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Sunday, 17 Dicembre 2017

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Soluzioni innovative per la saldatura nel settore nucleare

Prosegue il rapporto dedicato agli impianti di saldatura per il settore nucleare, ambito in cui Polysoude gestisce una vasta gamma di applicazioni. Le installazioni progettate e realizzate su misura dall’azienda sono in grado oggi di operare in tutti i campi della produzione di energia nucleare. Vediamo alcuni esempi che mostrano delle installazioni realizzate su misura per vari clienti che si avvalgono di tecnologie diversificate.

di Andrea Husson
Novembre-Dicembre 2013

I seguenti processi si adattano a differenti tipologie di costruzione di impianti. I componenti del circuito primario di raffreddamento di una centrale nucleare si trovano nell’Isola Nucleare. Il centro di questo circuito è costituito dal vessel del reattore e dalla relativa testa. Il calore viene rilasciato da una reazione nucleare a catena provocata dal combustibile all’interno delle barre nel centro del reattore. Barre di controllo sono appese alla testa del vessel: sollevando o abbassando tali barre con un meccanismo di controllo è possibile accelerare o rallentare la reazione a catena generando più o meno calore.
Il vessel del reattore è riempito di acqua che si riscalda. Per mantenere la pressione del sistema al valore desiderato si usa un pressurizzatore, pertanto all’interno sono inseriti elementi elettrici per il riscaldamento. L’acqua riscaldata circola nel circuito primario e viene pompata attraverso i generatori di vapore. Questi sono scambiatori di calore, cioè vessel al cui interno alloggiano numerosi tubi. Il calore viene assorbito dall’acqua del secondo circuito di raffreddamento, che scorre in questi tubi e si trasforma in vapore. Tramite una turbina, un generatore produce elettricità dal vapore del circuito secondario. La turbina e il generatore fanno parte dell’Isola Convenzionale della centrale nucleare. La saldatura dei componenti pesanti è realizzata per quanto possibile durante la prefabbricazione in laboratorio con l’ausilio di una saldatrice da officina. Per esempio, il core barrel viene posizionato su una piattaforma girevole e fatto ruotare durante le operazioni di saldatura. Due torce, installate una di fronte all’altra su manipolatori a bandiera, saldano in contemporanea. L’impianto di saldatura narrow gap e i dispositivi di controllo per la sincronizzazione del ciclo di saldatura con i differenti movimenti sono progettati e realizzati da Polysoude (Figura 10). Il vessel del reattore e i generatori di vapore sono costituiti da parti forgiate con ugelli chiamati safe-end. Questi vengono saldati ai tubi del circuito primario di raffreddamento. Poiché il materiale che costituisce i tubi e i componenti è diverso, non è possibile saldarli facilmente sul sito. Per preparare una saldatura eterogenea si esegue l’imburratura sui lati degli ugelli. Durante questa operazione, si salda un deposito sul lato degli ugelli al fine di creare una zona di transizione fra i due metalli. L’imburratura può essere eseguita durante la prefabbricazione in officina, mentre il collegamento finale deve essere eseguito sul sito con una saldatura omogenea tra due parti in acciaio inossidabile (Figura 11). Le superfici interne del vessel e dei generatori di vapore sono protette dagli effetti corrosivi del refrigerante grazie a uno strato resistente. Le superfici importanti vengono solitamente rivestite in maniera economica tramite placcatura a nastro. Tuttavia la placcatura a nastro non è adatta nel caso di geometrie piccole, quindi l’interno degli ugelli e la sezione dei tubi con le zone di transizione rimangono inaccessibili. Il dottor Mariner risponde prontamente: “Per queste applicazioni, Polysoude propone delle teste di saldatura TIG filo caldo specifiche. Queste teste con collettore possono ruotare in continuo e seguire automaticamente la geometria complessa nella transizione tra il vessel e l’ugello durante le operazioni di placcatura” (Figura 12). Anche la produzione di generatori di vapore è realizzata con gli impianti di saldatura Polysoude. Per raggiungere l’alto livello di qualità richiesto per il rivestimento della piastra tubiera, il tasso di diluzione tra il materiale base e quello depositato è decisamente ridotto. L’apporto di calore deve essere tenuto il più basso possibile. Questi sono i prerequisiti ideali per le applicazioni di saldatura TIG filo caldo, in cui l’apporto di calore può essere tranquillamente controllato e sostenuto da un grado elevato di accuratezza nella ripetibilità (Figura 13). L’impianto di saldatura tubo-piastra consiste in una testa orbitale serrata all’interno del tubo da saldare (Figura 14). Sono disponibili diversi modelli per la saldatura con o senza filo d’apporto, inoltre camere di protezione speciali possono essere montate qualora lo strato di placcatura