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Tuesday, 22 Agosto 2017

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Soluzioni innovative per la saldatura nel settore nucleare

La progettazione e la produzione di impianti di saldatura destinati all’industria nucleare sono alcune delle attività presenti nella vasta gamma di applicazioni gestite da Polysoude. Le installazioni progettate e realizzate su misura dall’azienda sono in grado oggi di operare in tutti i campi della produzione di energia nucleare. I seguenti esempi mostrano delle installazioni realizzate su misura per vari clienti che si avvalgono di tecnologie diversificate. Si tratta comunque di una selezione parziale delle innumerevoli possibilità offerte da Polysoude.

di Andrea Husson
Settembre-Ottobre 2013

"La progettazione e la produzione di impianti di saldatura destinati all’industria nucleare sono alcune delle attività presenti nella vasta gamma di applicazioni gestite da Polysoude” afferma il dottor Hans-Peter Mariner, amministratore delegato del gruppo. “In questo campo, la società si occupa di ogni fase del lavoro, dall’inizio alla fine. Gli esperti classificano le operazioni di estrazione del minerale di uranio e di arricchimento dei suoi isotopi come il front end del ciclo del combustibile nucleare. Tuttavia, poichè le teste perforatrici utilizzate per esplorare i depositi di uranio vengono saldate ai rispettivi alberi tramite gli impianti di saldatura Polysoude, si può dire che la nostra società entra in gioco “in anticipo” rispetto al front end” aggiunge Mariner sorridendo (Figura 1). Ma anche, ovviamente, rispetto ai componenti pesanti dell’Isola Nucleare, come il recipiente in pressione del reattore (vessel), il generatore di vapore, la pompa, il pressurizzatore e il relativo circuito primario di raffreddamento, e dell’Isola Convenzionale, come le turbine e i condensatori (anche questi prodotti e installati da Polysoude).
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Operare in tutti i campi della produzione di energia nucleare
Il dottor Mariner ricorda: “Quando la società fu fondata nel 1961, la saldatura TIG era vista ancora come una soluzione esotica. A ostacolare la scelta di questo processo erano l’elevato costo degli impianti e il tasso di produttività notevolmente basso nella saldatura semplice di tubi di spessore ridotto con la tecnica a passate tirate. Solo gli eccezionali livelli di qualità raggiunti e l’affidabilità del processo di saldatura hanno convinto i primi pionieri a continuare su questa strada”. Oggigiorno tali obiezioni sono state archiviate. Lo sviluppo della corrente pulsata ha permesso la saldatura in tutte le posizioni (tecnica orbitale) e l’applicazione del controllo della tensione d’arco (AVC, Arc Voltage Control), insieme all’oscillazione della torcia, consente un’efficace saldatura multipass senza interruzioni. I progressi nelle caratteristiche tecniche dei generatori (potenza in uscita, tempi di risposta, pulsazione rapida) hanno portato alla nascita dei generatori multifunzione: la combinazione di corrente alternata AC e sistema AVC rappresenta l’avanguardia nella saldatura dell’alluminio e delle sue leghe. Inoltre, l’introduzione della saldatura a filo caldo aumenta la convenienza e, se in combinazione con la tecnica narrow gap, permette di economizzare la saldatura dei pezzi con spessori elevati (Figura 2). La testa di saldatura con collettore rotante senza fine ha aperto la strada alle operazioni interne ed esterne di saldatura, placcatura e imburratura, anche su pezzi con una geometria complessa. Combinando le varie tecniche sopracitate e aggiungendo il monitoraggio video, il controllo a distanza, la manipolazione robotizzata e il sistema di acquisizione dati, le installazioni progettate e realizzate su misura da Polysoude sono in grado oggi di operare in tutti i campi della produzione di energia nucleare. “Tuttavia - sottolinea il dottor Mariner - non va dimenticato il nostro supporto anche nel back end del ciclo del combustibile nucleare. La manutenzione pianificata nei minimi dettagli e la corretta riparazione delle attrezzature garantiscono la sicurezza di tutti, mentre il riciclo del combustibile usato e lo smaltimento sostenibile dei rifiuti nucleari rappresentano un prezioso contributo alla tutela dell’ambiente”. I seguenti esempi mostrano delle installazioni realizzate su misura per vari clienti che si avvalgono di tecnologie diversificate. Si tratta comunque di una selezione parziale delle innumerevoli possibilità offerte da Polysoude.
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L’arricchimento dell’uranio
Per soddisfare i requisiti richiesti da una reazione nucleare controllata, è necessario aumentare la concentrazione dell’isotopo fissile U-235 dal naturale 0,7% del suo peso nell’uranio estratto a circa il 5% nel combustibile nucleare. Varie tecniche sono oggi concretamente applicate o sono in fase di sviluppo per l’arricchimento dell’uranio: le più comuni sono la diffusione gassosa e la centrifugazione. Il dirigente di Polysoude ritiene che “da un punto di vista ingegneristico, entrambi i metodi rappresentano la stessa sfida”. L’esafluoruro di uranio (UF6) deve essere riscaldato fino a raggiungere lo stato gassoso. Questo trattamento prevede poi che il gas passi attraverso un complesso sistema di tubazioni e recipienti prima di essere nuovamente condensato allo stato liquido, riempire i canister e infine essere raffreddato fino a diventare solido. Per contrastare la corrosività chimica di UF6, tutte le superfici in contatto con il gas devono essere realizzate in metalli come il nickel o l’alluminio. Fondamentale, inoltre, la tenuta ermetica dell’installazione: il gas UF6 deve essere arginato all’interno in maniera affidabile e l’ossigeno presente nell’ambiente esterno non deve in alcun modo penetrare all’interno del sistema. La maggior parte delle tubazioni deve essere installata e saldata direttamente all’interno dell’impianto in fase di costruzione e ciò comporta una notevole riduzione dell’accesso alle aree di saldatura. Da qui l’esigenza di saldare in tutte le posizioni. “Tali condizioni vengono completamente soddisfatte dagli impianti di saldatura orbitale progettati e realizzati da Polysoude” dichiara il dottor Mariner. I generatori trasportabili sono adatti alle difficili condizioni di un cantiere, tra cui l’umidità e l’alimentazione elettrica incostante. Con le teste di saldatura orbitali MU IV e le teste carrellate a camera aperta a ingombro ridotto della serie Polycar 30 è possibile realizzare in sequenza migliaia di giunti di altissima qualità in automatico senza alcun difetto di saldatura (Figura 3). Connettendo l’elettrodo in tungsteno al polo negativo di un generatore a corrente continua e usando l’elio come gas di protezione, la saldatura TIG meccanizzata dell’alluminio e delle sue leghe può essere effettuata con spessori fino a 6,5 mm, mentre tubi di spessore inferiore richiedono una cianfrinatura a J. “Grazie a un vasto lavoro di ricerca, Polysoude è riuscita a implementare il controllo della tensione d’arco sugli impianti per la saldatura in AC dell’alluminio e delle sue leghe, rilasciando perfino la garanzia di buon funzionamento”, precisa l’amministratore delegato con entusiasmo. “Il controllo della tensione d’arco (AVC) è una tecnica che mantiene costante la lunghezza dell’arco, permettendo una saldatura multipass completamente automatizzata e portando di conseguenza a un considerevole miglioramento della produttività. Comunemente viene usata con la corrente continua pulsata e solo pochi produttori al mondo sono in grado di applicare il sistema AVC con la corrente alternata e utilizzarlo per la saldatura dell’alluminio” (Figura 4).

