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39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Validación de las inspecciones con ultrasonidos de las soldaduras de la
Vasija de Vacío del reactor del ITER
A. García, F. Fernandez, C. Perez, J.A.Sillero.
Tecnatom, S. A., Avenida Montes de Oca 1, 28703 San Sebastián de los Reyes,
[email protected]; [email protected]; [email protected];
[email protected]
Resumen - La vasija de vacío del reactor fusión del ITER tiene miles de soldaduras
austeníticas con formas y procesos de fabricación diferentes. El Código RCC-MR, que
es el que aplica a la fabricación del reactor de fusión, requiere realizar un examen
volumétrico de todas ellas. Este examen se debe realizar principalmente por
radiografías y, en las soldaduras en donde no sea posible emplear este método, por
ultrasonidos.
El propósito de la inspección por ultrasonidos es detectar y caracterizar posibles
defectos de fabricación. La caracterización debe determinar si un defecto previamente
detectado es plano o volumétrico. Los defectos planos no son aceptables en ningún
caso.
Para asegurar la máxima fiabilidad de la inspección, evitando al mismo tiempo
reparaciones innecesarias, se ha desarrollado una combinación de varias técnicas de
ultrasonidos. La detección de los defectos se realiza combinando las técnicas phased
array y pulso-eco. La caracterización de los defectos se realiza combinando técnicas
phased array, pulso-eco, tándem y LLT. Para la validación de las técnicas de
ultrasonidos desarrolladas se dispone de bloques de pruebas con defectos, que son
representativos de las distintas configuraciones de las soldaduras.
En definitiva, para la fabricación de los sectores de la Vasija de Vacío que están
siendo fabricados por el consorcio italiano formado por Ansaldo Nucleare, Mangiarotti
y Walter Tosto, se dispondrá de un conjunto de varias técnicas de ultrasonidos para
garantizar el cumplimiento del los requisitos del Código RCC-MR (edición 2007). La
validación de las técnicas de inspección está siendo supervisada por la Agencia
Europea Fusion for Energy, que es la responsable de la gestión de la fabricación de la
Vasija de Vacío.
INTRODUCCIÓN
La Vasija de Vacío es un recipiente de acero austenítico que alberga la reacción de
fusión. Las partículas de plasma giran en su cámara interior, que tiene forma de toroide y
sección en forma de “D”. El diseño y la fabricación de la Vasija de Vacío, y los exámenes
que ésta lleva aparejados, siguen los requisitos del Código RCC-MR edición de 2007.
Este Código requiere que se realice un examen volumétrico de todas las soldaduras
de la Vasija de Vacío de las categorías 1 y 2. Debido a las características geométricas y a
la secuencia de construcción de la Vasija de Vacío, algunas de estas soldaduras son sólo
accesibles desde una sola superficie (ver Figura 1).
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FORMA D
12.0°
FORMA Z
4.0°
60.0 (40.0)
10.0°
60.0 (40.0)
60.0 (40.0)
FORMA A
Figura 1. Soldaduras que hay que inspeccionar con ultrasonidos.
Esta característica hace que no sea posible realizar el examen volumétrico de estas
soldaduras con radiografías. El examen volumétrico alternativo con ultrasonidos presenta,
entre otras, las siguientes dificultades:





Las soldaduras están fabricadas con acero austenítico, empleando varios procesos
diferentes de soldadura (automáticos y manuales). El espesor habitual de las
soldaduras es 60mm. A pesar de que los requerimientos de calidad exigidos a los
materiales y a los procedimientos de soldadura son muy exigentes, la inspección de
soldaduras austeníticas siempre es un reto debido a la anisotropía de los materiales.
En algunas soldaduras la superficie accesible (esto es, la superficie sobre la que se
acopla el palpador) a ambos lados de la soldadura está limitada. Esta situación es
consecuencia de la complejidad de la geometría de la Vasija de Vacío. A fin de
garantizar la inspección con ultrasonidos de todas las soldaduras, se han diseñado
los palpadores y las técnicas de examen para que la superficie de acoplamiento
requerida a cada lado de la soldadura sea lo más pequeña posible. Para ello se han
realizado algunos cambios en el diseño de la Vasija de Vacío para garantizar esta
superficie mínima accesible en todas las soldaduras.
La forma de la superficie de acoplamiento de los palpadores es curva. Debido a la
forma de toroide de la Vasija de Vacío, hay soldaduras con superficies de
acoplamiento cóncavas y convexas, tanto en la dirección de la soldadura como en la
dirección perpendicular a la soldadura. Aunque en la mayoría de los casos estas
curvaturas son despreciables debido a las grandes dimensiones de la Vasija de
Vacío, no en todos los casos es así.
La línea central de las soldaduras puede ser recta, curva, o un círculo. Para asegurar
con las máximas garantías la inspección de todas las soldaduras, todos los exámenes
in situ (esto es, sobre el componente real) se van a realizar con un dispositivo
semiautomático que permite codificar la posición del palpador. De cada examen que
se realice a cada una de las soldaduras se va a generar un fichero de datos que
contendrá la señal completa de ultrasonidos de cada uno de los palpadores, junto con
las posiciones (coordenadas) en las que el palpador ha adquirido los datos de
ultrasonidos.
El Código RCC-MR requiere que se caracterice cada uno de los defectos detectados,
esto es: que se establezca si estos defectos son planos o volumétricos. Todos los
defectos planos (grietas, faltas de fusión y mordeduras discontinuas) son no son
aceptables, independientemente de su tamaño y posición.
Teniendo en cuenta las dificultades que se acaban de exponer, la agencia europea
Fusion for Energy, responsable de gestionar la fabricación de la VV, requiere la validación
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de las inspecciones volumétricas por ultrasonidos de las soldaduras con acceso desde una
sola superficie. Tecnatom es responsable de dicha validación.
TIPOS DE DEFECTOS
Los defectos postulados en las soldaduras se clasifican como planos o volumétricos.
Las variables esenciales que se están considerando de cada defecto son:





