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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
CONCEPTOS GENERALES
Fatiga de materiales
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:
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
Tipos de
análisis a
fatiga
Fatiga de componentes no fisurados 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.
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.
Fatiga de bajo número de ciclos - Menos de 10.000 ciclos hasta inicio de fisuras
- Tensiones superiores a límite elástico.
- Ejemplo: transitorios operativos en centrales nucleares.
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.
5
t
σ
Evolución temporal de
la tensión
Factor de Uso
Δσ1, N1
Δσ2, N2
Δσ3, N3
S
N Na,1 Na,2 Na,3
Número de ciclos
admisible para cada rango
Ciclos de tensión
agrupados por rangos
S(Δσ1)
S(Δσ2)
S(Δσ3)
FATIGA EN REACTORES
BWR
Componentes sometidos a daño por fatiga
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
Cofrentes Nuclear Power Plant 11
Paso 1 Paso 2 Paso 3
Paso 4 Paso 5 Paso 6
Identificación de los
componentes afectados
por fatiga en la Barrera de
Presión y Contención
Primaria (Clase I)
Identificación de
componentes
seleccionados por el
NUREG/CR-6260 y otra
documentación aplicable
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
Definición de la
metodología de control de
fatiga
- Monitorización
- Implementación del factor
ambiental
Evaluación del daño
acumulado (U y Uenv)
Acciones correctivas (en caso
de ser necesarias):
- Análisis más refinados
- Incluir nuevas localizaciones
- Reparar
- Sustituir
SITUACIÓN EN C.N.
COFRENTES
Gestión del daño por fatiga para la operación a largo plazo
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
C.N. Cofrentes 14
Transitorios
(según tabla 5.6-1 ETF 5.6.2.4)
Hipótesis de
diseño
Transitorios
acumulados
hasta 31-12- 2012
Ciclos de calentamiento y enfriamiento: (21ºC a
293,3ºC/293,3ºC a 21ºC) 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
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.
C.N. Cofrentes 15
(*) Cálculos basados en hipótesis conservadoras y datos de operación correspondientes a un periodo de tiempo limitado.
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)
17
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
Hoja de ruta (1/2)
18
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
Programa de cálculo de fatiga
C.N. Cofrentes 19
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.
• 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).
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 NUREG-
1801 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).
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.
C.N. Cofrentes 20
Safe End
Mecanismo dominante:
fatiga de bajo número de
ciclos por transitorios
operativos.
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.
Radio interno
Mecanismo dominante:
fatiga de alto número de
ciclos por ciclado térmico.
Fatiga a largo plazo:
cálculos en proceso de
ejecución utilizando datos
de operación histórica
acumulada a diferentes
temperaturas de agua de
alimentación.
Sección de una tobera de agua de alimentación
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
C.N. Cofrentes 22
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
Comparación automática
de los datos de
instrumentación con los
transitorios de diseño
aplicables, utilizando
algoritmos de
reconocimiento de
patrones.
…
Tr. Diseño 1 Tr. Diseño N
FASE III
Actualización de la tabla de transitorios
acumulados para todos los componentes
monitorizados.
+ 1
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