Fabbricazione del combustibile nucleare
Il trattamento finale dell’esafluoruro di uranio solido arricchito (UF6) viene eseguito nella struttura per la fabbricazione del combustibile nucleare (Figura 5). In questa struttura, l’UF6 viene trasformato chimicamente in polvere di diossido di uranio (UO2), che serve come materiale base per la preparazione di piccole pastiglie ceramiche dette pellet. Questi pellet vanno a riempire delle barre, le quali devono essere chiuse e raggruppate insieme per produrre il combustibile. Queste barre consistono in tubi di spessore ridotto, solitamente in lega di zirconio. Le loro estremità sono sigillate a tenuta ermetica tramite end cap saldate. Il dottor Mariner spiega: “Per posizionare la prima end cap, Polysoude ha sviluppato una speciale tavola rotante ad alta precisione che pone l’end cap nella posizione richiesta e la salda al tubo”. La saldatura viene realizzata senza filo d’apporto. Il tubo stesso è bloccato dall’impugnatura orizzontale cava della testa e ruota durante l’operazione di saldatura, mentre la torcia TIG rimane fissa in posizione 1G (ore 12). Grazie al controllo perfetto di tutti i parametri del processo TIG è possibile escludere qualsiasi danno alle pareti sottili del tubo o alle end cap causato da una penetrazione eccessiva. A garanzia della qualità, l’impianto è spesso dotato di un sistema di acquisizione e registrazione dei dati di saldatura (Figura 6). La seconda end cap deve essere saldata quando i pellet di UO2 sono già stati impilati nel tubo, pertanto le condizioni ambientali escludono l’intervento diretto dell’operatore. Per evitare che i pellet cadano, il tubo è bloccato in posizione verticale dall’unità saldante. La torcia TIG è posizionata sopra il tubo: né la torcia né il tubo ruotano durante il ciclo di saldatura. Tenuto sotto controllo da un campo magnetico generato da uno speciale dispositivo chiamato dump e situato vicino alla torcia, l’arco viene guidato lungo il percorso circolare del cordone di saldatura sul margine esterno del tubo. (Figura 7). Dopo aver superato i controlli di qualità, le barre di combustibile nucleare finite vengono inserite in una particolare struttura diventando un assemblaggio di combustibile. Una cosiddetta gabbia è composta da 200-300 barre con una lunghezza di 4 metri. Durante il funzionamento, le strutture e le barre sono esposte a un considerevole stress derivante dall’alta pressione, le temperature elevate e le forti radiazioni nel nocciolo del reattore nucleare. Si richiedono pertanto una progettazione eccellente e grande maestria per garantire una sufficiente stabilità meccanica della costruzione. Gli elementi che sopportano il carico di un assemblaggio di combustibile sono l’ugello inferiore, che lo guida durante la sua introduzione nel reattore, un canale centrale e l’ugello superiore, a cui si aggancia l’impianto di sollevamento. Polysoude è in grado di offrire impianti di saldatura speciali progettati per saldare la parte inferiore e quella superiore dell’assemblaggio del combustibile al canale (Figura 8).

