L.T. Business Consultants participa con AEA Technology Engineering Services Inc. y Equipos Nucleares, S.A. en un Consorcio Internacional establecido en el año 1996, para probar y validar el proceso MSIP (Mechanical Stress Improvement Process) para la prevención o reducción de fisuras producidas por corrosión bajo tensión en las penetraciones de Inconel 600 de los CRDM de las tapas de las vasijas de los reactores PWR.

El Proceso Mecánico de Reducción de las Tensiones (MSIP) es un proceso patentado, inventado, desarrollado y aplicado para proteger las soldaduras contra la corrosión bajo tensión en plantas nucleares.

La presencia de elevadas tensiones residuales en la zona de soldadura es uno de los mayores contribuyentes a la aparición de fisuras producidas por la corrosión. El proceso mecánico desarrollado por AEA Technology Engineering Services, Inc. (AEAT ES) se basa en la introducción de pequeñas deformaciones plásticas para redistribuir o eliminar las tensiones residuales en áreas de soldadura susceptibles.

Aplicaciones típicas del MSIP incluyen una pequeña contracción circunferencial de la tubería en un lado de la soldadura. Recientemente AEAT ES ha desarrollado un variante del MSIP que utiliza una contracción axial para aplicación a las penetraciones de los CRDM (Mecanismo de Accionamiento de Haces de Barras de Control) en las cabezas de las vasijas de reactores PWR que eliminaría el potencial agrietamiento producido por corrosión bajo tensión en las soldaduras de las penetraciones.

El concepto básico de MSIP para aplicación en soldaduras de tuberías en acero inoxidable austenítico está descrito brevemente a continuación.

Una simple abrazadera operada hidráulicamente (Figura 1) es utilizada para contraer localmente la tubería directamente a lado de la soldadura circunferencial. La contracción permanente provocada por la compresión, genera un contorno cóncavo en la zona de la soldadura resultando en una reducción de circunferencia de la tubería (Figura 2) . La cantidad de contracción necesaria para completar la redistribución de las tensiones depende de la geometría de la soldadura y de los materiales. Una vez que el utillaje ha sido retirado, la soldadura permanece en un estado de compresión axial a lo largo de aproximadamente la mitad del espesor y queda protegida por una zona en compresión circunferencial que se extiende por casi todo el espesor. 

La generación de un estado de compresión residual ha sido medido y verificado por pruebas independientes. Estas incluyen medidas de tensiones residuales en soldaduras de 12" y 28" por el Laboratorio Nacional de Argonne (LNA) para el NRC en soldaduras entre codo y tubería de 28" por el EPRI para el grupo de propietarios de centrales BWR y varias soldaduras entre toberas y safe-end de 12" por el EPRI.  

En LNA, las tensiones residuales en soldaduras de 12" y 28" tratadas con MSIP fueron medidas en la superficie interior al igual que a lo largo del espesor. La superficie interior se encuentra en estado de compresión en ambas direcciones axial y circunferencial variando desde -207N/mm2 hasta -345N/mm2 en la ZAT (Zona Afectada Térmicamente) para la soldadura de 12 " y desde -152N/mm2 hasta -345N/mm2 en la ZAT para la soldadura de 28". La distribución de tensiones residuales axiales a través de la pared fue casi linear cerca de la ZAT y se encontró que el estado de compresión se extendía por casi el 50% del espesor de la pared. Se encontraron resultados similares en las soldaduras de 28" (Figura 3).

Se utilizan dos herramientas básicas  en la aplicación del proceso. El tensionador es utilizado generalmente para soldaduras estándar como tubo a tubo, tubo a codopara tuberías de hasta 14" de diámetro. La otra herramienta es una prensa hidráulica, especialmente diseñada, utilizada para unir las dos mitades de la abrazadera. Esta herramienta es utilizada generalmente para comprimir toberas de grueso espesor y tuberías de gran diámetro. Una bomba hidráulica portátil es utilizada para accionar el tensionador o la prensa. El aire comprimido de la planta es utilizado para el funcionamiento de la bomba hidráulica.

