro/facilities/facilities/stdr.php)
Metoda electropolizării constă în folosirea curentului electric continuu, ce are ca rezultat dizolvarea anodică a straturilor de metal și oxid de pe componenta supusă decontaminării. Îndepărtarea radionuclizilor de pe fitingul terminal se poate realiza prin această metodă pentru că fitngurile terminale sunt confecționate din oțel, material ce conduce curentul electric.
În timpul decontaminării pentru întreținere, componentele nu trebuie să fie deteriorate astfel încât utilizarea unor metode de decontaminare foarte agresive nu este adecvată.
Decontaminarea materialelor scade doza acestora permițând accesul personalului pentru operațiile necesare de reintroducere a fitingurilor în circitul primar de transport al căldurii.
O astfel de strategie ar genera un beneficiu net atunci când se consideră mediul și sănătatea personalului.( 7.IAEA TECDOC 401, 2001)
Pentru cazul oțelului inoxidabil ce conține produși de activare și suprafețe contaminate, după demontare se efectuează măsurători privind gradul de contaminare al suprafețelor.
Un factor important în managementul deșeurilor este durata probabilă de timp cât acestea ramân periculoase. Aceasta depinde de natura izotopilor radioactivi conținuți și în mod particular de timpii de înjumătățire ai acestor izotopi. De cele mai multe ori aceste deșeuri sunt depozitate în recipiente din oțel și transportate la depozitul de stocare intermediară a deșeurilor radioactive (DIDR) situat pe platforma Centralei Nuclearo-Electrice Cernavodă.( 6.Valeca Șerban, 2008, 15.National Commission for Nuclear Activities Control, 2014).
Fig 3.1 Depozit intermediar pentru deșeuri solide radioactive
(Sursa: Joint Convention on the Safety of Spent Fuel Management and on the Safety of Radioactive Waste Management-The Fifth National Report, 2014)
Din analiza operațiilor procedurate în cadrul tehnologiei elaborate reiese faptul că demontarea canalului combustibil prezintă un grad de dificultate ridicat și necesită o perioadă relativ lungă de operare în condiții de asalt radiologic.
N-16 și O-19 și tritiul sunt pericole radiologice comune agentului de răcire care împiedică accesul la echipamentele circuitului primar cu reactorul aflat în funcțiune. Acești izotopi produc radiații gamma care împiedică accesul la echipamentele ce conțin apă grea când reactorul este la putere însă dispar la scurt timp după oprirea reactorului, spre deosebire de pericolele provenite de la tritiu și produsele de fisiune ce persistă și după oprirea reactorului.(13. Valeca Ș. , 2015)
Înlăturarea apei grele contaminate și a combustibilului radiat în timpul realizării procedurii reduce inventarul radioactiv cu peste 90%, iar efectuarea operațiilor de control al contaminării la fața reactorului asigură controlul substanțelor expuse contaminării în timpul înlocuirii tubului de presiune.
Refolosirea fitingurilor de capăt scuteste de achiziționarea de fitinguri noi ce ar crește cantitatea de material expus contaminării. Procesul de fabricație al unor fitinguri pentru înlocuire implică procese de producție cu impact negativ asupra mediului prin utilizarea de noi resurse și generare de emisii poluante.
Absența Ni din compoziția oțelului inoxidabil utilizat pentru execuția fitingului terminal, ne determină să susținem că decontaminarea fitingului îi reduce substanțial activitatea, făcându-l refolosibil. ( 5. Bugeanu 1994).
Pentru înlocuirea canalelor combustibile este necesar să se sisteze temporar capabilitatea de operare a reactorului, înlăturarea combustibilului și a agentului primar de răcire. Acest lucru permite accesul personalului la fața reactorului (RI – 4217 / 1994).
După operațiile de decontaminare, intervenția la fața reactorului presupune realizarea unor activități supuse procedurilor. Aceste activități se desfășoară în câmp de radiații pentru care valorile fluxului sunt situate între 50 și 100 mrem/h. Valorile au fost estimate pentru canale combustibile cu protecții biologice închise.
În cazul în care canalele de combustibil nu au protecțiile biologice sau acestea sunt înlocuite cu dopuri speciale personalul este expus direct unui flux de radiații de 30-40 rem/h. Astfel, se reduce durata intervenției și implicit doza de expunere la radiații a personalului implicat .
