Ensaios e Avaliações por Líquidos Penetrantes em Placas de Bocais de Elementos Combustíveis na Área Nuclear

Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3101 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 Ensaio e avaliação por líquidos penetrantes em placas de bocais de elementos combustíveis na área nuclear Testing and evaluation by penetrating liquids in nozzle plates of fuel elements in the nuclear area DOI1034117bjdv7n1211 Recebimento dos originais 05122020 Aceitação para publicação 10012021 Alexandre Roberto Soares Engº Me Mestrando em Engenharia Mecânica pela UNITAU Instituições Universidade de Taubaté UNITAU1 e Indústrias Nucleares do Brasil SA INB2 Endereço Rua Daniel Danielli sn TaubatéSP Brasil CEP 12060440 Email alexandrersoaresunitaubr Wendell de Queiróz Lamas Professor Dr da Escola de Engenharia de Lorena EELUSP Endereço Estrada Municipal do Campinho sn Ponte Nova Lorena SP Brasil Instituição Escola de Engenharia de Lorena Universidade de São Paulo EELUSP Email wendelllamasuspbr José Rubens Camargo Professor Dr da Universidade de Taubaté UNITAU Instituição Universidade de Taubaté UNITAU1 e FATEC de Pindamonhangaba Endereço Rua Daniel Danielli sn TaubatéSP Brasil CEP 12060440 Email jrubenscamargogmailcom RESUMO A área nuclear brasileira é competência da União monopólio constitucional Duas empresas atuam no programa nuclear brasileiro além do órgão regulador as Indústrias Nucleares do Brasil SA INB responsável por produzir os EC Elementos Combustíveis nucleares e a Eletronuclear responsável em operálos Os EC atendem a demanda das usinas de Angra 1 e Angra 2 Os EC são estruturas formadas de material nuclear e componentes estruturais para sustentação e resistência do EC Os componentes estruturais são bocais grades espaçadoras tubos guia etc Observando os bocais esses são montados e soldados a partir de placas de aço por EBW Electron Beam Welding e as soldas são ensaiadas também por LP Líquido Penetrante para verificação de descontinuidades com o padrão ASME V Neste estudo foram investigados ensaios de LP para placas de bocais soldadas visando o controle de processo e níveis de qualidade Os resultados por LP demonstram que os ensaios são válidos como ferramenta de avaliação da fabricação Palavraschave Nuclear bocais EBW ASME V e LP Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3102 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 ABSTRACT The Brazilian nuclear area is the competence of the Union constitutional monopoly Two companies operate in the Brazilian nuclear program in addition to the regulatory body Indústrias Nucleares do Brasil SA INB responsible for producing the EC Nuclear Fuel Elements and Eletronuclear responsible for operating them The EC meets the demand of the Angra 1 and Angra 2 nuclear plants The ECs are structures formed of nuclear material and structural components for support and resistance of EC The structural components are nozzles spacer grids guide tubes etc Observing the nozzles these are assembled and welded from steel plates by EBWElectron Beam Welding and the welds are also tested by PL Penetrating Liquid for verification of discontinuities with the ASME V standard The results by PL demonstrate that the tests are valid as a manufacturing evaluation tool Keywords Nuclear nozzles EBW ASME V and PL 1 INTRODUÇÃO A indústria nuclear brasileira processa um grande volume de urânio natural enriquecido com o seu isótopo U235 anualmente chegando ao montante de centenas de toneladas Esta produção é realizada exclusivamente pelas Indústrias Nucleares do Brasil SA INB empresa estatal que exerce o monopólio constitucional para a produção do combustível nuclear em território brasileiro Tal produção visa suprir a demanda por elementos combustíveis para os reatores nucleares tipo PWR Pressurized Water Reactor hoje operados no Brasil por outra empresa estatal a Eletronuclear do grupo Eletrobrás A Eletronuclear opera as usinas nucleares de Angra 1 e de Angra 2 futuramente de Angra 3 Ao se observar a fabricação do elemento combustível nuclear em si em termos das plantas de produção excetuandose deste contexto a mineração e o enriquecimento que exige outros detalhamentos