Implantación del Programa de Gestión de la Fatiga de Materiales en C.N. Cofrentes J.D. Sánchez Zapata D. Galbally 24 abril 2014 Índice Conceptos básicos de la fatiga de materiales. Factor de uso y método de cálculo. Fatiga en reactores BWR. Diseño original: factor de uso estimado a partir de transitorios de diseño. Requisitos para la operación a largo plazo. Situación en C.N. Cofrentes Recuento de transitorios. Compromisos con el CSN tras la RPS de 2011. Hoja de ruta del PGE de seguimiento de fatiga. C.N. Cofrentes 2 Fatiga de materiales CONCEPTOS GENERALES C.N. Cofrentes 3 Conceptos básicos de la fatiga de materiales La fatiga es el daño estructural que los materiales acumulan de forma progresiva al estar sometidos a cargas cíclicas. Existen diferentes tipos de análisis de fatiga de materiales: Fatiga de bajo número de ciclos Fatiga de componentes no fisurados Tipos de análisis a fatiga Condición inicial: componente libre de fisuras. Objetivo: estimar la vida útil hasta el inicio de fisuras. Fase del mecanismo de fatiga: iniciación. Fatiga de componentes fisurados Condición inicial: componente con fisuras. Objetivo: estimar la vida remanente hasta el fallo. Fase del mecanismo de fatiga: propagación. - Menos de 10.000 ciclos hasta inicio de fisuras - Tensiones superiores a límite elástico. - Ejemplo: transitorios operativos en centrales nucleares. Fatiga de alto número de ciclos - Más de 10.000 ciclos hasta inicio de fisuras. - Tensiones inferiores a límite elástico. - Ejemplo: vibraciones, ciclado térmico por mezcla de fluidos. Esta presentación se centra en el análisis de componentes no fisurados, ya que es el área de mayor interés desde el punto de vista de gestión de vida orientada a la operación a largo plazo de las centrales nucleares. C.N. Cofrentes 4 Factor de uso. Método de cálculo El factor de uso acumulado por fatiga, U, (CUF en la literatura Inglesa), es un parámetro habitualmente utilizado en códigos de diseño para representar el daño acumulado por un componente debido a la acción de cargas cíclicas. El factor de uso debe ser inferior a 1.0 durante la vida del componente para garantizar la no aparición de fisuras por fatiga. El factor de uso se calcula aplicando la denominada Regla de Miner, que requiere la clasificación de la secuencia de tensiones histórica en grupos de ciclos con los mismos rangos de tensión. La curva S-N del material determina el número de ciclos admisible para cada rango de tensión. Δσ1, N1 σ S Δσ2, N2 S(Δσ1) Δσ3, N3 S(Δσ2) S(Δσ3) Factor de Uso Na,1 Na,2 t Evolución temporal de la tensión Ciclos de tensión agrupados por rangos Na,3 N Número de ciclos admisible para cada rango 5 Componentes sometidos a daño por fatiga FATIGA EN REACTORES BWR C.N. Cofrentes 6 Componentes sometidos a daño por fatiga en reactores BWR Todos los componentes sometidos a cargas cíclicas son susceptibles de acumular daño por fatiga. Es necesario prestar especial atención a componentes sometidos a choques térmicos debidos a inyección de refrigerante a temperaturas reducidas (toberas de agua de alimentación, sistemas de emergencia, …) Método para identificar componentes sometidos a cargas cíclicas: revisión del Estudio Final de Seguridad y de los cálculos de diseño originales. Componentes más relevantes en el caso de reactores BWR: Vasija del reactor y componentes internos Sistemas de tuberías Clase I Contención Fuentes de consulta NUREG/CR-6260 Documentación de EPRI C.N. Cofrentes 7 Ejemplo de componente típico sometido a fatiga en reactores BWR Las toberas de agua de alimentación de la vasija del reactor son un ejemplo típico de componente sometido a los dos tipos de fatiga descritos al principio de la presentación Fatiga de bajo número de ciclos: dominada por choques térmicos producidos por la inyección de agua de alimentación a baja temperatura durante arranques, paradas, paradas calientes, etc. Fatiga de alto número de ciclos: debida a ciclado térmico por mezcla turbulenta de agua de alimentación con el refrigerante de la vasija en condiciones de saturación (mecanismo mitigado tras implantar las recomendaciones recogidas en la revisión 1 del NUREG-0619). C.N. Cofrentes 