ES2249497T3 - Sistema de medicion para determinar el espesor de una capa de oxido (corrosion tipo "shadaw" por "lift off") mediante un carro guiado. - Google Patents

Abstract

Sistema de medición (1) para determinar el espesor de una capa de óxido (84) sobre una capa metálica soporte, con un carro guiado (12) al que van fijados una serie de elementos posicionadores (42), los cuales determinan en conjunto un plano de referencia para una sonda de medición (14) situada en el carro guiado (12) y llevan cada uno en su extremo libre una ruedecilla (52).

Description

Sistema de medición para determinar el espesor de una capa de óxido (de corrosión tipo "shadow" por "lift off") mediante un carro guiado.

La presente invención se refiere a un sistema de medición para determinar el espesor de una capa de óxido sobre un substrato metálico.

En las estructuras metálicas de extensión plana puede tener lugar una oxidación de su superficie según la atmósfera circundante. Sobre la estructura metálica vista como una capa soporte suele formarse una capa no conductora de óxido. En el fondo estas capas de óxido no tienen por qué alterar el posterior uso o funcionamiento de la respectiva estructura metálica, pero, según el espesor de las capas de óxido formadas, pueden presentarse deterioros localizados, capaces de influir perjudicialmente en el entorno de la estructura metálica.

La formación de estas capas de óxido puede aparecer en gran número de instalaciones industriales, como, por ejemplo, en tuberías, en la extracción de petróleo, en las estaciones de bombeo, etc. También pueden formarse capas de óxido en las superficies de los componentes metálicos de las cajas de elementos combustibles empleados en las plantas nucleares, sobre todo en la piscina de almacenamiento de los elementos combustibles de una central de energía nuclear. En concreto, puede aparecer una corrosión de los componentes metálicos, conocida también como "corrosión shadow", capaz de provocar la formación de dichas capas de óxido. La corrosión "shadow" designa una corrosión local elevada bajo irradiación de componentes formados por aleaciones a base de Zr, en la zona de un par material con acero austenítico o con una aleación a base de níquel.

Estos fenómenos de corrosión en las cajas de elementos combustibles no son en sí problemáticos y en el fondo tampoco limitan la utilidad de la correspondiente caja de elementos combustibles. Sin embargo, los desconchados de las capas de óxido formadas en estas cajas de elementos combustibles también pueden superar ciertos límites. Estos desprendimientos podrían tener un efecto perjudicial en los sistemas cercanos al núcleo del reactor y por tanto no son deseados.

Para poder paralizar a tiempo estos desprendimientos, sustituyendo con antelación el componente afectado, si es necesario, pueden preverse a intervalos más o menos regulares unos controles de espesor de las capas de óxido que se forman en los componentes afectados. Esto es especialmente factible para componentes de fácil acceso y, sobre todo, en sus partes externas. De la patente US 51 24 641, por ejemplo, se conoce un sistema de medición adecuado para ello, que va montado en un carro guiado y lleva incorporado una sonda medidora.

Evidentemente también puede ser deseable establecer un control en lugares inaccesibles, por ejemplo, en el interior de un componente fundamentalmente cerrado como es un tramo de tubería prolongado. Precisamente, en el caso de las cajas de elementos combustibles en una planta nuclear, suele preverse una determinación puntual o local del espesor de la capa de óxido en el exterior de cada caja. De ahí se deduce de manera general el grado global de corrosión de la respectiva caja de elementos combustibles. Pero, debido a esas generalizaciones, tal deducción solo tiene una exactitud limitada, ya que justo para el interior no accesible de dicha caja de elementos combustibles solamente pueden indicarse unos valores estimados del espesor de la capa de óxido, los cuales son comparativamente inexactos.

Por tanto, la presente invención tiene por objeto indicar un sistema de medición para determinar el espesor de una capa de óxido sobre una capa metálica soporte, que asimismo permita determinar con gran fiabilidad y, sobre todo con poco gasto, los espesores de las capas de óxido en la zona interna de los componentes básicamente cerrados, como por ejemplo los tramos de tubería o las cajas de elementos combustibles.

Dicho objetivo se resuelve, de acuerdo con la presente invención, según la reivindicación 1.

