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Comisión Nacional de Energía Atómicadependiente de la Presidencia de la Nación

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS DE TUBOS DE PAREDES DELGADAS

H. Ábrales, I. L. Barman y C. Venturino

IV Jornadas MetalúrgicasSociedad Argentina de MetalesCórdoba, noviembre de 1970

Departamento de MetalurgiaBuenos Aires - Argentina

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS DE TUBOS DE PAREDES DELGADAS

H. Ábrales*, I. L. Barman* у С Venturino*

RESUMEN

Las vainas de barras combustibles (tubos de Zircaloy de paredes de lgadas)requieren un control dimensional y de defectos muy estricto. En este trabajo se describenalgunos métodos utilizados en la CNEA para la medición de: 1) diámetro exterior, 2) diá-metro interior, 3) ovalización, 4) defectos, 5) rugosidad. Para la medición de diámetroexterior e interior se utilizó un sistema electromagnético basado en la variación de reluc-tancia de una bobina. La ovalización se midió con un palpador provisto de strain-gauges.Los defectos se evalúan mediante la utilización de un si3tema de corrientes parásitas(Eddy Currents).

Para la medición de rugosidad se dispone de un aparato comercial HommelWerke. Se discuten los métodos y los resultados obtenidos.

INTRODUCCIÓN

En este trabajo se describirán los métodos desarrollados para efectuar elcontrol dimensional y la detección de fallas en tubos de zircatoy de paredes delgadas. Losmismos se utilizan como vainas en los elementos combustibles de la Central Nuclear deAtucha. Dado que las condiciones de trabajo son de extrema dureza y que, por razones deseguridad, se exige la confiabilidad 1, no pueden utilizarse técnicas de muestreo, debiendoinspeccionarse cada uno de los tubos a emplear. Esto obliga a buscar métodos no solo con-fiables sino también rápidos.

Según las normas, deben hacerse los siguientes controles para verificar eícumplimiento de las tolerancias correspondientes:

diámetro exterior: se aceptan variaciones de hasta - 50/л. respecto del diámetro nominal.Se controlan todos los tubos.

diámetro interior: se aceptan variaciones de hasta - 50/A. respecto del diámetro nominal.Se controlan todos los tubos.

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Departamento de Metalurgia de la Comisión Nacional de Energía Atómica.

Ovalización : para una misma sección se aceptan variaciones para el diámetro mayor dehasta + 50 jw. respecto del diámetro nominal y para el diámetro menor dehasta - 5 0 u. del diámetro nominal. Se controUn algunos tubos al azar.

Defectos : se aceptan defectos longitudinales y transversales, interiores o exterioresde hasta la siguiente dimensión: longitud máxima: 5 mm; ancho máximo:0.1 mm; profundidad máxima: 10% del espesor de la pared. Se ensayan to-dos los tubos.

Rugosidad : Se admite una rugosidad media de hasta 1,6tubos al azar.

rms. Se controlan algunos

Para las mediciones de De, Di y defectos se utilizan métodos electromagné-ticos con dispositivos detectores diseñados en el laboratorio. La ovalización se mide me-diante strain gauges de acuerdo a un diseño propio. Para determinar rugosidad se usa unaparato comercial del tipo de pick-up detector (stilus type).

DIAMETRO EXTERIOR

El principio del método utilizado consiste en medir la variación de reluctan-cia en dos bobinas enfrentadas a sendas láminas flexibles de material fer romagnético entrelas cuales se coloca el tubo a medir (Figs. 1 y 2). Las láminas apoyan sobre el tubo median-te dos cuchillas de ágata de tal modo que al desplazar el mismo según su eje las variacionesde diámetro provocan un desplazamiento relativo de las láminas respecto ¿s las bobinas conel consiguiente cambio de reluctancia. Las bobinas están conectadas en ramas opuestas deun puente de Wheastone de tal modo que producen una salida diferencial proporcional a la va-riación de diámetro.

La calibración se hace utilizando patrones de espesor igual al del diámetro no-minal menos la tolerancia. Agregando calas de espesor adecuado se fijan los puntos corres-pondientes al diámetro nominal (que se шта como cero relativo) y al diámetro máximo acep-table según las especificaciones.

En la práctica la medición se realizó utilizando como detectores bobinasHottinger TR2, diseñadas para trabajar a 5 Kc/seg. El sistema electrónico está constituidopor un puente amplificador Philips 1200/01 y un registrador póteaciométrico HoneywellElectronik 19. El diseño y construcción del montaje de la cabeza detectora fue realizado enel laboratorio. El desplazamiento del tubo se hace mediante un motor de velocidad constante.