8 Diseño a fatiga para vida de diseño original de 40 años Diseño basado en el código de diseño aplicable Centrales de diseño estadounidense: ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section III. Caracterización de los materiales utilizando curvas procedentes de probetas pulidas ensayadas en ambiente no agresivo (aire) utilizando la deformación como parámetro de control Antes de la construcción no se conoce la operación real a la que estará sometida la central. Es necesario utilizar hipótesis de diseño: Hipótesis sobre la evolución temporal de las variables de operación (presión, caudal, temperatura, etc.) durante las diferentes condiciones de operación de la planta. Esta hipótesis define los denominados “transitorios de diseño”. Hipótesis de uso de la planta. Esta hipótesis define la frecuencia de ocurrencia de los diferentes transitorios de diseño durante el la vida de la central. Criterio de aceptación: el factor de uso debe ser inferior a 1.0 durante el periodo de tiempo considerado en los análisis de diseño (40 años). C.N. Cofrentes 9 Operación a largo plazo En Estados Unidos, las bases del proceso regulatorio de renovación de licencia para la extensión de vida están recogidas en el 10 CFR 54. Se requiere la identificación y evaluación de todos los análisis que forman parte de las bases de licencia de la instalación y que utilizan hipótesis de vida de diseño limitada (AEFTs). Los análisis de fatiga pertenecen a esta categoría En el capítulo X del documento NUREG-1801, Rev. 2, se proporcionan las directrices aplicables al desarrollo de programas de gestión del envejecimiento para AEFTs de acuerdo con los requisitos de 10 CFR 54.21 Fatiga: Capítulo X.M1 del NUREG-1801 Esta metodología es directamente aplicable a la industria nuclear española: la norma 10 CFR 54 y el NUREG-1801 están referenciados en el apartado 5.2 de la Instrucción IS-22 editada por el CSN para regular la gestión del envejecimiento y operación a largo plazo de centrales nucleares españolas. C.N. Cofrentes 10 Programa de Gestión de Fatiga Etapas en la Definición de un PGE de Fatiga a Largo Plazo Paso 1 Identificación de los componentes afectados por fatiga en la Barrera de Presión y Contención Primaria (Clase I) Paso 2 Identificación de componentes seleccionados por el NUREG/CR-6260 y otra documentación aplicable Paso 3 Ordenación y categorización de transitorios: - Selección de transitorios operativos que afectan a cada componente - Caracterización de pruebas de mantenimiento que puedan generar daño por fatiga Paso 4 Definición de la metodología de control de fatiga Paso 5 Evaluación del daño acumulado (U y Uenv) Paso 6 Acciones correctivas (en caso de ser necesarias): - Análisis más refinados - Monitorización - Incluir nuevas localizaciones - Implementación del factor ambiental - Reparar Cofrentes Nuclear Power Plant - Sustituir 11 Gestión del daño por fatiga para la operación a largo plazo SITUACIÓN EN C.N. COFRENTES C.N. Cofrentes 12 Gestión de la fatiga dentro de la vida de diseño Los transitorios utilizados en el diseño de los componentes Clase 1 de C.N. Cofrentes están recogidos en el Estudio Final de Seguridad. De acuerdo con el apartado 5.5.5 del documento de especificaciones técnicas estándar para reactores BWR/6, NUREG-1434, volumen 1, revisión 3, las Especificaciones Técnicas de Funcionamiento de C.N. Cofrentes incluyen un proceso que permite hacer un seguimiento de transitorios definidos en el Estudio Final de Seguridad. Las actuales Especificaciones Técnicas de Funcionamiento Mejoradas de C.N. Cofrentes dan cumplimiento a este requisito en el apartado 5.6.2.4 y en la tabla 5.6-1 asociada, “límites cíclicos de transitorios de los componentes” Adicionalmente, C.N. Cofrentes lleva a cabo una monitorización basada en cálculo de tensiones del daño acumulado por fatiga en las toberas de agua de alimentación del reactor. C.N. Cofrentes 13 Tabla de seguimiento de transitorios Hipótesis de diseño Transitorios acumulados hasta 31-12- 2012 120 34 Ciclos de cambio de potencia (75% a 100% a 75%). 10000 296 Ciclos de cambio de potencia (50% a 100% a 50%). 