técnicos muito específicos a produção dividese basicamente em duas grandes áreas a metalurgia do pó de UO2 dióxido de urânio para a produção de pastilhas e a fabricação metal mecânica para a montagem das varetas combustíveis e posteriormente o elemento combustível Na Figura 1 é apresentado um detalhe de um elemento combustível típico do projeto de Angra 1 Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3103 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 Figura 1 Detalhe de um elemento combustível Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 A produção do elemento combustível envolve um conjunto de materiais operações e processos de fabricação de componentes estruturais que darão a sustentação e resistência mecânica para a operação dos elementos combustíveis no reator Primeiramente ocorre a montagem das varetas combustíveis com as pastilhas de UO2 onde as pastilhas são inseridas em tubos de ligas de zircônio em seguida são pré pressurizadas e soldadas em suas extremidades Essas varetas combustíveis prontas são inseridas em estruturas metálicas especiais destinadas a suportarem as varetas os chamados esqueletos dos elementos combustíveis que são compostos de tubos de instrumentação tubos guia e um conjunto de grades com funções estruturais e termohidráulicas Por fim são montados dois bocais nas extremidades do elemento combustível os chamados bocais inferiores e bocais superiores após essa montagem e inspeção o elemento combustível está pronto para ser transportado para a operação nos reatores pela Eletronuclear Na Figura 2 é apresentado um fluxo macro e simplificado da produção dos elementos combustíveis Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3104 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 Figura 2 Produção dos elementos combustíveis Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Na Figura 2 é possível observar a etapa de produção do elemento combustível que foi colocado no fluxo de forma macro e simplificada para melhor entendimento Esta etapa na verdade envolve uma série de operações e processos de fabricação para os componentes estruturais entre esses componentes os mencionados bocais que serão o foco dos estudos seguintes Atualmente os bocais são produzidos de acordo com os projetos nucleares em demanda ou seja para o projeto de Angra 1 ou para o projeto de Angra 2 que estejam em produção No caso dos projetos para Angra 1 esses componentes mecânicos estruturais são projetados para serem montados a partir de chapas de aço inoxidável AISI 304 As chapas de aço são soldadas por processos de soldagem de feixe de elétrons EBW Electron Beam Welding dando origem a conjuntos mecânicos específicos como placas caixas cantoneiras e quadros completos dos bocais Na Figura 3 é apresentada uma máquina usada para os processos de soldagem de feixe de elétrons EBW Figura 3 Máquina para soldagem por feixe de elétrons EBW Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3105 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 Os bocais inferiores dos elementos combustíveis referentes ao projeto nuclear de Angra 1 são formados por uma placa superior uma caixa e quatro cantoneiras já os bocais superiores são formados por uma placa adaptadora uma caixa e um quadro completo todos esses conjuntos são soldados por EBW Na Figura 4 é apresentado a Bocal inferior e b Bocal superior do projeto de Angra 1 Figura 4 Projeto de Angra 1 a Bocal inferior e b Bocal superior Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Durante a fabricação observase a região soldada por EBW dos componentes dos bocais e fica nítido a necessidade de cuidados especiais especificados para o projeto como a verificação da profundidade da soldagem e a presença ou não de defeitos decorrentes do processo de soldagem Na Figura 5 é apresentado a Projeto da solda da caixa e a cantoneira e b Solda EBW executada para o projeto Figura 5 a Projeto da solda da caixa e a cantoneira e b Solda EBW executada para o projeto Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Os bocais são soldados através de seus conjuntos e partes delineadas do projeto em seguida são usinados para o correto dimensionamento e acabamento