Principalele avantaje ale utilizării metodei de demontare a joncțiunii mandrinate tub de presiune – fiting terminal cu ajutorul curenților turbionari sunt:
Posibilitatea de decontaminare, pasivizare, control al suprafețelor și depozitare până la momentul refolosirii (montajul noului tub de presiune)
Scurtarea duratei de intervenției pe canalul combustibil defect
Eliminarea de containerelor de transport și depozitare
Reducerea dozei de expunere la radiații a personalului implicat în intervenție.
Capitolul 4. CALCULE PRIVIND DIMENSIONAREA INDUCTORULUI
În scopul aplicării metodei descrise anterior s-a elaborat planul de realizare al echipamentului. Un program experimental de testare a echipamentului de demontare prin încălzire nu a putut fi realizat, fiind înlocuit cu o analiză a importanței acordate alegerii duratei de încalzire în dimensionarea inductorului și implicit a întregului echipament, în stabilirea caracteristicilor sursei de alimentare cu energie electrică și a sursei de apă de răcire.
Echipamentul va trebui să fie simplu, robust, eficient, economic și fiabil. El este prevăzut a fi alcătuit din:
Inductor
Cap de atac
Corpul echipamentului – asigurând centrarea în fiting și totodată structurile de rezistență ale inductorului și ale capului de atac
Cilindrul pneumatic încastrat în corp
Șinele de alimentare ce străbat corpul și racorduri electrice rapide la capetele inductorului
Mecanism de fixare de capătul liber al fitingului terminal
Transformator coborâtor de tensiune, de putere
Bare de curent și legături electrice flexibile
Baterie de condensatori pentru compensarea factorului de putere
Manșon de protecție și piesă de echilibrare
Sistem de alimentare cu CO2 (16. RI – 4895, 1996)
Încălzirea capătului de fiting prin curenți turbionari necesită prezența unui inductor introdus în tubul de presiune pe lungimea zonei mandrinate.
Timpul de încălzire are un rol foarte important, variația acestuia fiind în directă legătură cu puterea aplicată.
Determinarea factorului de majorare al puterii absorbite de inductor considerând temperatura fitingului T1:
Unde:
, reprezintă puterile specifice corespunzătoare fitingului terminal respectiv tubului de presiune
În calculul de dimensionare a inductorului un rol major îl are stabilirea duratei de încălzire. Pentru durate de încălzire de ordinul secundelor și a zecilor de secunde puterile electrice necesare sunt considerabile. Pentru durate de încălzire de ordinul minutelor este necesară răcirea tubului de presiune întrucât o parte din puterea electrică absorbită se distribuie în materialul tubului de presiune ridicandu-i temperatura.
În dimensionarea inductorului trebuie să se ia în considerare faptul că, materialul din care este executat tubul de presiune (Aliaj de Zr-2,5% Nb) este diamagnetic, și constituie practic un ecran electromagnetic. Factorul de majorare al puterii absorbite de inductor s-a determinat prin calcul pentru temperatura de încalzire T1 ca fiind Km.
Pentru început, s-a efectuat calculul puterii utile necesare încălzirii capătului de fiting pentru o durata de încălzire t1 de 3 secunde:
unde: G, masa capatului de fiting, C, căldura specifica a materialului la Ti.
Luând în considerare influența tubului de presiune în zona încălzită de inductor, puterea utilă se majorează cu factorul Km, rezultând:
Luând în considerare transferul de caldură prin conducție în lungul corpului fitingului (echivalent a cateva zecimi din valoarea puterii utile absorbite de inductor), puterea utilă se majorează devenind:
Pentru o durată de încalzire t2 de 10 secunde obținem:
o putere utilă pentru inductor: ;
sub influenta ecranului electromagnetic puterea utilă se majoreaza la: ;
sub influenta transferului de caldură prin conducție, puterea utilă se majorează la: .
Pentru o durată de încălzire t3 de 30 de secunde obținem:
o putere utilă pentru inductor: ;
sub influența ecranului electromagnetic puterea utilă se majorează la: ;
sub influența transferului de căldură prin conducție, puterea utilă se majoreaza la: .
Pentru o durată de încalzire t4 de doua minute obținem:
o putere utilă pentru inductor: ;
sub influența ecranului electromagnetic puterea utilă se majorează la: ;
sub influența transferului de caldura prin conducție, puterea utilă se majoreaza la: .