sulla piastra tubiera sia sensibile all’ossigeno. Per aumentare la produttività sono possibili diversi livelli di automazione: adeguando la configurazione dei generatori, più teste possono lavorare contemporaneamente sulla stressa piastra tubiera. Una speciale menzione merita la costruzione della testa del vessel del reattore. In particolare, la parte superiore e quella inferiore sono dei componenti estremamente complessi dotati di numerosi ugelli per gli strumenti di controllo e per il meccanismo di movimentazione delle barre di controllo (CRDM, Control Rod Drive Mechanism). Seguendo la progettazione iniziale, le saldature dei pressure boundary di questi ugelli erano situate all’interno della parte inferiore della testa del vessel. In alcuni casi sono state rilevate rotture in profondità sulle saldature degli ugelli causate da una corrosione da stress nel circuito dell’acqua primaria. Danni a partire da una corrosione localizzata, ancora accettabile, fino a una perdita di materiale delle dimensioni di una zucca causano frequenti arresti e blackout degli impianti. Da allora, metodi di produzione sempre più sofisticati sono stati sviluppati per evitare tali danni. Per connettere uno dei quattro tubi CDRM, in una prima fase l’acciaio al carbonio viene saldato all’esterno della testa del vessel fino a ottenere una superficie circolare liscia. Nella seconda fase, si realizza una placcatura circolare con un filo di acciaio bassolegato fino a raggiungere una determinata altezza del perno. L’interno del perno viene poi forato del diametro adatto. La terza fase prevede il deposito di uno strato protettivo sulla superficie interna del perno tramite placcatura interna. Durante la quarta fase, viene imburrata l’estremità di un tubo in acciaio inossidabile sul lato del perno e nella fase finale si realizza una saldatura eterogenea circonferenziale. In conseguenza di tali operazioni nessuna saldatura è in contatto con il refrigerante e le superfici in acciaio al carbonio sono protette (Figura 15). Le operazioni sopradescritte vengono realizzate in laboratorio con impianti da officina, mentre i tubi di collegamento fra i componenti pesanti del circuito di raffreddamento primario devono essere assemblati e saldati direttamente sul sito con impianti di saldatura trasportabili (Figura 16). Per poter realizzare la passata di radice e le passate di riempimento, le teste di saldatura a camera aperta, carrellate a ingombro ridotto ruotano su piste ad anello premontate intorno alle tubazioni in acciaio inossidabile, che solitamente hanno un diametro esterno di 862 o 976 mm e uno spessore corrispondente di 69 o 96 mm. Le ridotte dimensioni della testa permettono di ridurre notevolmente la tolleranza radiale e assiale dell’area di lavoro. È quindi possibile saldare tubo-curva e tubo-tubo anche in prossimità di ostacoli quali pareti o il soffitto. Il dottor Mariner afferma che l’aumento della produttività è una questione di prim’ordine per le operazione in cantiere. Oltre alle caratteristiche sofisticate dell’impianto, come il controllo automatico dell’intero ciclo di saldatura da parte del generatore, il sistema motorizzato AVC e oscillazione torcia, nonché la saldatura a filo caldo, la tecnica narrow gap, che è economica in termini di tempi e costi, può essere applicata come alternativa alla cianfrinatura tradizionale. Molti componenti dell’Isola Convenzionale di un impianto nucleare sono realizzati anche con gli impianti di saldatura Polysoude. Per esempio, i tubi del circuito di raffreddamento secondario devono essere montati e collegati al generatore di vapore, alle turbine e al condensatore direttamente sul posto. Lo stesso condensatore deve essere prodotto in officina. Per operare come scambiatori, molti tubi interni al vessel devono essere connessi a una piastra tubiera, che è spesso protetta da un rivestimento depositato in precedenza. Infatti, le procedure di produzione e gli impianti sono simili a quelli già presentati per i generatori di vapore del circuito primario: saldatura tubo-piastra con o senza filo d’apporto con l’ausilio di teste orbitali e rivestimento della piastra tubiera utilizzando un impianto di placcatura meccanizzato (Figura 17). L’elemento centrale delle moderne turbine a vapore è il rotore che, con una lunghezza fino a 20 m e un peso fino a 350 t, è spesso assemblato a partire da due o più segmenti. Questi segmenti sono parti forgiate e possono essere realizzate con differenti leghe. Per preparare la connessione, si deposita uno strato intermedio su ciascuna faccia superiore dei segmenti e si fissano in posizione verticale su una tavola rotante. Per completare la saldatura eterogenea, i segmenti del rotore vengono sovrapposti e i lati imburrati sono poi saldati con la tecnica TIG filo caldo narrow gap (Figura 18).
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Manutenzione e riparazione