superficial por fim são inspecionados limpos e certificados para o uso nos elementos combustíveis Na Figura 6 é apresentado a Bocal soldado por EBW e b Bocal usinado Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3106 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 Figura 6 a Conjuntos do bocal b Bocal soldado por EBW e c Bocal usinado Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Uma etapa importante da avaliação das soldas EBW realizadas nos bocais é a verificação de descontinuidades e defeitos nas superfícies das junções das placas caixas e cantoneiras Por questões de projeto e especificação são realizadas avaliações através de ensaios não destrutivos pela técnica líquidos penetrantes LP Vale salientar que ensaios não destrutivos em outros tipos de indústria são bem conhecidos e registrados tal como em publicações voltadas para a indústria automotiva NASCIMENTO da SILVA e CAMARGO 2020 contudo para a indústria nuclear em especial para a indústria nuclear brasileira não existem publicações representativas das práticas fabris atuais 2 METODOLOGIA Nesta pesquisa será abordada a metodologia usada para os ensaios por LP Líquidos Penetrantes na área nuclear Será investigado como são aplicadas tal metodologia e técnicas para a verificação das condições superficiais nas regiões soldadas dos componentes estruturais dos elementos combustíveis bocais inferiores e superiores em seus conjuntos Inicialmente será abordado como a área nuclear encara e usa tais técnicas quais são seus fundamentos normativos e exigências Em seguida será apresentado o conjunto de interesse desse estudo algumas avaliações realizadas uma breve discussão e conclusões sobre a importância dos ensaios por LP Líquidos Penetrantes na área nuclear 21 ENSAIOS POR LP LÍQUIDO PENETRANTE NA ÁREA NUCLEAR O ensaio por LP Líquidos Penetrantes na área nuclear é encarado como um método desenvolvido especialmente para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais ainda que estejam abertas na superfície do material ou estrutura sendo analisada O método em si consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade um líquido em materiais sólidos não porosos CETRE 2009 Após a remoção do excesso de Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3107 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 líquido da superfície fazse sair da descontinuidade o líquido retido através de um revelador RICARDO ANDREUCCI 2014 Normalmente para as avaliações utilizase um bloco padrão de descontinuidade por exemplo um bloco padrão conforme a norma ASME V que fundamentalmente é usado para controle de processo Outro ponto importante é que a utilização de um bloco padrão permite também estabelecer um procedimento para o ensaio com líquido penetrante As empresas consolidadas em suas atividades tal como aquelas da área nuclear trabalham com especificações de processo para os ensaios por líquido penetrante o que oportuniza o estabelecimento de controles de processo muitas vezes na forma de verificações da produção de forma diária semanais ou mensais Os sistemas de ensaios por LP na área nuclear podem ter líquidos fluorescentes que utilizam blocos padrões específicos para essa revelação tal como o bloco TAM ou podem ter líquidos não fluorescentes coloridos que podem adotar blocos padrões segundo a norma ASME V O bloco padrão segundo a ASME V é um bloco de teste comparador um corpo de prova de alumínio ASTM B209 tipo 2024 da SILVA 2010 com dimensões 75 mm x 50 mm x 10 mm com um sulco de 3 mm de largura que divide o bloco ao meio Esse bloco apresenta diversas trincas préfabricadas espalhadas na sua superfície sendo utilizado para verificar a sensibilidade do penetrante em uso A sensibilidade do penetrante é uma questão importante nos ensaios de LP pois relacionase a capacidade de detectar descontinuidades Podese dizer que um penetrante é mais sensível que outro quando para aquelas descontinuidades em particular o primeiro detecta melhor os defeitos que o segundo RICARDO ANDREUCCI 2014 Na área nuclear os sistemas de ensaio por LP normalmente utilizam líquidos fluorescentes O bloco padrão tipo TAM é bastante utilizado e a utilização deste bloco exige