El proceso es aplicado siguiendo procedimientos aprobados y validados para utilización en planta. Listados de soldaduras que incluyen los parámetros y las verificaciones son utilizados para documentar los resultados de la aplicación y anotar mediciones y verificaciones. El proceso se controla midiendo el desplazamiento y la verificación se efectúa midiendo la contracción de la tubería con medidas circunferenciales antes y después del MSIP.

MSIP es aceptado por el NRC de USA en el NUREG-0313 como un método de reducción de tensiones para la mitigación de las grietas producidas por corrosión bajo tensión en centrales BWR. La aplicación temprana del MSIP en líneas de tuberías existentes elimina la necesidad inevitable de sustitución de las mismas. Al mismo tiempo, en contexto USA, el uso de un remedio aprobado por el NRC, reduce la frecuencia de inspección, con consiguientes reducciones tanto en la duración de la parada como en la exposición a la radiación. Según datos del EPRI sobre la primera aplicación de MSIP en Commonwealth Edison se ha conseguido un ahorro de aproximadamente $430 millones al evitar la sustitución de tuberías en las plantas BWR. La utilización de MSIP hace que todas las soldaduras en el sistema queden inmunes a la corrosión bajo tensión. Al remplazar un estado de tensiones residuales en las soldaduras con un estado de compresión en la parte interior de la tubería, se ha verificado que la propagación de fisuras pre-existentes ha sido parada y el riesgo de iniciación de nuevas fisuras por corrosión bajo tensión ha sido completamente eliminado. La aplicación preventiva de MSIP esta justificada considerando no solo pérdidas económicas potenciales relacionadas con reparaciones e interrupción de producción de energía, sino también por la mejora que se consigue en la seguridad de la planta.

MSIP fue inicialmente utilizado para el tratamiento de soldaduras en 1996. Desde entonces más de 1.300 soldaduras incluyendo más de 500 entre toberas y safe-end han sido tratadas en más de 30 plantas BWR en todo el mundo (Ver Tabla 1). Recientemente su uso se ha extendido a Presionadores de plantas PWR en USA para la eliminación de tensiones residuales en soldaduras de safe-ends de Inconel.

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Las penetraciones de los CRDM son generalmente refrigeradas antes de ser instaladas para provocar una interferencia posterior y soldadas en la cabeza de la vasija por la parte interior mediante soldaduras en "J" de penetración parcial. Dado que todas las toberas son verticales, las localizaciones más periféricas requieren que estas sean soldadas a la cabeza con ángulos de hasta 47º. Las soldaduras producen una compleja concentración de tensiones residuales donde las tensiones son aumentadas por la ovalización interior de las penetraciones. La distribución de las tensiones se vuelve más compleja tras la prueba hidrostática que introduce una deformación plástica local en la interfase de los agujeros y de las soldaduras.

El procedimiento para la aplicar una compresión mecánica ha de ser adaptado a la compleja geometría de la penetración. La carga de compresión puede ser aplicada utilizando un simple utillaje constituido por un perno central que se extiende a lo largo de la penetración con un cabezal en una extremidad y un cilindro hidráulico en la otra (Figura 4). La aplicación de la compresión axial actúa sobre las tensiones circunferenciales de soldadura creando un estado de plasticidad. La resultante deformación plástica redistribuye las tensiones residuales eliminando las tensiones de la región crítica de soldadura. Tras eliminar las cargas axiales aplicadas, ambas tensiones residuales, axiales y circunferenciales son reducidas casi totalmente.

Se realizaron análisis inelásticos por elementos finitos en 2D y 3D en las soldaduras de las penetraciones centrales y periféricas de una cabeza de un reactor típico PWR, para verificar el concepto.