Pentru o durata de încalzire t4 de zece minute obținem:
o putere utilă pentru inductor: ;
sub influența ecranului electromagnetic puterea utilă se majorează la: ;
sub influența transferului de caldură prin conducție, puterea utilă se majorează la: .
Variația puterilor utile absorbite de inductor pentru încălzirea în timp scurt a capătului de fiting pentru exercitarea funcției de smulgere a tubului de presiune din joncțiunea mandrinată, figura 4.1.
Fig. 4.1 Variația puterilor utile absorbite de inductor
( Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
Se observă din figură că pentru durate de încălzire scurte, de ordinal zecilor de secunde, puterea utilă ca valoare, ramâne ridicată, punând în dificultate atât realizarea echipamentului (model experimental) cât si modul de operare în interiorul fitingului terminal.
În continuare, sunt prezentate pe rând, variațiile puterii absorbite de inductor în timp, în afara câmpului de lucru, în prezența tubului de presiune și în operarea cu titlu de experiment.
Puterea utilă necesară inductorului în absența ecranului electromagnetic și fără a lua în considerare răspandirea căldurii în întregul corp al fitingului prin conducție funcție de durata de încalzire adoptată este redată în figura 4.2.
Fig. 4.2 Puterea utilă necesară inductorului în absența ecranului electromagnetic și fără a lua în considerare răspandirea căldurii în corpul fitingului
( Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
Puterea utilă necesară inductorului în prezența ecranului electromagnetic (tubul de presiune) dar fără a lua în considerare răspandirea căldurii în întregul corp al fitingului prin conducție funcție de durata de încălzire adoptată este redată în figura 4.3.
Fig.4.3 Variația puterii utile absorbită de inductor majorată datorită prezenței tubului de presiune
( Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
Puterea utilă necesară inductorului în prezența ecranului electromagnetic (tubul de presiune) și luând în considerare răspândirea căldurii prin conducție, în întregul corp al fitingului, funcție de durata de încălzire adoptată este redată în figura 4.4.
Fig.4.4 Variația puterii utile absorbite de inductor majorata datorită ecranului electromagnetic și a transferului prin conducție
( Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
S-a efectuat calculul puterii specifice funcție de durata de încălzire t1 utilizând relația:
unde D2i, diametrul interior ce limitează superior întrefierul si l2, lungimea inductorului identică cu lungimea de încălzit.
Pentru duratele de incalzire de 10 s, 30 s, 120 s si respectiv, de 600 s, s-au obținut puterile specifice:
, , , .
În figura de mai jos prezentăm variația în timp a puterii specifice a inductorului.
Fig. 4.5 Variația în timp a puterii specifice a inductorului( Realizat de autor)
( Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
În dimensionarea inductorului o componentă importantă o reprezintă intensitatea câmpului magnetic la suprafața interioară a fitingului. Pentru durata de încălzire de 3 s intensitatea câmpului magnetic la suprafața interioară a fitingului se calculează cu relația:
unde cosφ- factorul de putere (12. Sluhotkii, 1982); K, raport al impedantelor, f, frecventa de lucru, 50 Hz.
Pentru duratele de încalzire de 10 s, 30 s, 120 s și respectiv, de 600 s, s-au obținut intensitățile câmpului magnetic la suprafața interioară a fitingului: , , si .
Observăm că intensitatea câmpului magnetic la suprafața interioară a fitingului pentru durate de încălzire de ordinul zecilor de secunde rămâne ridicată ca valoare, fapt ce conduce la obținerea unor densități de curent în spirele inductorului mult peste 20 A/mm2 generând în spațiul redus din interiorul fitingului probleme ce țin de execuția inductorului, probleme de răcire și nu în ultimul rănd, probleme legate de izolarea electrică.
Pentru durate de încalzire ce trec de 100 de secunde se obțin densități de curent sub valoarea de 20 A/mm2, favorizând atât dimensionarea inductorului cât și răcirea sa, răcire directă cu apă circulată prin interiorul spirelor inductorului.
În figura de mai jos prezentăm variația în timp a intensității câmpului magnetic la suprafața interioară a fitingului.