La presente invención parte de la idea de que la determinación del espesor de una capa de óxido mediante el uso de una sonda de medición adecuada solo es factible con seguridad cuando la sonda se puede colocar en posición exacta respecto a un sistema de referencia. En la parte exterior de los componentes metálicos esto no suele representar ningún problema, porque normalmente hay buen acceso. Pero en la parte interior de componentes de por sí cerrados, como por ejemplo tramos de tubería o cajas de elementos combustibles, la colocación de la sonda de medición es especialmente problemática por falta de acceso al espacio correspondiente. Por consiguiente, para asegurar de manera sencilla que la sonda de medición se sitúe en una posición definida, se monta sobre un elemento soporte o sobre un carro guiado, que a su vez presenta una serie de elementos posicionadores con los cuales va unido. Estos posicionadores están previstos para ser guiados hasta establecer contacto mecánico directo con el componente analizado, de tal modo que constituyan en conjunto un plano de referencia para la sonda de medición, permitiendo así un resultado fiable por su situación respecto al componente medido. Para desplazar la sonda a lo largo de la superficie del componente analizado, sin dañarlo, y permitiendo por tanto la creación de perfiles de espesor de capa, los posicionadores llevan en sus respectivos extremos libres unas ruedecillas que pueden rodar sobre el componente analizado.

Para hacer posible una determinación fiable del espesor de la capa de óxido con medios relativamente simples, el dispositivo de medición incluye ventajosamente una bobina unida con un aparato medidor de corrientes parasitarias. La sonda de medición, que contiene la bobina, está concebida especialmente para determinar el espesor de una capa no conductora de electricidad - es decir, de la capa de óxido presente - según el efecto llamado "lift-off". Con este efecto se aprovecha la variación de impedancia que experimenta una bobina accionada a elevada frecuencia, cuando varía su distancia respecto a un objeto de medición eléctricamente conductor. En este caso, la capa metálica soporte sirve de objeto de medición eléctricamente conductor, cuya distancia respecto a la bobina depende por un lado de la distancia entre la bobina y la cara frontal de la sonda de medición, y por otra parte del espesor de la capa de óxido que debe medirse. Mediante la bobina accionada a alta frecuencia se genera una corriente parasitaria en la capa soporte que sirve de objeto de medición eléctricamente conductor, la cual, también en función de la distancia, tiene una repercusión en la impedancia de la bobina.

Para permitir la determinación de perfiles del espesor de la capa de óxido, el carro guiado del sistema de medición se puede desplazar ventajosamente en dirección longitudinal y fundamentalmente paralela al plano de referencia. La sonda de medición lleva su cabezal alineado sobre el plano de referencia y, por tanto, fundamentalmente perpendicular a la dirección longitudinal.

Según una forma especialmente ventajosa, el sistema de medición está configurado para la exploración superficial del componente o pared investigado. Para ello, la sonda de medición está preparada para poder desplazarse en dos dimensiones espaciales independientes entre sí. La capacidad de desplazamiento en la primera dimensión está garantizada por el movimiento del carro guiado en la citada dirección longitudinal. Según otra configuración ventajosa, para permitir también el desplazamiento en una segunda dirección independiente de la primera, la sonda de medición está montada mediante un carro transversal en el carro guiado, de manera que el carro transversal se puede desplazar en dirección esencialmente paralela al plano de referencia, formando un ángulo de 90º, preferentemente, respecto a la dirección longitudinal en que se mueve el carro guiado.

En una configuración especialmente ventajosa, la sonda de medición está alojada de forma elástica respecto al carro guiado y sobre todo puede estar suspendida elásticamente del carro transversal. Por una parte el alojamiento elástico asegura que el cabezal de la sonda de medición se mantenga fundamentalmente en el plano de referencia determinado por los elementos posicionadores. Así pues, cuando las ruedecillas de los elementos posicionadores tocan la pared o la superficie investigada, el cabezal de medición se aprieta con una fuerza prefijada sobre la pared o la superficie y se desliza sobre ellas al mover el carro guiado o el carro transversal. Además la suspensión elástica también asegura la sonda de medición, pues, en caso de irregularidades o aglomeraciones en la pared investigada, la sonda puede retraerse con relación al plano de referencia y por tanto no se destruye al tropezar con una desigualdad. Precisamente al usar el sistema de medición para investigar la superficie interior de las cajas de elementos combustibles, hay que tener en cuenta el llamado crecimiento inducido por radiación, pues, a causa de la radioactividad el material puede sufrir una fragilización y también una ampliación de sus constantes cristalinas.