2000 177 Ciclos de intercambio de la disposición de las barras de control. 400 52 Ciclos de cambio de paso. Pérdida de los calentadores de agua de alimentación. Con un límite de 80 ciclos. 80 3 Ciclos de disparo del reactor (SCRAM). (100% a 0%) 200 109 Ciclos de pruebas de fugas o pruebas hidrostáticas de presión. (Presurizado a ≥ 65,4 kg/cm2 y ≤ 87,9 kg/cm2). 40 29 Transitorios (según tabla 5.6-1 ETF 5.6.2.4) Ciclos de calentamiento y enfriamiento: (21ºC a 293,3ºC/293,3ºC a 21ºC) C.N. Cofrentes 14 Conclusiones de la Revisión Periódica de Seguridad 2011 Tras la RPS de 2011, el CSN plantea dos cuestiones sobre aspectos que pueden condicionar la vida útil de la vasija del reactor: La extrapolación lineal a 40 años del número de pruebas de fugas de vasija acumuladas hasta la fecha de la RPS (28) se aproximaba al número de pruebas de fugas utilizado en los cálculos de diseño (40). Los cálculos realizados hasta esa fecha* extrapolados a 40 años del factor de uso de las toberas de agua de alimentación basado en transitorios reales se aproximaban al valor de 1.0. Compromisos con el CSN derivados de la RPS: Cálculo del consumo de fatiga real asociado a las pruebas de fugas de la vasija del reactor. Determinación más precisa del consumo de fatiga acumulado por la vasija a causa de los transitorios de diseño reales ocurridos durante la operación de la planta desde su puesta en servicio. (*) Cálculos basados en hipótesis conservadoras y datos de operación correspondientes a un periodo de tiempo limitado. C.N. Cofrentes 15 Planteamiento de estrategia para operación a largo plazo Adicionalmente a los requisitos asociados a la RPS de 2011, en 2012 C.N. Cofrentes plantea su estrategia para operación a largo plazo desde el punto de vista de gestión de la fatiga como mecanismo de envejecimiento: Recopilación de requisitos aplicables según 10 CFR 54 e IS-22. Programa de gestión del envejecimiento por fatiga de acuerdo con capítulo X.M1 del NUREG-1801: Alcance: NUREG/CR-6260 y componentes adicionales sometidos a fatiga. Monitorización: cálculo de tensiones o recuento de ciclos en función de la criticidad de cada componente y valor del factor de uso de diseño. Seguimiento de los efectos del envejecimiento mediante actualización periódica de los cálculos y seguimiento de tendencias, incluyendo acciones correctivas en caso de detectar incrementos elevados del factor de uso. Criterio de aceptación: U < 1.0 para toda la vida útil del componente. Implantación de controles administrativos para asegurar robustez del proceso. Inclusión de experiencia operativa de flota. Incorporación del factor ambiental para la operación a largo plazo de acuerdo con requisitos recogidos en NUREG-1800. 16 Hoja de ruta (1/2) Tarea Descripción Plazo T.0 Respuesta a requisitos de RPS: análisis del posible impacto de las pruebas de fugas, y análisis de conservadurismos en estimación del factor de uso de las toberas de AA. 2012 2013 T.1 Identificación de todos los componentes que deben tener asociado un análisis de envejecimiento función del tiempo (AEFT) por fatiga. 2012 2013 T.2 Caracterización de todos los transitorios de diseño que se recogen en el EFS y que contribuyen al consumo de fatiga de componentes dentro del alcance. 2012 2013 T.3 Programa de cálculo de fatiga basado en tensiones según metodología ASME, eliminando hipótesis que puedan penalizar excesivamente el factor de uso calculado. 2012 2013 T.4 Procedimiento estandarizado para el seguimiento de los transitorios identificados en la tarea T.2. 2013 2014 17 Hoja de ruta (1/2) Tarea Descripción Plazo T.5 Estimación del incremento de fatiga asociado a cada componente en caso de ocurrencia de cada tipo de transitorio de diseño identificado en la tarea T.1. 2013 2014 T.6 Actualización del recuento de todos los transitorios de diseño identificados en la Tarea T.1 que han ocurrido en C.N. Cofrentes desde 1984. 