quase que exclusivamente sistemas de penetrantes fluorescentes Contudo na indústria nuclear brasileira adotase o sistema de ensaio por LP com penetrante colorido logo o bloco TAM não é aplicável Já que o bloco tipo TAM não é utilizado adotase de forma conservativa outro sistema para o controle de processo neste caso realizase uma verificação qualitativa utilizando um padrão ASME V Na Figura 7 é demonstrado o bloco padrão ASME V a Não ensaiado e b Ensaiado na INB Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3108 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 Figura 7 Bloco padrão ASME V a Não ensaiado e b Ensaiado na INB Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Um detalhe importante é que de acordo com o item III6413 da norma ASME BPVC V 2019 o bloco padrão ASME V pode ser utilizado para comparação contra padrões fotográficos estabelecidos Os ensaios por LP na área nuclear segundo o padrão ASME V seguem procedimentos específicos quanto ao líquido penetrante o removedor o revelador o tempo de penetração a temperatura do ensaio a umidade local o tempo de revelação e o resultado conforme o padrão fotográfico Na Figura 8 é apresentado o procedimento que acompanha o bloco padrão ASME V indicando os parâmetros obrigatórios para o teste padrão Figura 8 Bloco padrão ASME V ensaiado Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 O controle de processo utilizando LP consiste na realização de teste utilizando o bloco padrão ASME V segundo uma periodicidade definida para ser realizada Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3109 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 mensalmente caso pelos menos um ensaio tenha sido realizado no mês durante o recebimento de novo penetrante colorido ou novo revelador e ao início de cada recarga ou remessa campanha de produção O resultado do teste deve ser fotografado arquivado e comparado ao teste anterior Em caso de dúvida quanto ao resultado deve ser consultado o padrão fotográfico do bloco O teste será considerado satisfatório se as descontinuidades reveladas apresentarem aspecto visual próximo aos do ensaio anterior e ao padrão Caso o resultado não seja satisfatório um estudo deve ser realizado para identificar o fator causador de distúrbio no processo Como recomendação antes de cada teste o bloco deve passar por uma limpeza em banho ultrassônico e outra com solvente já que a presença de resquícios de revelador pode mascarar o resultado do teste 22 CONJUNTOS MECÂNICOS DOS BOCAIS INTERESSE PARA AVALIAÇÃO POR LP Nos bocais sejam eles inferiores ou superiores os conjuntos de interesse para a aplicação de ensaios por LP são os quadros completos caixas e placas quando soldados por EBW conforme letra a da Figura 6 Na Figura 9 é apresentado a Conjuntos montados não soldados b Quadro completo c Caixa e d Placa Figura 9 a Conjuntos montados não soldados b Quadro completo c Caixa e d Placa Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 3 RESULTADOS 31 AVALIAÇÕES DOS CONJUNTOS MECÂNICOS SOLDADOS POR EBW Quando da soldagem dos bocais união dos conjuntos de interesse para avaliação por LP apontados na Figura 10 empregase como condição de liberação de processo a produção de corpos de prova Utilizase placas do mesmo material dos conjuntos citados e realizase a soldagem por EBW para verificar parâmetros e condições da soldagem além disso esses corpos de prova são submetidos aos ensaios por LP para a verificação de descontinuidades da região soldada através da comparação com o padrão ASME V Na Figura 10 é demonstrado os corpos de prova típicos já preparados para ensaio por LP Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3110 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 sendo a Corpo de prova de raiz b Corpo de prova de topo e c Bloco padrão ASME V para avaliação Figura 10 a Corpo de prova de raiz b Corpo de prova de topo e c Bloco padrão ASME V Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 Além das etapas de liberação de processo os ensaios por LP são utilizados nas etapas intermediárias de soldagem e na etapa final como nos bocais prontos Os bocais após a soldagem sofrem desbastes adequações geométricas acabamentos por