La seconda parte dell’articolo sarà pubblicata sul numero di novembre/dicembre di Elemento Tubo.

Innovative welding solutions for the nuclear industry
The design and manufacturing of welding equipment for nuclear power production is one activity among Polysoude’s wide range of applications. The tailor-made installations, designed and manufactured by Polysoude, are today operated in virtually all fields of nuclear energy production. The examples below represent custom-built installations for various clients that use a wide range of diverse technologies. They represent only a partial view of Polysoude’s capabilities.

by Andrea Husson

“The design and manufacturing of welding equipment for nuclear power production is one activity among Polysoude’s wide range of applications”, Hans-Peter Mariner, the group’s Chief Executive Officer reports “. In this field, the company is involved from the first stage up to the very end.” Experts classify the mining of uranium ore and isotope enrichment as the front end of the nuclear fuel cycle. As the heads of the rock drills, which are used to explore uranium deposits, are joined to their shafts by means of Polysoude welding machines, the company is situated even a bit ahead of the front end” Mr Mariner adds smilingly (Figura 1). But, of course, the heavy components of the Nuclear Island, i.e. a reactor vessel, steam generator, pump, pressuriser with related primary coolant loop circuit as well as the parts of the Conventional Island such as turbines and condensers which are manufactured and installed using Polysoude equipment also.

Operated in virtually all fields of nuclear energy production
However, Mr Mariner recalls: “When the company was founded in 1961, TIG-welding was regarded as a very exotic process. Not only the cost-intensive equipment but also the limits of simply joining thin-walled tubes in single-pass-stringer-bead technique at a very low productivity prevented decision-makers from getting involved. Only the achieved outstanding weld quality and the reliable welding process encouraged the former pioneers to continue.” Today, these objections are over-come. The development of pulsed current allows all-position welding (orbital technique) and the application of Arc Voltage Control (AVC), accompanied by torch oscillation, enabling effective multi-layer welding without interruption. The improvement of power source characteristics (output power, response time, fast pulsation) results in full function sources; a successful application of alternating current AC with AVC stands for state-of-the-art welding of aluminium and its alloys. Besides, the initiation of hot wire welding leads to increased cost effectiveness whereas the introduction of narrow-gap welding in conjunction with hot wire technique allows economic joining of thick-walled workpieces (Figura 2). Endless rotating collector welding heads open the door to inside and outside welding, cladding and buttering operations even on workpieces with complex geometry. Equipped with various combinations of the cited techniques, completed by video monitoring, remote control, robot-supported servicing as well as data acquisition on tailor-made installations, designed and manufactured by Polysoude, are today operated in virtually all fields of nuclear energy production. “But nevertheless,” Mr Mariner emphasises, “I must not forget to point out our support at the back end of the nuclear fuel cycle. Thoroughly planned maintenance and appropriate repair of the facilities guarantee the safety of all, whereas recycling of used fuel and sustainable nuclear waste disposal are a valuable contribution to the protection of our environment.”  The examples below represent custom-built installations for various clients that use a wide range of diverse technologies. They represent only a partial view of Polysoude’s capabilities.