La manutenzione preventiva e le riparazioni eseguite da personale specializzato sono essenziali per il funzionamento sicuro e sostenibile di una centrale nucleare. I progressi nella progettazione di costruzioni delicate, per esempio la summenzionata procedura di collegamento dei tubi CDRM alla testa del vessel del reattore, aiutano a evitare arresti non previsti del ciclo. Inoltre, le procedure e l’impianto sono stati sviluppati e approvati per fornire un livello accettabile di qualità e sicurezza in relazione all’integrità strutturale di tali riparazioni. L’impianto di saldatura meccanizzato, controllabile a distanza, progettato e configurato da Polysoude consente di rispettare le procedure specifiche, e aiuta a mantenere basso il livello di esposizione alle radiazioni del personale addetto alle riparazioni. Di solito per queste operazioni di riparazione si usano gli ugelli BMI (Bottom-Mounted Instrumentation) nella testa inferiore del vessel del reattore. In parecchi casi però le rotture da corrosione da stress hanno causato seri danni e perdite nel circuito primario di raffreddamento. Per questo motivo l’ugello BMI difettoso deve essere rimosso al livello esterno della testa del vessel. Per creare uno strato intermedio, viene depositato un cuscinetto di materiale intorno al foro rimasto sulla testa del vessel. Saldando l’ugello sostitutivo in acciaio inossidabile direttamente su questo cuscinetto si crea un collegamento eterogeneo affidabile. Con questo metodo, la saldatura originale all’interno della testa rimane intatta, tuttavia il pressure boundary del giunto si sposta verso l’esterno. La procedura sopradescritta è conosciuta e approvata come riparazione half pipe. Simili problemi ricorrono sugli ugelli RIB (a iniezione di boro), i quali sono anche connessi al circuito di raffreddamento primario. Una testa orbitale TIG è posizionata all’interno delle tubazioni per ripararle. L’operatore utilizza quindi un endoscopio per il monitoraggio in remoto. Grazie alla caratteristica della rotazione continua della testa con collettore, la placcatura della superficie interna della diramazione può essere realizzata in continuo senza soluzione di continuità dopo ogni rivoluzione (Figura 19). Per l’impianto di controllo vengono montati particolari ugelli sulla testa del vessel del reattore. Il pressure boundary del circuito primario di raffreddamento è costituito da una guarnizione chiamata “giunto Canopy”. Durante ogni arresto del reattore per il rifornimento di carburante, è necessario smontare i giunti Canopy, poiché la manutenzione ordinaria può aumentarne l’usura. Polysoude, specialista nella progettazione e produzione di impianti di placcatura orbitale che possono essere controllati a distanza, propone una saldatrice sviluppata ad hoc per ricostruire il giunto (Figura 20).
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Riciclo del combustibile usato e smaltimento sostenibile dei rifiuti nucleari radioattivi
Nel combustibile nucleare esausto, quando proviene da un reattore, rimane una considerevole quantità di U-235 fissile, poiché di fatto è la presenza di troppi assorbitori di neutroni a causare la fine della vita utile del combustibile. La Francia è uno dei Paesi in cui si ricicla il combustibile nucleare esausto, pertanto è fondamentale che il trasporto del materiale altamente radioattivo verso le strutture di riciclo sia eseguito in modo sicuro e affidabile.
Polysoude partecipa allo sviluppo di metodi per sigillare ermeticamente i canister di grandi dimensioni destinati al trasporto su lunga distanza attraverso l’implementazione di procedure di saldatura specifiche. Le stesse problematiche si presentano quando bisogna smaltire i residui del processo di riciclo e altri rifiuti radioattivi. Ancora una volta, Polysoude è in grado di offrire soluzioni per la sigillatura progettate durare per periodi di tempo molto lunghi (Figura 21).
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Conclusione
“Protagonista internazionale e leader sul mercato mondiale con più di 50 anni di esperienza, Polysoude accetta con orgoglio l’appellativo di Inventore della tecnologia per la saldatura orbitale” conclude il dottor Mariner. “La sede centrale della società si trova nella città francese di Nantes e siamo presenti in più di cinquanta Paesi nel mondo. Tecnici altamente qualificati, consulenti, addetti alla formazione e all’assistenza vengono continuamente aggiornati sugli ultimi ritrovati nel campo della costruzione di centrali nucleari e nelle attività a essa relative come l’estrazione e l’arricchimento dell’uranio, la fabbricazione di combustibile, la manutenzione, l’assistenza e la tutela dell’ambiente. Polysoude sviluppa impianti di saldatura progettati per tutti i tipi di applicazione legate al ciclo di produzione dell’energia nucleare. Da ultimo, ma non perché di minore importanza” conclude il dottor Ma-riner “noi prestiamo sempre attenzione a difendere la nostra posizione in anticipo sul front end”.