Por tanto, para el uso en el interior de un componente esencialmente cerrado, como un tramo de tubería o una caja de elementos combustibles, el sistema de medición está equipado ventajosamente para garantizar un apriete automático de los elementos posicionadores y de la sonda flanqueada por ellos sobre la pared investigada. A tal fin, el carro guiado lleva por conveniencia una serie de brazos de apriete, alojados de forma elástica, con una ruedecita en el extremo libre de cada uno de ellos. Los brazos de apriete permiten apoyar el carro guiado en la pared opuesta a la pared investigada. El alojamiento elástico de los brazos de apriete asegura una presión de apriete preajustable de los elementos posicionadores sobre la pared investigada, con lo cual tanto ellos como la sonda de medición se encuentran siempre en una posición definida sobre respecto a la pared investigada. Mediante su ruedecilla cada brazo de apriete está en contacto mecánico con la pared correspondiente, de modo que al desplazar el carro guiado en dirección longitudinal las ruedecillas recorren dicha pared.

Para establecer un perfil de espesor fiable, el sistema de medición está formado para que el carro guiado se conduzca con estabilidad en dirección lateral o transversal. Precisamente en el caso de la investigación de la superficie interna de un componente básicamente cerrado, como un tramo de tubería o una caja de elementos combustibles, ello está garantizado ventajosamente, porque el carro guiado lleva una serie de brazos de apoyo colocados en dirección lateral respecto a la sonda de medición, cada uno de ellos dotado de una ruedecilla en su extremo libre. Este dispositivo es especialmente apropiado para un sistema de medición destinado a analizar el espacio interior de un componente básicamente cerrado de sección rectangular, como es el caso, por ejemplo, de una caja de elementos combustibles. Aquí la sonda de medición, con los elementos posicionadores que la rodean, se puede dirigir por dentro hacia un lado anterior de la caja de elementos combustibles, apoyando los brazos de apriete del carro guiado sobre el lado posterior. Los brazos de apoyo sostienen el carro guiado a derecha e izquierda, asegurando que quede centrado automáticamente. Las ruedecillas de los brazos de apoyo permiten igualmente el libre movimiento del carro guiado en la dirección longitudinal.

Para que el carro guiado se centre de manera especialmente oportuna y automática en dirección transversal respecto a la sonda de medición, hay dos brazos de apoyo opuestos en dirección lateral que se articulan en un mismo punto de sujeción. Las ruedecillas de dichos brazos de apoyo articulados conjuntamente funcionan paralela y sincronizadamente a cada lado. Por tanto la sonda de medición siempre es guiada en la misma dirección axial, a pesar de los abultamientos que pueda haber en la dirección longitudinal de la sección interna del componente investigado.

El carro guiado del sistema de medición está ventajosamente suspendido en una caja soporte mediante una barra. La caja soporte está convenientemente dimensionada de tal modo, que el carro guiado desplazable en la dirección longitudinal se puede transportar dentro de la caja soporte. Para la medición, la caja soporte se puede colocar sobre la estructura o componente investigado. La caja soporte está convenientemente dimensionada para adaptarse a la estructura o al componente investigado, de modo que el carro guiado entre suavemente en el espacio interior del componente investigado.

En la caja soporte se integra ventajosamente un elemento calibrador de la sonda de medición. Este elemento incluye una serie de capas de óxido de grosor conocido sobre una capa metálica soporte. Al pasar sobre cada una de dichas capas de óxido, la sonda de medición genera respectivamente una señal de salida correspondiente a un espesor conocido. Por tanto, con varios espesores de capa conocidos se puede establecer un registro en forma de una curva de calibración, justo antes de efectuar una medición. En este registro figura la correspondiente señal de salida de la sonda de medición para una serie de espesores de capa. Por lo tanto luego, durante la medición real, a cada tensión de salida se le puede asignar un espesor de capa de óxido, por ejemplo mediante interpolación.