Este sistema, tal cual ha sido construido,tiene una sensibilidad total de1.23 U/ /div. del papel registrador.

Al utilizar este método hay que tener en cuenta que no es completamente li-neal, existiendo una relación óptima sensibilidad-lioealidad que es función de la distanciabobina-lámina y de las desviaciones máximas que desean detectarse (Fig. IS у 14). En

nuestro caso la sensibilidad lograda es suficiente para la medición que se desea hacer. Deses? necesario podría aumentarse mediante un diseño mecánico más elaborado de la cabezadetectara. La Fig. 9 muestra una porción típica del registro obtenido.

DIÁMETRO INTERIOR-J

Al igual que en el caso del diámetro exterior, se mide la variación de reluc-tancia. Para ello se utiliza un dispositivo explorador esquematizado en la Pig. 3. El diá-metro exterior de los centradores es ligeramente mayor que el del tubo a medir de tal mo-do que al introducirse la sonda en el mismo y desplazarla, las láminas de permalloy varia-rán su distancia respecto de la bobina siguiendo los cambios de diámetro, provocando el oon-siguiente cambio de reluctancia.

£1 sistema electrónico utilizado es el mismo que para diámetro exteriorsolo que en este caso la seflal no ss diferencial pues varía una sola rama del puente deWheastone.

La calibración se efectúa mediante un juego de tres patrones que corrasnoaden al diámetro interior nominal y a los dos extremos de la tolerancia. El valor medido esel diámetro promedio correspondiente a los tres puntos de contacto dt lo* centrado rea. Talcomo aparece en el registro (Fig. в), la alinealidad es bastante pronunciada. Esto м dan*a que la medición no es diferencial. En consecuencia no es posible definir de modo iniwjafrvoco la sensibilidad. Este método, asf resuelto, es apropiado como "calibra" рае* •» рал»más que como medición absoluta . Esta dificultad ее compensa por la alta velocidad А» ив-,dición que permite (del orden de 1 m/s). Para ello se hace desplazar el cabezal dentro deltubo, por succión con una bomba de vacío. En la Fig. в se muestra un registro representa*tivo para un tubo de Zircaloy de diámetro interior nominal 10,500 mm.

OVALIZACION Í! ?• " 1 ••'

Esta medición solo se hace en algunos tubos de cada lote, elegidos ai aitar» -Esto permitió servirse de un método discontinuo, utilizando strain gauges. i • ,

El dispositivo utilizado se muestra esquemáticamente en la Fig. 5. Comióteen una sonda prevista de centradorea y de dos láminas de acero mentadas en voladizo situa-das en oposición. Sobre la* misma* y cerca del estpotramiesio, se mentáis 4 strain gaugesque constituyen las cuatro rama* de «t puente de WbeaatoBeJ conectados entre sí d« tal aerdo que al variar la distancia entre lámina* dé «na señal diferencial. En el extremo НЬм de •las i^fnim» se montan »endas eeferitas de acero de tal modo- q»e la* mismas apoyen coittia ;la pared interior del tubo cuando se introduce la sonda. Hadiendo girar el tabala sonda^eb una misma sección se obtiene un* se*al coya validación ее proporcional a la va-riación de ¿«asaeteo. Un giro de *S0° peni** obtener lo* v:*Iore* «áxfano y mínimo delmismo, qnee*loедмs« banca. ЕЬШЫЬщещ^Щ&*т&<^\ S"'Í

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Los strain gauges utilizados son tipo KFB-03-CI-U de Kyowa. En cuanto q\sistema electrónico es el mismo utilizado en los casob anteriores. l a rotación del tubo selogra mediant? un motor de velocidad constante de 1 rpm. La sensibilidad total resulto de;1. 82 «-/div del pnpol registrador. En la Fig. 12 se muestra la forma del registro para dossecciones tfpicas. Га Fig. 7 muestra en forma ampliada un registro realizado dando dos v¡vueltas completas sobre una riisrna sección, lo que permite apreciar la reproducibilicíaddel método.

En este método hay que tener en cuenta los problemas de linealidad. La sen-sibilidad es porporcional a la distancia Strain gauge-bolita de acero, pero cuando la defor*mación es muy grande la variación de resistencia deja de ser lineal. De ahf que exista unadistancia óptima. En nuestro caso las limitaciones en sensibilidad se deben a que se quiere .medir un rango muy amplio, 100 Ц , y a problemas del disefio mecánico del sistema, no al ¡strain gauge mismo. Con el objeto de verificar la confiabilidad del método se compararon •las mediciones con las obtenidas utilizando rair-gauges", obteniéndose resultados concer*- ,dantea.