Innovative welding solutions for the nuclear industry
The case study about the welding equipment for nuclear power production - one activity among Polysoude’s wide range of applications - is going on. The tailor-made installations, designed and manufactured by the company, are today operated in virtually all fields of nuclear energy production. Here are some examples that represent custom-built installations for various clients that use a wide range of diverse technologies.

by Andrea Husson

The processes presented below are adapted to various types of plant construction. The components of the primary cooling circuit of a nuclear power plant belong to the Nuclear Island. The centre of this circuit is formed by the reactor vessel with its reactor vessel head. Heat is released by a nuclear chain reaction provoked by the nuclear fuel inside the rods in the middle of the reactor. Control rods are suspended from the vessel head; raising or lowering them by means of the control rod drive mechanism to allow accelerating or decelerating the chain reaction, thus generating more or less heat.
The reactor vessel is filled with water, which becomes hot. A pressuriser is used to keep the pressure in the system at the desired value; therefore electric heating elements are installed inside. The heated water circulates in the primary loop and pumped through the steam generators. These are heat exchangers, i.e. vessels carrying a large number of tubes inside. The heat is absorbed by the water of the secondary cooling circuit, which flows through these tubes and converts to steam. Via a turbine the steam of the secondary loop drives a generator to produce electricity. The turbine and the generator are part of the Conventional Island of a nuclear power plant. The welding of the heavy components is carried out as far as possible during prefabrication in a workshop using stationary welding equipment. For example, the core barrel is placed on a turntable and rotates during the weld operation; two welding torches are installed opposite on column and boom devices and weld simultaneously. Narrow gap welding equipment and control devices for the synchronisation of the weld cycle and the different movements are designed and manufactured by Polysoude (Figure 10). The reactor vessel and the steam generators are made of forged parts with nozzles, which are called safe-ends. These have to be joined to the pipes of the primary coolant circuit. As the materials of the pipes and the components are different they cannot be connected easily on site. A buttering operation on the sides of the nozzles prepares the heterogeneous joint. During this operation a deposit is welded on the side of nozzles, which is meant to create a transition zone between the different metals. Buttering can be carried out during pre-fabrication in the workshop, whereas the final connection must be finished on-site with a homogenous weld between two stainless steel parts (Figure 11). The inner surfaces of the reactor vessel and the steam generators are protected against the corrosive attack of the coolant by a resistant layer, the important surfaces are commonly coated in an economical manner by strip cladding. However, strip cladding is not suited for small geometries, so the inside of the nozzles and the section of the pipes with the transition zones remain inaccessible. Mr Mariner proudly remarks: “For this application Polysoude offers specific hot wire TIG welding heads. These collector heads can rotate endlessly and automatically follow the complex geometry at the transition between the vessel and nozzle during the cladding operation” (Figure 12). The manufacturing of steam generators is also carried out using Polysoude welding equipment. To achieve the demanded quality level of the tube sheet coating, the dilution rate between substrate and deposit is strictly limited. The heat input must be kept as low as possible. These are ideal prerequisites for the application of hot wire TIG welding, where heat input and dilution can be perfectly controlled and are accompanied by a high degree of repeat accuracy (Figure 13). Tube-to-tube sheet welding equipment consists of orbital welding heads, which are clamped inside the tube to be welded (Figure 14). Different models are available for welding with or without filler wire, special protection chambers