Las dimensiones (altura a través de la pared y longitud)
La posición (en el metal base, en el metal de la soldadura o en la interfaz de
soldadura)
La ubicación en el espesor (abiertos a cualquiera de las superficies o embebidos)
La orientación (perpendicular o paralelo a la soldadura) y la inclinación.
La naturaleza (plana o volumétrica).
Una relación de los defectos que han sido postulados se da en la Tabla 1.
Tabla 1. Defectos postulados. Imperfecciones en la raíz y factores de perturbación
Defectos de soldadura
Inclusiones de escoria (para SMAW)
Volumétrico
Inclusiones de tungsteno (para GTAW)
Volumétrico
Sopladuras y poros
Volumétrico
Grietas
Plano
Grietas calientes
Plano
Faltas de fusión
Plano
Mordeduras discontinuas
Plano
Imperfecciones de soldadura en la zona de la raiz
Falta de penetración en la raíz
-Rechupe de raiz
-Exceso de penetración
-Contracción en la raíz
-Factores de perturbación
Nodo de soldaduras
-Soldaduras reparadas
-Desalineamientos
--
TECNICAS DE INSPECCIÓN. PALPADORES PHASED ARRAY
Teniendo en cuenta todos los requerimientos para los exámenes con ultrasonidos
que se han indicado, la técnica de ultrasonidos básica propuesta es la de pulso eco,
empleando un palpador phased array que realiza la inspección en dos direcciones
(perpendicular y paralela a la soldadura) y en las cuatros orientaciones posibles (Y+, Y-, X+
e X-). Este palpador es de tipo dual (esto es, con las etapas emisoras y receptoras
separadas), y se monta sobre una zapata angular. La ventaja de emplear un palpador
phased array está en que este tipo de palpadores permiten minimizar los movimientos de
exploración (lo que es adecuado dado el reducido espacio existente a cada lado de la
soldadura), y que permiten refractar durante un único examen haces de ultrasonidos con
diferentes ángulos, y con los dos tipos de onda (longitudinal y transversal).
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En los palpadores duales la sensibilidad máxima se produce en la zona en donde
los haces de ultrasonidos de la etapa emisora y receptora se cruzan. La ventaja de este
diseño está en que mejora la relación señal-ruido de la señal de ultrasonidos en la zona de
cruce, y en que se eliminan los ecos de reverberación en la zapata.
Las leyes focales se calculan para barrer el volumen de inspección con haces
refractados que varían dentro de un rango de ángulos determinado. Un primer conjunto de
haces de ultrasonidos cubre el tercio superior del volumen de inspección con ondas
longitudinales, un segundo conjunto cubre la zona intermedia y el tercio inferior del
volumen con ondas longitudinales, y un tercer conjunto cubre el tercio inferior con ondas
transversales. De esta manera un palpador phased array dual sustituye a toda una serie de
palpadores convencionales, lo que permite reducir el tiempo de inspección.
LCS
Para detectar los defectos paralelos a la soldadura, el palpador se desplaza a lo
largo de cada uno de los lados de esta soldadura (ver Figura 2). Para detectar los defectos
perpendiculares a la soldadura, el palpador se desplaza sobre la soldadura en las dos
direcciones opuestas (ver Figura 3).
Vista lateral
Vista frontal
Vista planta
Ondas longitudinales.
Inspección de la parte superior del volumen.
Ondas longitudinales.
Inspección de la parte media e inferior del volumen.
Ondas transversales.
Inspección de la parte inferior del volumen.
Ondas longitudinales
Ondas transversales
Ondas longitudinales
Figura 2. Examen para la detección de defectos paralelos a la soldadura
LCS
Vista lateral
Vista frontal
Vista planta
Ondas longitudinales.
Inspección de la parte superior del volumen.
Ondas longitudinales.
Inspección de la parte media e inferior del volumen.
Ondas transversales.
Inspección de la parte inferior del volumen.
Ondas longitudinales
Ondas transversales
Ondas longitudinales
Figura 3. Examen para la detección de defectos perpendiculares a la soldadura
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OTRAS TÉCNICAS. PALPADORES CONVENCIONALES
Como un complemento a la técnica con palpadores phased array que se han
descrito anteriormente, se están desarrollando otras técnicas de inspección empleando
palpadores convencionales. El propósito de estas técnicas es complementar los exámenes
realizados con los palpadores phased array en la detección y caracterización de algunos
defectos concretos. Estos palpadores son:
Palpadores de onda de creep con técnica pulso-eco para la detección de defectos
abiertos a la superficie de exploración, tanto perpendiculares como paralelos a la
soldadura. Estos defectos se han postulado de unas dimensiones de 2.0 mm x 20mm
(altura x longitud). Aunque los palpadores phased array detectan estos defectos, el
empleo de palpadores de onda de creep permite mejorar notablemente la relación
señal ruido con que son detectados estos defectos. Por tanto, se ha propuesto que la
inspección de todas las soldaduras de la Vasija de Vacío incluya un examen con
estos palpadores en las cuatro direcciones (Y+, Y-, X+ & X-, ver Figura 4 y Figura 5).
Ondas de creep.
Inspección de la parte superior
del volumen
Onda de creep
Vista frontal
Vista planta
LCS
Vista lateral