Las ventajas conseguidas con la presente invención consisten, particularmente, en el establecimiento de un plano de referencia definido para la sonda de medición, mediante los elementos posicionadores colocados en el carro guiado. Por lo tanto, con los elementos posicionadores haciendo contacto en la pared o estructura plana investigada se asegura de manera especialmente sencilla y fiable que la sonda de medición tome una posición exacta y definida sobre la pared analizada. Precisamente, con el apoyo del carro guiado en las otras paredes internas del componente investigado, también se logra que la sonda de medición se mantenga en una posición definida respecto a la pared analizada, de manera automática y sin necesidad de ajustes especiales. Como todos estos elementos están provistos de ruedecillas en sus extremos también se garantiza el libre desplazamiento de la sonda de medición y, al mismo tiempo, la estabilidad de su posición en cuanto a su distancia respecto a la pared analizada. Por lo tanto, gracias a un carro adicional guiado en sentido transversal y previsto para explorar una segunda dirección, se puede realizar un sondeo plano de la superficie interior del componente investigado.

Mediante un esquema se ilustra en detalle un ejemplo de ejecución conforme a la presente invención, donde:

Figura 1 muestra un sistema de medición en dirección longitudinal,

Figura 2 muestra el sistema de medición de la figura 1 en un corte longitudinal, pero visto según un giro de 90º respecto a ella, y

Figura 3 muestra un corte de la figura 2.

Las mismas partes llevan igual número de referencia en todas las figuras.

El sistema de medición 1 según las figuras 1 y 2 está previsto para determinar el espesor de una capa de óxido sobre una capa metálica soporte. En el ejemplo de ejecución, el sistema de medición 1 está configurado para su empleo en el interior de una caja de elementos combustibles en una planta nuclear. No obstante, como alternativa, el sistema de medición 1 también puede estar configurado para utilizarlo en la investigación de otros componentes, lo cual puede dar lugar a adaptaciones, sobre todo en cuanto a la dimensión y/o diseño de la sección transversal.

El sistema de medición 1 comprende una caja soporte 2, que también puede emplearse como recipiente de transporte de todo el sistema de medición 1. Para el manejo automático del sistema de medición 1, la caja soporte 2 lleva en su tapa 4 una barra herramienta 6 y un anillo de sujeción 8. El sistema de medición 1 se puede transportar y ajustar por la barra herramienta 6 y el anillo de sujeción 8 mediante los dispositivos de manipulación que existen normalmente en una planta de energía nuclear, por ejemplo con grúas.

En la caja soporte 2 hay un carro guiado 12 suspendido mediante una barra soporte 10. En el carro guiado 12 hay una sonda de medición 14 diseñada para determinar propiamente el espesor de la capa de óxido.

La sonda de medición 14, que en la figura 3 se representa mediante un corte ampliado, está configurada sobre la base del llamado "efecto lift-off", para medir el espesor de una capa de óxido. Para ello, la sonda de medición 14 lleva justo detrás de la cara frontal de un cabezal de medición 16 una bobina, cuyo eje es prácticamente vertical al objeto que se quiere medir. Esta bobina está conectada a la entrada con un puente de Wheatstone y a la salida con un aparato medidor de corrientes parasitarias, mediante un transformador. Para determinar el espesor de una capa de óxido, el cabezal 16 de la sonda de medición 14 se lleva hacia una posición definida, lo más cercana posible a la superficie de la capa de óxido que se mide o incluso posado sobre ella. Durante la medición, la bobina es alimentada con una señal de entrada de alta frecuencia. El campo magnético generado por la bobina accionada de esta manera produce una corriente parasitaria en la capa metálica que soporta la capa de óxido, la cual repercute a su vez en la impedancia de la bobina. La magnitud de esta repercusión depende de la distancia entre la capa metálica y la bobina. A la vez, esta distancia está determinada por la que hay desde la bobina a la cara frontal del cabezal de medición 16 y - cuando el cabezal de medición 16 está apoyado sobre la capa de óxido - por el espesor de la capa de óxido. Así pues, la conexión en puente utilizada para accionar la bobina envía una señal de salida, que es característica del espesor de la capa de óxido y que por tanto puede valorar como tal.