Fig. 4.6 Variația intensității câmpului magnetic la suprafața interioară a fitingului terminal
( Realizat de autor pe baza datelor din Studiul tehnic RI – 4605, 1995)
O problemă ridicată de alegerea unor durate de încălzire mai mari de 100 de secunde este creșterea temperaturii capătului de tub de presiune aflat în joncțiunea mandrinată. Pentru o durată de încălzire de 120 s temperatura capătului de tub de presiune ajunge în jurul valorii de 60˚C. Pentru a o menține în jurul valorii de 16˚C va fi necesar un schimbător de căldură cu apă de răcire (sarcina termică nu va depăși 11 Kj, (16. RI – 4895, 1996).
Pe masură ce durata de încălzire ajunge in jurul valorii de 10 minute și chiar peste, problemele cu răcirea inductorului se reduc datorită valorii substanțial redusă a curentului absorbit în timp ce problemele cu răcirea tubului de presiune cresc.
Prin urmare, alegerea duratei de încălzire este extrem de importantă atât pentru dimensionarea inductorului cât si pentru dimensionarea celeorlalte componente și nu în ultimul rând, în stabilirea caracteristicilor sursei de alimentare cu energie electrică și a sursei de apă de răcire. Verificarea datelor obținute prin calcul impun realizarea pentru început a unui model experimental și efectuarea unor campanii experimentale.
CONCLUZII
Pornind de la principiul minimizării impactului asupra mediului prin reducerea cantității de material contaminat radioactiv rezultat în urma exploatării unei centrale nuclearo-electrice, lucrarea își propune dezvoltarea unei tehnologii care să permită reutilizarea fitingurilor terminale prin conceperea unei metode de detașare a joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting terminal care să nu afecteze integritatea fitingurilor, permițând reintroducerea acestora în circuitul de exploatare al centralei după înlocuirea tubului de presiune.
S-a realizat caracterizarea joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting terminal din punct de vedere dimensional și al caracteristicilor de material și stabilirea condițiilor tehnologice de demontare propriu-zise precum și un calcul estimativ pentru forțele de smulgere aplicabile la rece în demontarea joncțiunii cu și fară risc de pierdere a stabilității. S-a determinat faptul că forța necesară pentru demontarea joncțiunii scade semnificativ prin încălzirea acesteia, demontarea putând fi realizată din punct de vedere tehnologic, pentru o temperatură sub limita impusă de proiectant, având în vedere menținerea proprietăților oțelului folosit pentru fitingul terminal.
S-au stabilit prin calcul, pentru date cunoscute, gradul de mandrinare aplicat și forțele axiale de smulgere maxim aplicabile la rece cu riscul de pierdere a stabilitatii și fără acest risc . Pentru îmbinarea mandrinată realizată între tubul de presiune și fitingul terminal, pentru cele trei renuri, rezistența la smulgere crește de aproximativ trei ori , (11. RI – 4217 1994).
S-a prezentat variația dilatării locale a capătului de fiting terminal și a forței de smulgere necesară demontării jonctiunii cu temperatura.
În urma analizei condițiilor tehnologice de demontare a îmbinării mandrinate a tubului de presiune cu fitingul terminal s-a constatat faptul că aceste condiții sunt compatibile cu realizarea unui echipament pentru acest scop.
Astfel s-au stabilit funcțiunile principale ale echipamentului precum și o analiză a modului de realizare a acestor funcțiuni. Echipamentul pentru demontarea joncțiunilor mandrinate va trebui să asigure încălzirea acestei joncțiuni la o temperatură prestabilită și aplicarea unei forțe pentru desprinderea tubului de presiune din fitingul terminal.
În acest scop au fost stabilite componentele echipamentului și anume: pentru încălzire se va dimensiona un inductor iar aplicarea forței axiale se face cu ajutorul unui corp de atac.
Următoarea etapă a constat în efectuarea unui calculul preliminar de dimensionare al inductorului, un factor important avându-l timpul de încălzire. Astfel, timpul de încălzire redus nu pune probleme foarte mari din punct de vedere al dilatării tubului de presiune în fitingul terminal în timpul încălzirii, însă pentru timpi mai mari de ordinul zecilor de minute este necesară considerarea acestui aspect și realizarea unei modalități de răcire. Soluția aleasă constă în utilizarea unui sistem de răcire cu apă a capătului tubului de presiune în zona mandrinată.
Modul de realizare a funcțiunilor echipamentului a fost astfel conceput pentru a păstra integritatea fitingului terminal.