Figura 4. Examen para la detección de defectos abiertos paralelos a la
soldadura
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LCS
Vista lateral
Vista frontal
Vista planta
Ondas de creep.
Inspección de la parte superior
del volumen
Onda de creep
Figura 5. Examen para la detección de defectos abiertos perpendiculares a la
soldadura

Palpadores de baja frecuencia (~1.0MHz) con técnica pulso-eco para la detección de
defectos perpendiculares a la soldadura y abiertos a la superficie opuesta a la de
inspección. La detección de estos defectos se puede realizar con los palpadores
phased array posicionando el palpador en el material base, y orientando la posición
del palpador con respecto a la línea central de la soldadura. Sin embargo, la
detección de estos defectos posicionando el palpador justo sobre la línea central de la
soldadura (es decir, con la señal de ultrasonidos viajando siempre a través de la
soldadura) sólo es posible con este tipo de palpadores (ver Figura 6).
LCS
Ondas longitudinales.
Inspección de la parte inferior
del volumen
Figura 6. Examen para la detección de defectos abiertos perpendiculares a la
soldadura

Palpadores focalizados con técnica pulso-eco para la caracterización de defectos
(mediante la búsqueda de señales de difracción). Con los palpadores phased array es
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posible observar las señales de difracción de los defectos planos. Se puede conseguir
mejorar la relación señal-ruido de estas señales de difracción de varias maneras. Por
ejemplo, se puede mejorar esta señal usando palpadores phased array matriciales, o
empleando zapatas anguladas. No obstante, la forma más sencilla de conseguir
mejorar esta relación señal ruido es empleando palpadores convencionales
focalizados a distintas profundidades (ver Figura 7).
LCS
Figura 7. Examen para la caracterización de defectos (palpadores focalizados)

Palpadores de onda transversal con técnica tándem. El objetivo de esta técnica es
confirmar que un defecto caracterizado como plano (por haber observado posibles
señales de difracción) es realmente plano. El criterio que se postula emplear en esta
técnica es considerar que la amplitud de la señal reflejada por un defecto plano es
mayor que la amplitud de la señal reflejada por un defecto volumétrico. El rango de
espesores en el que se puede aplicar esta técnica está comprendido
aproximadamente entre 0mm y 40mm (ver Figura 8).
LCS
E
R
Figura 8. Examen para la caracterización de defectos (palpadores en tándem)
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
Palpadores del tipo LLT con técnica auto-tándem. El objetivo de esta técnica es el
mismo que el de la técnica tándem. El rango de espesores en el que se va a aplicar
esta técnica está comprendido aproximadamente entre 30mm y 60mm (ver Figura 9).
LCS
R
E
Figura 9. Examen para la caracterización de defectos (palpadores LLT)
CONCLUSIONES
El examen volumétrico de algunas soldaduras de la Vasija de Vacío sólo se puede
realizar con ultrasonidos desde una de sus superficies. A las dificultades habituales cuando
se realiza la inspección de soldaduras austeníticas, en este caso se deben añadir las
debidas a limitaciones en el espacio disponible para realizar los exámenes, la complejidad
de la geometría de la Vasija de Vacío, y los exigentes requerimientos del Código RCC-MR.
Por todas estas dificultades, la agencia europea Fusion for Energy requiere la
validación de las inspecciones volumétricas por ultrasonidos de las soldaduras de la vasija
de Vacío con acceso desde una sola superficie. Tecnatom es responsable de dicha
validación.
Se ha propuesto realizar la inspección básica con ultrasonidos de las soldaduras de
la Vasija de Vacío empleando técnica pulso-eco con palpadores phased array. Esta
inspección básica se va a complementar con otras técnicas y palpadores para detectar y
caracterizar defectos específicos.
REFERENCIAS


RCC-MR, Design and Construction Rules for Mechanical Components of Nuclear
Installations, Section 3: Examination Methods and Section 4: Welding. Edition 2007.
CEN/TR 14748:2004, Non-destructive testing – Methodology for qualification of nondestructive tests.