can be mounted if the cladding layer on the tube sheet is oxygen-sensitive. To increase productivity, distinct levels of automation are possible; with adequate configured power sources several welding heads can be operated at the same time on the same tube sheet. Special attention needs to be paid to the construction of the reactor vessel head. In particular, the top and bottom parts are complex components with numerous nozzles for control instruments and the Control Rod Drive Mechanism (CRDM). Following the initial design the pressure boundary welds of these nozzles were situated at the inside of the reactor vessel bottom head. In some cases, primary water stress corrosion cracking of nozzle penetrations and welds had been detected. Damage from acceptable local corrosion of parts up to pumpkin sized loss of material occurred, causing frequent plant shutdowns and outage. Since then, sophisticated production methods have been developed in order to avoid such damage. To connect one of the four CDRM tubes, in the first step carbon steel is welded on the outside of the vessel head until a flat circular surface is attained. During the second step a circular cladding operation with low alloy steel wire is carried out until the specified height of the stud is reached. The inside of the stub is then drilled to the fitting diameter. The third step consists of depositing a protective layer on the inner surface of the stud by means of an internal cladding operation. Du-ring the fourth step the final connection of a stainless steel tube is prepared by a buttering operation on the side of the stud, and in the final step the heterogeneous joint is carried out as girth weld. As a result of these operations none of the welds are in contact with the coolant and all carbon steel surfaces are protected (Figure 15). The operations described above are carried out in the workshop using stationary installations, whereas the connecting pipes between the heavy components of the primary coolant loop have to be assembled and welded with mobile equipment on-site (Figure 16). In order to produce the root pass and the filling passes, low profile open carriage-type welding heads travel on pre-mounted guide rings around the stainless steel pipes, which have outer diameters of usually 862 or 976 mm and corresponding wall thicknesses of 69 or 96 mm. The low profile design of the equipment allows the necessary radial and axial work area clearance to be substantially reduced; welding of tube to elbow joints or tube to tube joints next to obstacles like walls or the ceiling can be carried out. Mr Mariner asserts that improved productivity is an important matter for on-site operations. In addition to the sophisticated features of the equipment such as automatic control of the complete weld cycle by the power source, motorised AVC and torch oscillation, hot wire welding, cost and time-saving narrow gap technique can be applied as an alternative to a conventional tube end preparation. Many components of the Conventional Island of a nuclear power plant are also manufactured using Polysoude welding equipment. On site, the tubes of the secondary cooling circuit have to be mounted and connected to the steam generator, the turbine and the condenser. The condenser itself is manufactured in a workshop. Serving as a heat exchanger, lots of tubes inside a vessel have to be connected to a tube sheet, which is often protected by a previously deposited coating. Indeed, manufacturing procedures and equipment are similar to those already presented for the steam generators of the primary circuit: tube-to-tube sheet welding with or without filler metal using orbital welding heads and coating of the tube sheet with mechanised cladding equipment (Figure 17). The central element of modern steam turbines, the rotor with a length of up to 20 metres and a weight of up to 350 tons, is often assembled from two or more segments. These segments are forged parts and can consist of different alloys. In order to prepare the connection, an intermediate layer is deposited on each of the upper faces of the segments, which are fixed in an upright position on a turntable. To complete the heterogeneous joint, the rotor segments are super positioned and the buttered sides are then welded together using the TIG hot wire narrow gap technique (Figure 18).