La sonda de medición 14 está fijada al carro guiado 12 mediante un sistema de traslación transversal 20, como está representado también en la figura 3. El sistema de traslación transversal 20 incluye un carro guiado 22, en el que se aloja de forma elástica la sonda de medición 14 mediante una pieza de sujeción 24. El carro guiado 22 se desliza sobre las guías 26 y puede trasladarse en dirección transversal. Para ello el carro guiado 22 va provisto de un motor de accionamiento 28, con el cual se puede mover a lo largo de las guías 26. Como ayuda para posicionarse en la dirección transversal, el carro guiado 22 va provisto de una serie de interruptores de fin de carrera sin contacto 30, que se accionan mediante unas levas de mando en un portalevas 32, el cual va unido a las guías 26 inmóviles. Con las levas de mando del portalevas 32 se puede graduar para el carro guiado 22 una posición central y dos posiciones de arranque a derecha e izquierda del centro, así como las posiciones finales. Además el motor de accionamiento 28 lleva incorporado un transmisor incremental, que permite alcanzar posiciones seleccionadas en la dirección transversal a partir de una posición central prefijable.

Asimismo, la sonda de medición 14 lleva incorporado un cilindro neumático 34 de desactivación, que en caso necesario permite alejar la sonda de medición 14 del perfil que se está midiendo.

La sonda de medición 14 va fijada al carro guiado 12 por medio del sistema de traslación transversal 20. Con otras palabras: la sonda de medición 14 va montada sobre el carro guiado 12 a través del carro guiado 22. El carro guiado 12 se puede desplazar en la dirección longitudinal x marcada con la doble flecha 40 en la figura 2. En este ejemplo de ejecución ello es factible gracias a la configuración trasladable de la barra soporte 10. Por lo tanto, mediante el carro guiado 12, movible en la dirección longitudinal x, y el carro guiado 22, movible en dirección transversal, la sonda de medición 14 se puede desplazar en dos direcciones independientes entre sí. Así pues, la sonda de medición 14 del sistema de medición 1 está configurada para explorar la superficie de un componente investigado.

Con el fin de permitir también la medición de superficies en los espacios interiores de difícil acceso, como es el caso de los componentes esencialmente cerrados, el sistema de medición 1 esta diseñado para que la sonda de medición 14 mantenga de manera ampliamente automática una distancia definida respecto a la superficie investigada, durante el proceso de medición. A tal fin, como se puede ver en la figura 2, el carro guiado 12 dispone de unos elementos posicionadores 42 por encima y debajo de la sonda de medición 14. Los elementos posicionadores 42 van rígidamente unidos al carro guiado 12 y determinan en conjunto un plano de referencia para la sonda de medición 14. Cada uno de los elementos posicionadores 42 tiene en su extremo libre una ruedecilla 44 que, al trasladar el carro guiado 12 en el sentido longitudinal x, rueda sobre la superficie medida. Durante la medición, las ruedecillas 44 mantienen continuamente el contacto con la superficie investigada, asegurando así una colocación definida de la sonda de medición 14 mediante los elementos posicionadores 42. Por lo que respecta a sus dimensiones, la sonda de medición 14 está seleccionada de manera que su cabezal medidor 16, en virtud del dimensionado de los elementos posicionadores 42, se halle en contacto deslizante con la superficie que se mide.

En su lado opuesto al cabezal 16 de la sonda de medición 14, el carro guiado 12 presenta una serie de brazos de apriete 50 alojados de forma elástica. Cada brazo de apriete 50 va provisto en su extremo libre de una ruedecilla 52. Con los brazos de apriete 50 y sus respectivas ruedecillas 52, el carro guiado 12 puede apoyarse en la pared opuesta a la pared investigada de un componente esencialmente cerrado. El alojamiento elástico de los brazos de apriete 50 permite que los elementos posicionadores 42, y con ellos la sonda de medición 14, presionen con seguridad sobre la pared analizada, aunque varíe ligeramente la distancia entre ésta y la pared opuesta.