usinagem e os potenciais danos causados por essas operações devem ser analisados comparados com padrões e as peças devem ser certificadas para a utilização Para verificar as condições superficiais adotase caso necessário e em regiões definidas os ensaios por LP nos bocais finalizados na etapa produtiva mas ainda não montados no elemento combustível Na Figura 11 é demonstrado um ensaio sendo realizado numa superfície específica do bocal a Bocal submetido a ensaio de LP e b Detalhe do LP na superfície do bocal Figura 11 a Bocal submetido a ensaio de LP e b Detalhe do LP na superfície do bocal Fonte Indústrias Nucleares do Brasil SA INB adaptado pelos autores 2020 4 DISCUSSÃO Como foi observado ao longo deste artigo os elementos combustíveis são a junção de um projeto nuclear no que se refere aos materiais nucleares com um projeto mecânico estrutural O projeto mecânico estrutural envolve processos de soldagem e por consequência todo o cuidado referente às soldas em especial os componentes chamados de bocais que são formados por soldas de chapas de aços inoxidáveis por processo EBW Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3111 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 sujeitas a descontinuidades Os ensaios por LP aplicados na área nuclear são normatizados pelo código ASME e utilizase o padrão ASME V Os ensaios servem de apoio ao controle de processo e a qualidade final dos componentes São típicos os ensaios de LP em chapas soldadas de aço inoxidáveis como nos corpos de prova entre as caixas e cantoneira e entre as caixas e placas superior e adaptadora com periodicidade definida nas especificações de produto e processos Normalmente são verificadas descontinuidades porosidades e outros defeitos com base em padrões eou medindo as dimensões como em potenciais trincas Além de ser uma obrigação contratual e especificada os ensaios não destrutivos por LP normatizados pelo código ASME mostramse uma ferramenta muito adequada a verificação de qualidade superficial dos bocais sejam nas regiões soldadas ou fora da mesma contudo mostramse mandatórias nas regiões de soldas 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS A adoção do bloco padrão ASME V permite uma garantia fundamental nos níveis da qualidade dos produtos dos elementos combustíveis Esses ensaios por LP realizados pela indústria nuclear brasileira são aplicados de forma rigorosa aos seus componentes em especial aos componentes com funções estruturais como os bocais A utilização desse padrão conjuntamente com outras documentações de qualidade de engenharia e de processos como padrões instruções operacionais e de inspeção permitem elevar a confiabilidade do processo produtivo nuclear A tecnologia nuclear envolve muitas vertentes de fabricação e ensaios especializados mas os ensaios por líquidos penetrantes é uma técnica primordial e no status atual do desenvolvimento ainda insubstituíveis para alguns componentes A qualidade dos bocais utilizados nos projetos nucleares brasileiros em operação possuem as mesmas exigências e atendimento nos mais rigorosos quesitos do segmento internacional Brazilian Journal of Development ISSN 25258761 3112 Brazilian Journal of Development Curitiba v7 n1 p31013112 jan 2021 REFERÊNCIAS ASME Boiler and Pressure Vessel Code BPVC V Nondestructive Examination The American Society of Mechanical Engineers 2019 ISBN 9780791872840 CETRE DO BRASIL Apostila Noções Básicas sobre Ensaios Não Destrutivos Qualificação SNQC Segurança Processos de Fabricação Processos de Soldagem e Terminologia Revisão 09 wwwcetrecombr Abril de 2009 DENIS NASCIMENTO DANILO AUGUSTO OLIVEIRA DA SILA e JOSÉ RUBENS DE CAMARGO A importância do ensaio de estanqueidade END nos filtros automotivos Brazilian Journal of Development Curitiba v 6 n12 p9410394109 dec 2020 ISSN 25258761 LUIZ EDUARDO DA SILVA Líquidos Penetrantes ABENDI Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção 5ª edição São Paulo 2010 ISBN 859915304 8 RICARDO ANDREUCCI Apostila Líquidos Penetrantes ABENDI Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção São Paulo 2014 Acesso no site httpwwwabendiorgbrabendiuploadfilelp2014atualpdf em 26 de Agosto de 2020 às 1330 horas