Enrichment
In order to meet the requirements of a controlled nuclear reaction, the concentration of the fissionable isotope U-235 must be increased from naturally 0.7 % of its weight in mined uranium to about 5 % in nuclear fuel. Different techniques are actually applied or emerging for the enrichment; the most common are gaseous diffusion and the use of gas centrifuges. The head of Polysoude believes: “from a welding engineer’s point of view, both methods constitute the same challenges.” Solid uranium hexafluoride (UF6) must be heated and converted to the gaseous state. For the following treatment the gas must be passed through a complex system of pipes and vessels, before it is finally condensed back into a liquid, filled into canisters and cooled down to become solid. In order to withstand the chemical corrosiveness of UF6, all surfaces in contact with the gas must consist of metals such as nickel or aluminium. Furthermore, the installation must be totally leak-tight; the UF6 gas must to be contained reliably inside and the oxygen in the ambient air must be prevented from penetrating into the system. Most of the piping must be installed and joined directly inside the plant under construction, which means restricted access to the welding areas and the necessity of all-position welding. “These conditions are perfectly met by the orbital welding equipment designed and manufactured by Polysoude”, Mr Mariner states. Mobile power sources are adapted to the harsh on-site conditions including humidity and unstable energy supply; with open MU IV orbital welding heads and low profile open carriage-type welding heads of the Polycar 30 family, thousands of high quality joints can be made one after another in automatic mode without any weld defects (Figura 3). With the tungsten electrode connected to the negative pole of a direct current power source and helium as protective gas mechanised TIG-welding of aluminium and its alloys can be carried out up to wall thicknesses of 6.5 mm; thicker tubes demand a J-preparation of their ends. “After recent research efforts Polysoude has managed to implement arc voltage control on equipment for AC-welding of aluminium and even provides a performance guarantee”, the CEO points out enthusiastically. “Arc voltage control (AVC) is a technique to keep the arc length stable, thus allowing fully automatic multi-pass welding which means greatly improved productivity. Commonly used for pulsed DC welding current, only few manufacturers worldwide are capable of applying AVC on AC current and to use it for aluminium welding (Figura 4).”

Nuclear fuel fabrication
The final processing of enriched solid uranium hexafluoride (UF6) is carried out in nuclear fuel fabrication facilities (Figura 5). In such facilities UF6 is converted chemically to uranium dioxide (UO2) powder, which serves as raw material for the preparation of small pellets. These are filled into rods that have to be closed and put together for fuel assemblies. The thin-walled tubes which are used to produce these rods usually consist of a zirconium alloy. The extremities of the tubes are sealed gas-tight by means of welded end caps. Mr Mariner describes: “To set the first end cap, Polysoude has developed special high precision lathes which provide the end cap in the required position and weld it to the tube”. The weld is carried out without the addition of filler wire. The tube itself is clamped by a horizontal hollow head stock and rotates during the welding operation, the TIG torch remains fixed in the 1G (12h) position. Due to the perfect control of all parameters of the TIG welding process any damage of the thin tube walls or end caps by too strong penetration can be excluded; for quality assurance purposes the equipment is often completed by a weld data acquisition and recording system (Figura 6). The second end cap must be welded with the UO2 pellets already stacked into the tube, so the environmental conditions exclude any direct intervention of the operator. To prevent the pellets from falling out, the tube is clamped in the welding unit in vertical orientation. The TIG torch is positioned above the tube; neither the torch nor the tube rotates during the weld cycle. Controlled by a magnetic field, which is generated by a special device (“dump”) situated next to the torch, the arc is guided along the circular path of the welding seam on the outer edge of the tube (Figura 7). After having passed quality control, the finished nuclear fuel rods are put into a particular frame and become a fuel assembly. A so-called cage is typically composed of 200 to 300 rods; its length is about 4 metres. During operation these frames and the rods are exposed to severe stress resulting from high pressure, elevated temperatures and strong radioactive radiation in the core of a nuclear reactor. Excellent design and workmanship are required to guarantee sufficient mechanical and geometrical stability of the construction. The load-bearing elements of a fuel assembly are the bottom nozzle that guides the assembly during its introduction into the reactor, a central channel and the top nozzle to which the hoisting equipment is fastened. Polysoude is in a position to provide specially designed welding equipment to join the lower and upper part of the fuel assembly to the channel (Figura 8).

The second part of the article will be published in the November / December issue of Elemento Tubo.                                                                

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