Pentru definitivarea caracteristicilor constructive ale inductorului (a cărui forma finală se va stabili după executarea și încercarea inductorului experimental în condițiile regimului de încălzire pe probe ale îmbinării mandrinate tub presiune- fitting terminal) și ale capului de atac ca părți componente ale echipamentului de demontare a joncțiunii mandrinate tub de presiune – fiting terminal cu ajutorul curenților turbionari, considerăm ca este necesar să se continue cu execuția unui model experimental urmată de un program experimental.
Demontarea joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting terminal prin metoda încălzirii cu curenți turbionari are beneficii din punct de vedere al reducerii impactului asupra mediului. Unul din cele mai importante aspecte este faptul că reutilizarea fitingurilor implică o scădere semnificativă a cantității de deșeuri radioactive rezultate în urma procesului de înlocuire a tubului de presiune. Reutilizarea este condiționată de decontaminarea suprafețelor implicate.
Prin reutilizarea fitingurilor se elimină containerele de transport și depozitare aferente, și se realizează o reducere a dozei de expunere la radiații a personalului implicat în intervenție.
Bibliografie:
[1] Ursu, I. Fizica și tehnologia materialelor nucleare, București : Editura Academiei R.S.R. (1982)
[2] ***, www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1037_prn.pdf
[3] Al.Pavel, “Mandrinarea mecanică, ET București”, 1982
[4] T.Gyongyosi, I.Cremene, Gh.Deloreanu, Echipament de demontare a joncțiunii mandrinate tub de presiune – fiting terminal prin încălzire cu curenți turbionari. Studiu tehnic.ICN – RI – 4605 / 20.06.1995
[5] Bugeanu, F., Gyongyoși T., Muscăloiu C., & Doloreanu Gh. Studiu de prefezabilitate privind proiectul „dotarea RENEL cu cu tehnologia de înlocuire canal combustibil”(1994).
[6] Valeca Șerban, Doca Cezar, Valeca Monica, Fianu S, CICLUL COMBUSTIBILULUI
NUCLEAR Editura Universitatii din Pitesti, 2008
[7] IAEA TECDOC 401, Methods for the minimization of radioactive waste from decontamination and decommissioning of nuclear facilities, Vienna, 2001
[8] *** Caracterizarea deșeurilor radioactive generate prin dezafectarea reactorului nuclear VVRS IFIN-HH consultat la adresa: www.nipne.ro/facilities/facilities/stdr.php
[9]www.cncan.ro/assets/Informatii-Publice/06-Rapoarte/Rapoarte-2008/4.0-Radioprotectie-si-Deseuri-Radioactive.pdf
[10] Dunn JT. Kakaria. B.K Graham, CANDU-PHW Fuel Channel Replacement Experience, AECL 7538, Atomic Energy of Canada Ltd, Ontario, Canada (1982)
[11] T. Gyongyoși, Gh. Deloreanu, Gh. Ionescu, Înlocuirea tuburilor de presiune defecte în timpul exploatării la reactorul CANDU al U1 FCNE. Procedura de lucru aferenta tehnologiei de inlocuire a tuburilor de presiune defectate in timpul exploatarii, RI – 4217 / 10.12.1994
[12] A. E. Sluhotkii, S.E. Rîschin Indicatoare pentru încălzirea electrică, E. T. București, 1982
[13] Valeca Șerban, Energetică clasică și nucleară, Note de curs, 2015
[14] Fartat Gabi Rosca, Considerations for the development of a device for the decommissioning of the horizontal fuel channels in the CANDU 6 Nuclear reactor 2, Prezentată la SISOM & ACOUSTICS 2015, București 21-22 Mai
[15] National Commission for Nuclear Activities Control-Joint Convention on the Safety of Spent Fuel Management and on the Safety of Radioactive Waste Management-The Fifth National Report, 2014
[16] T.Gyongyosi, Gh.Deloreanu, Gh. Ionescu, L. Doca, Echipament de demontare a joncțiunii mandrinate tub de presiune-fiting terminal. Dimensionare si proiectare model experimental, ICN – RI – 4895 / 10.12.1996
[17] W. (Bill) R. Clendening, AECL Technologies, PRESSURE TUBE TO END FITTING ROLLED JOINTS, Prezentată la Fuel Channel and Materials Engineering Meeting with the USNRC and CNSC Decembrie 2002
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Demontarea Jonctiunilor Mandrinate Prin Încălzire CU Curenti Turbionari (ID: 113612)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.