2013 2014 T.7 Definición de AEFTs relativos a fatiga 2014 2015 T.8 Incorporación del efecto del factor ambiental a todos los cálculos de fatiga 2015 T.9 Integración de los resultados de todas las tareas anteriores para completar el Programa de Gestión de Envejecimiento por Fatiga para C.N. Cofrentes 2016 18 Programa de cálculo de fatiga Necesidad del PGE de fatiga Funcionalidad del programa de cálculo Bajo número de ciclos: Seguimiento estricto de la metodología de cálculo ASME para eliminar hipótesis que penalicen innecesariamente el factor de uso calculado a partir de datos de operación. • Alto número de ciclos: monitorización del fenómeno en las toberas de agua de alimentación. Incorporación de algoritmos para monitorizar la fatiga causada por ciclado térmico debido a mezcla de fluidos a diferente temperatura. Procedimiento estandarizado de seguimiento de transitorios (tarea T.4) Reconocimiento automático de transitorios a partir de datos de operación y generación automática de un “libro de eventos”. Controles administrativos para asegurar la robustez del proceso, de acuerdo con directrices del NUREG1801 y RIS 2011-14. Proceso de cálculo centralizado a partir de datos del computador de procesos, con requisitos de revisión y aprobación independiente de cualquier cambio realizado en la base de datos (control de cambios con permisos de acceso). Metodología de cálculo validada. Validación de resultados con casos de estudio propuestos por la NRC y EPRI Advisory Panel on Environmental Fatigue (ASME PVP2011-57651). C.N. Cofrentes • • Cálculo redundante de condiciones de contorno para evitar ciclos espurios debidos a fallos de instrumentación. Linealización exacta de tensiones para el cálculo de tensiones primarias, secundarias, y de pico. Cálculo tensorial de tensiones (RIS 2008-30). 19 Toberas de agua de alimentación Evaluación del impacto de las pruebas de fugas en el consumo de vida útil por fatiga de estos componentes (RPS-2011) Se comprueba que el consumo de fatiga asociado a las pruebas de fugas es nulo, por lo que el número de pruebas de fugas acumulado hasta la fecha no es relevante para estos componentes. Estimación del consumo de fatiga acumulado debido a operación real. Radio interno Safe End Mecanismo dominante: fatiga de alto número de ciclos por ciclado térmico. Mecanismo dominante: fatiga de bajo número de ciclos por transitorios operativos. Fatiga a largo plazo: cálculos en proceso de ejecución utilizando datos de operación histórica acumulada a diferentes temperaturas de agua de alimentación. Fatiga a largo plazo: datos históricos de operación en proceso de digitalización. Con los datos disponibles se estima que U a 60 años será inferior a 0.8. Sección de una tobera de agua de alimentación C.N. Cofrentes 20 Identificación de transitorios de diseño y componentes Ejemplo de tabla de transitorios y componentes para la vasija del reactor: C.N. Cofrentes 21 Procedimiento estandarizado de seguimiento de transitorios FASE I Adquisición de datos de la instrumentación de planta a través del computador de procesos. Procesado automático de datos para calcular variables de planta a través de instrumentos redundantes. FASE II … Tr. Diseño 1 C.N. Cofrentes Tr. Diseño N Comparación automática de los datos de instrumentación con los transitorios de diseño aplicables, utilizando algoritmos de reconocimiento de patrones. FASE III Actualización de la tabla de transitorios acumulados para todos los componentes monitorizados. +1 22 CONCLUSIONES C.N. Cofrentes 23 Conclusiones La fatiga de materiales es un mecanismo de envejecimiento significativo de muchos componentes pasivos relacionados con la seguridad de centrales nucleares. Los cálculos de diseño a fatiga originales incluían hipótesis de operación a 40 años que se ven excedidas con la operación a largo plazo. Para poder operar a largo plazo es imprescindible demostrar que las condiciones de operación reales de los componentes sometidos a fatiga son más benignas que las condiciones postuladas en el diseño (número inferior de transitorios y/o transitorios menos severos). Es necesario desarrollar un plan de gestión del envejecimiento por fatiga que documente adecuadamente el margen existente entre la operación real de la planta y la operación postulada en el diseño. Recuento de transitorios de planta. Monitorización del factor de uso mediante cálculos de fatiga basados en datos de operación. C.N. Cofrentes 24