Considerando la localización de los CRDM en la cabeza del reactor, se modela un segmento triangular tridimensional de la tapa de la vasija. Este modelo se extiende desde el centro de la cabeza hasta la unión con la brida. Un lado del modelo bi-secciona el centro del CRDM más periférico. El área próxima a la soldadura de este CRDM es modelada con un retículo muy fino para determinar fielmente las tensiones resultantes. Un modelo así definido permite que las condiciones de simetría sean exactamente aplicadas al modelo. La brida de la tapa de la vasija está incluida en el modelo para tener en cuenta el efecto de rigidez de la brida en la deformación y las tensiones resultante en el CRDM analizado (Figura 5).

Este modelo fue utilizado en un amplio análisis elástico - plástico para demostrar los beneficios del MSIP en la reducción de tensiones residuales en soldaduras para mitigar el potencial de manifestación de fisuras producidas por corrosión bajo tensión.

Mientras que los análisis muestran que las tensiones residuales de soldadura son reducidas por la contracción axial de las penetraciones, nuestros resultados muestran que se puede obtener aun mayor reducción de tensiones si las penetraciones se contraen cuando la cabeza del reactor es sujeto a presión interna, o cuando existe un diferencial de temperatura media entre la pared de acero de la cabeza y la penetración de Inconel 600. Esta diferencia de temperatura ha de situarse entre los 85º y 140º C. Una combinación de calentamiento y enfriamiento sería aplicada localmente a la penetración tratada con MSIP. La diferencia de temperatura media eliminaría la interferencia y junto al MSIP reduciría las tensiones en la superficie interior de la penetración. El proceso de enfriamiento para obtener el diferencial de temperatura deseado dura unos minutos y será seguido por una compresión axial.

Tensiones circunferenciales iniciales de 275-345N/mm2 se reducen, de tal manera que tras el retorno en operación las tensiones permanecen bajas. Se obtienen mejoras considerables en todas las zonas de la penetración y en la parte superior e inferior de la soldadura. La aplicación del proceso elimina las tensiones axiales y circunferenciales, tanto en la soldadura como en la región cercana a la soldadura y debajo de ella.

Se han llevado a cabo ensayos de calificación en la fabrica de Equipos Nucleares S.A (ENSA)  en Santander (España) para verificar la eliminación de tensiones residuales. Se han diseñado y fabricado maquetas a tamaño real utilizando los mismos procesos que se utilizan en cabezas de reactores PWR reales. Se realizaron medidas de tensiones residuales antes y después del tratamiento con MSIP. La Figura 6,muestra la geometría y localización de las mediciones de tensiones, las Figura 7 y Figura 8, muestran el nivel y distribución de las tensiones antes y después de aplicar el proceso MSIP. La fotografía de la Figura 9 muestra el equipo especial para medición de tensiones residuales diseñado y fabricado por ENSA.


La siguiente tabla resume los resultados:

Los resultados muestran que las tensiones residuales de soldadura pueden ser eliminadas o reducidas hasta niveles tan bajos que ya no puede producir grietas por corrosión bajo tensión.

Hay que destacar que el Inconel 600 utilizado en la maqueta fue seleccionado de manera conservadora con un elevado límite elástico de 518 N/mm2 (75ksi). Esto es considerablemente más alto que los valores típicos de límite elástico para el Inconel 600 que están en el orden de 300 N/mm2 (44ksi). Incluso con un material de tan alto límite elástico, MSIP fue capaz de eliminar o reducir las tensiones a los niveles iniciales a lo largo de toda la superficie interior de la penetración. Las mediciones también se correlacionan bien con los resultados analíticos. Para penetraciones con valores normales de límite elástico se espera que las tensiones residuales sean eliminadas completamente.

Los análisis y las pruebas de calificación realizadas por el Consorcio AEAT-ENSA-LT han demostrado la aplicabilidad y la eficacia del MSIP para eliminar las tensiones residuales presentes en las penetraciones de los CRDM fabricadas en material Inconel 600, proporcionando una protección contra las grietas por corrosión bajo tensión.

Para las penetraciones de los CRDM, MSIP representa un medio económico y eficaz para extender la vida de las cabezas de los reactores PWR en operación y una protección adicional para cabezas de sustitución nuevas.

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