Para estabilizar su posición en dirección transversal, el carro guiado 12 dispone de una serie de brazos de apoyo 60 situados lateralmente respecto a la sonda de medición 14, tal como se desprende de la figura 1. Cada dos de estos brazos de apoyo 60, opuestos en dirección lateral, van articulados conjuntamente en un mismo punto de sujeción, formando una tijera o un paralelogramo. Cada brazo de apoyo lleva en su extremo libre una ruedecilla 62. Gracias a la articulación conjunta de los brazos de apoyo 60 opuestos, sus ruedecillas 62 funcionan paralela y sincronizadamente a cada lado. Por tanto el carro guiado 12, y con él la sonda de medición 14, siempre se mueven transversalmente sobre el mismo eje longitudinal, a pesar de los posibles abultamientos de la sección del componente investigado.

Para supervisar o regular el proceso de la medición, el carro guiado 12 dispone además de un sistema óptico de control 70, el cual comprende una cámara de observación 72 con espejo deflector, así como un proyector de luz, no representado en detalle. Para conducir el carro guiado 12 durante un movimiento en la dirección longitudinal x, se ha previsto un perno de centrado 74, que engrana en una escotadura apropiada en la parte superior del carro guiado 12.

Asimismo, el sistema de medición 1 lleva un elemento de calibración 80 para la sonda de medición 14. El elemento de calibración 80 está integrado en la caja soporte 2 e incluye una capa metálica soporte 82, sobre la que se ha aplicado una serie de capas de óxido 84 de espesor conocido. El elemento de calibración 80 está integrado en la caja soporte 2 de tal manera que, al extraer el carro guiado 12 del interior de la caja soporte 2, es barrido por sonda de medición 14. Por lo tanto puede observarse qué señal de salida genera la sonda de medición 14 al barrer las capas de óxido 84, lo cual permite asignar claramente una señal de salida a un espesor conocido de una capa de óxido 84. Los datos obtenidos se pueden registrar formando una curva o línea de calibración en una unidad de evaluación, de manera que estén disponibles para la medida efectuada. En consecuencia, a una señal de salida de la sonda de 14, obtenida en una medición efectiva, se le puede asignar un valor para el espesor de una capa de óxido, bien sea por comparación con la serie de datos de calibración o por interpolación.

Claims (10)

1. Sistema de medición (1) para determinar el espesor de una capa de óxido (84) sobre una capa metálica soporte, con un carro guiado (12) al que van fijados una serie de elementos posicionadores (42), los cuales determinan en conjunto un plano de referencia para una sonda de medición (14) situada en el carro guiado (12) y llevan cada uno en su extremo libre una ruedecilla (52).

2. Sistema de medición (1) según la reivindicación 1, cuya sonda de medición (14) comprende un dispositivo de bobina que va unido a un detector de corrientes parasitarias.

3. Sistema de medición (1) según la reivindicación 1 o 2, cuyo carro guiado (12) se puede trasladar en una dirección longitudinal esencialmente paralela al plano de referencia.

4. Sistema de medición (1) según la reivindicación 3, cuya sonda de medición (14) va montada sobre un carro guiado (22) que puede desplazarse en una dirección transversal, esencialmente paralela al plano de referencia y formando un ángulo de 90º, preferentemente, respecto a la dirección longitudinal en que se mueve el carro guiado (12).

5. Sistema de medición (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, en que la sonda de medición (14) está alojada de forma elástica respecto al carro guiado (12).

6. Sistema de medición (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5, cuyo carro guiado (12) lleva una serie de brazos de apriete (50), alojados de forma elástica, cada uno de los cuales presenta una ruedecilla (52)en su extremo libre.

7. Sistema de medición (1) según una de las reivindicaciones 1 a 6, cuyo carro guiado (12) lleva una serie de brazos de apoyo (60), dispuestos en dirección lateral respecto a la sonda de medición (14), cada uno de los cuales presenta una ruedecilla (52, 62) en su extremo libre.

8. Sistema de medición (1) según la reivindicación 7, en el cual existen dos brazos de apoyo (62), opuestos en dirección lateral y articulados en un mismo punto de sujeción.

9. Sistema de medición (1) según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual el carro guiado (12) está suspendido en una caja soporte (2) mediante una barra soporte (10).

10. Sistema de medición (1) según la reivindicación 9, cuya caja soporte (2) lleva integrado un elemento de calibración (80) para la sonda de medición (14).