DETECCIÓN DE DEFECTOS i •

También en este caso se utilizó un método electromagnético, el conocido eck-;

mo de corrientes parásitas o Eddy Currents. Es bien sabido que un campo magnético varia-ble induce corrientes en materiales conductores. l& densidad de estas corrientes se ve afec-tada además de las propiedades eléctricas magnéticas y dimensionales del material, por lapresencia de solucionen de continuidad en el mismo. Esta ultima propiedad es la que resultade interés en nuestro caso, pues permite la detección de deféctoscomo fisuras y variacionesen el espesor de pared de los tubos. t

Para llevar a cabo esta medición se ^isefió un dispositivo explorador (Pig. 6y,que se desplaza por el interior del tubo y que consiste en un conjunto de bobinas coaxilee delas cuales un par conectadas en serie adicional constituyen la parte exitadora, mientras queotras dos bobinas superpuestas a las anteriores y conectadas en serie oposición forman uncaptor diferencial. ТА salida de este captor se envfa a un equipo Foerster Defectographque procesa la información de manera tal que elimina o reduce los efectos debidos a los pa-rámetros no relevantes. La señal se registra oscilográficarr.ente. ^ ,> ¡

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s••' \& calibración se realiza mediante patrones de defectos, comparando lap méH&-les relativa^ para cada uno. 9Estos patrones se preparan produciendo rayas y fíeoras de las di-mensiones deseadas por electroerosión. En nuestro caso se prepararon defectos longitudiaa-les y transversales tanto intérioree como exteriores en trozos de tubos idénticos a lo» que ha-bfa que controlar. ;= r . cí

En las Figs. 10 y^11 se muestranalgunos registro» con Tos тафтев corres-pondientes a los defectos petronte otiUiados en cada с a* o. La »eneibilided-del método per-mite detectar sin ambigüedad fisuras d^ prolimdidad mñiiuia d& 50 ÅK . í , %

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RUGOSIDAD

Esta medición se efectúa con un rugosfmetro Hommel-Werke modelo P lque permite determinar la rugosidad absoluta y la rugosidad media aritmética. Las es-pecificaciones de las vainas de Ziícaloy están expresadas еь rms por lo que hay.que te-ner en cuenta el 11% de diferencia entre la media aritmética]^ la media geométrica. Losvalores obtenidos son del orden de 0.3 ä 0.6 ylA-m rms. La medición es discontinua yse hace sobre algunos tubos escogidos al azar. '

DISCUSIÓN DE LOS MÉTODOS Y RESULTADOS í-

Una observación general sobre los métodos utilizados, exceptuando diáme-tro exterior y rugosidad, es que para poder realizarlos es necesario hacer un dispositivoexplorador ad-hoe para el diámetro de tubo que se desea medir. Es decir que, en gene-ral, solo tiene sentido utilizarlos cuando se trata de inspeccionar un numero importantede unidades. Por otra parte, todos los métodos descriptor, salvo el de detección de defec-tos, son utilizables para tubos de cualquier material, metálicos o nó con la única limita-ción probable dada por la rugosidad y uniformidad superficial. El método de corrien-tes parásitas es utilizable solo en materiales do alta conductividad y en espesores relativa-mente pequeños debido a la poca penetración de las corrientes mismas. '

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Fig. 1 - 1: Bobinas; 2: laminae flexible*;3: cuchillas de ágata; 4: tubo deZircaloy.

Fig. 2

Fif. 3 - 1 : Cuerpo en bronce; 2: aletas flexiblesde teflon; 3: bobina; 4: láminas de per-malloy

Fig. 4

Fig. 5 - 1 : Centradoree de Teflon;2: lámiaas de aceros flexibles;3: bottles de aoero; 4: strai»

Flg. в - 1: СтЛтлаотт de Tfcflfa;2: bobüMM de exoitaoiok;S: bobiaae captoras.

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Fig. 7.- OrtlixaciAi: registra de 2 oicloe ownpletoeM I * una minna Mooión

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Fíg. 10 - Defectos patronee:registros corres-pondientes a fisuraslongitudinales de 120,72 y 40 de profun-didad y 5 nun de lon-gitud.

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Fig. 11 - .Registro d« im tubotipleo sin defectos

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Fíg. 12 - Registro de ovalíracíón para 2 secoloses distintas de an mismo tubo.

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