Maintenance and repair
Preventive maintenance and professionally carried out repairs are essential for the safe and sustainable operation of nuclear power plants. The improved design of delicate constructions, for example the mentioned procedure of connecting the CDRM tubes to the reactor vessel head, helps to avoid unscheduled downtime. Moreover, procedures and equipment have been developed and approved to provide an acceptable level of quality and safety concerning the structural integrity of such repairs. Mechanised, remotely operated welding equipment designed and configured by Polysoude allows respect of the specified procedures and helps to maintain the man-rem exposure of the repair personnel at a low level. A concern of these repair procedures used to be the Bottom-Mounted Instrumentation (BMI) nozzles in the reactor vessel bottom head. In numerous cases, primary water stress corrosion cracking caused severe damage and leakage in the primary coolant circuit. In this case, the defective BMI nozzle had to be removed flush with the outside of the vessel head. As an intermediate layer, a weld pad was then deposited around the remaining hole in the vessel head, allowing creation of a reliable heterogeneous connection by welding the stainless steel replacement nozzle directly to the pad. Using this method, the original weld at the inside of the head remains intact, however the pressure boundary of the joint is moved to the outside. The described procedure is known and approved as half pipe repair. Similar problems occurred on boron injection (RIB) nozzles, which are also connec-ted to the primary coolant circuit. An orbital TIG welding head is positioned inside the piping to repair them. An endoscope is used by the operator for remote monitoring. Due to the endless rotation feature of a collector head, cladding of the inner surface of the branch can be carried out continuously without stoppage after each revolution (Figure 19). To pass control equipment, particular nozzles are mounted on the reactor vessel head. The pressure boundary of the primary coolant circuit is constituted by a seal which is called a “canopy joint”. During each refuelling outage of the reactor, the canopy joints have to be disassembled; additional wear can be caused by routine maintenance. Polysoude, specialised in designing and manufacturing remotely operated orbital cladding equipment, proposes a specially-developed welding machine to rebuild the joint (Figure 20).

Recycling of used fuel and sustainable nuclear waste disposal
In spent nuclear fuel, when it comes from a reactor, remains a considerable amount of fissionable U-235; the end of use is indeed provoked by the presence of too many neutron absorbers. France is one of the countries where spent nuclear fuel is recycled, so the transport of highly radioactive material to the recycling facilities must be ensured in a reliable manner. Polysoude is involved in the development of methods to seal the huge transport canisters lastingly using specific welding procedures. Similar problems occur when the residues from the recycling process and the other radioactive waste must be disposed. Once again Polysoude is required to offer sealing solutions which are expected to last over extremely long periods of time (Figure 21).

Conclusion
“As a global player and leader of the world market with more than 50 years of experience, Polysoude proudly accepts the title Inventor of orbital welding technology” Mr Mariner concludes. “The headquarters of the company are based in the French city Nantes, with a worldwide presence in over 50 countries. Highly qualified technical, advisory, training and service personnel take part continuously in the latest developments of nuclear power plant construction and related activities such as uranium mining and enrichment, fuel fabrication, maintenance, service and the protection of environment. Polysoude develops dedicated welding equipment for all types of applications around the nuclear energy production cycle “Last but not least”, concludes Mr Mariner, “we always pay attention to defend our position a bit ahead of the front end”.

Ultima modifica ilMartedì, 12 Novembre 2013 11:00

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