NOVEL COMPUTER-AIDED METHODOLOGY FOR SELECTING …€¦ · Así, los elementos valorados por el panel de expertos, de acuerdo con su influencia en las propiedades físico-químicas

NOVEL COMPUTER-AIDED METHODOLOGY FOR SELECTING MATERIALS FOR THE NUCLEAR INDUSTRY

Rodríguez-Prieto, Álvaro; Camacho López, Ana M.; Sebastián Pérez, Miguel Ángel ETSI INDUSTRIALES UNED

Since, in the design phase of the project, the materials selection is a difficult task it is necessary to have a methodology to help in the selection process of materials. The objective of this research work is the development of a computer-aided methodology for selecting materials standards. The comparison between two specifications of nuclear materials such as the SA-508 Cl.3 specification (described in ASME B&PV Code) and the DIN 20MnMoNi55 one (described in the KTA standards) was chosen as a case study. The methodology developed is based on a evaluation method of stringency of requirements using a numerical weighting process based on the opinion of a prestigious experts panel in selection of materials for the nuclear industry. The developed program has the advantage that after making any changes in the input parameters, the final value is recalculated instantly, being very useful in the early stages of project development. As a general conclusion, the result provided by the program suggests that DIN 20MnMoNi55 material is more suitable for the manufacture of nuclear reactor pressure-vessels. Thus, this methodology can be used for any set of specifications for this and other sectors.

Keywords: stringency levels; decision tool; materials selection; reactor pressure vessels; nuclear power industry

NUEVA METODOLOGÍA ASISTIDA POR ORDENADOR PARA LA SELECCIÓN DE MATERIALES DESTINADOS A LA INDUSTRIA NUCLEAR

Dado que en la fase de diseño de proyecto, la selección de materiales puede ser una ardua tarea, resulta necesario disponer de una metodología de ayuda en dicho proceso de selección. El objetivo de este trabajo de investigación es el desarrollo de una herramienta informatizada para la selección de normativa de materiales. Se ha escogido como caso de estudio la comparación de dos especificaciones de materiales como son, la especificación SA-508 Cl.3 descrita en el código ASME B&PV y la DIN 20MnMoNi55 descrita en las normas KTA. La herramienta desarrollada se basa en una metodología de niveles de severidad de requisitos, empleando un proceso de ponderación numérica basado en la consulta a un prestigioso panel de expertos en selección de materiales para la industria nuclear. El programa desarrollado presenta como ventaja que, tras realizar cualquier modificación en los parámetros de entrada, el valor final se puede recalcular instantáneamente, siendo de gran utilidad en las etapas preliminares de proyecto. El resultado proporcionado por el programa permite extraer como conclusión general que el material DIN 20MnMoNi55 es más adecuado que el SA-508 Cl.3 para la fabricación de vasijas de reactor nuclear, pudiéndose emplear dicha herramienta de valoración en este u otros sectores.

Palabras clave: niveles de severidad; metodología de decisión; selección de materiales; vasijas de reactor; industria nuclear;

Correspondencia: Álvaro Rodríguez Prieto - [email protected]

Agradecimientos: Este trabajo ha sido financiado por la ayuda anual de la ETSII de la UNED de referencia 2016-ICF04.

20th International Congress on Project Management and Engineering Cartagena, 13-15th July 2016

991

1. Introducción En base a las principales propiedades químicas y mecánicas del material, se establecen en la práctica equivalencias entre las distintas especificaciones normalizadas de materiales. No obstante, los requisitos tecnológicos especificados por las distintas normativas para los materiales considerados como equivalentes, presentan en muchos casos diferencias significativas, que en determinadas situaciones adquieren una mayor relevancia al ser elaboradas sin tener en cuenta algunas publicaciones científicas clave, que limitan en mayor medida el contenido máximo de ciertos elementos de aleación e impurezas presentes en la composición del material (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2013).

Dado que en la fase de diseño de proyecto la selección de materiales puede, en muchos casos, ser una ardua tarea, resulta necesario disponer de una metodología de ayuda en el proceso de selección de materiales.

2. Objetivos El objetivo de este trabajo de investigación es el desarrollo de una herramienta informatizada para la selección de normativa de materiales. Se ha escogido como caso de estudio la comparación de dos especificaciones de materiales cuyo uso es muy extendido en la fabricación de vasijas de reactor para la industria nuclear. La herramienta desarrollada se basa en una metodología de niveles de severidad de requisitos (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2016 y 2013), empleando un proceso de ponderación numérica basado en la consulta a un prestigioso panel de expertos en selección de materiales para la industria nuclear. Se ha decidido realizar esta consulta para reducir la subjetividad asociada a una valoración exclusivamente individual realizada por los autores del trabajo. Para ello se ha formado un panel de expertos de alto nivel, que se caracteriza por su complementariedad entre participantes. De esta forma se aborda el problema de la ponderación numérica desde un punto de vista global cubriendo gran parte de los enfoques que afectan al mismo, como son el conocimiento de los materiales, normativa empleada e influencia sobre la fabricación de recipientes especiales a presión como son las vasijas destinadas a albergar un reactor nuclear.

La metodología se ejemplifica en una aplicación particular sobre especificaciones de materiales forjados destinados a la fabricación de componentes del circuito primario – específicamente la vasija del reactor – de una central nuclear tipo PWR, como son las especificaciones equivalentes SA-508 Clase 3 del código de fabricación americano ASME B&PV y la DIN 20MnMoNi55 (IAEA, 2003), descrita en las normas de seguridad alemanas KTA (Rodríguez-Prieto A, 2013).

3. Metodología La metodología (figura 1) se basa en un proceso de análisis técnico consistente en una ponderación numérica y cálculo de NS mediante la programación de una herramienta informática en lenguaje gráfico Labview® (2013).


992

Figura 1: Desarrollo de la metodología para el estudio de la repercusión técnica y económica asociada a la selección de normativa de materiales

Por tanto, según se muestra en la figura 1, se procede a desarrollar las tres fases:

En las fases A y B, se realiza la ponderación de requisitos y el cálculo de NS mediante la nueva herramienta informática desarrollada. La elección de requisitos y la asignación justificada de pesos relativos se han llevado a cabo mediante una metodología Delphi de juicio de expertos (Dalkey & Helmer, 1963), en la cual han participado una selección de 25 expertos que destacan por su experiencia en selección de materiales para la fabricación de recipientes a presión destinados al sector nuclear (tabla 1).

Tabla 1. Composición del panel de expertos

3.1 Fase A – Ponderación numérica de requisitos químicos de materiales La metodología de valoración mediante juicio de expertos (Dalkey & Helmer, 1963) se basa en obtener y procesar eficientemente la información que los expertos poseen sobre las materias que conocen y, a partir de ahí, lograr un resultado de grupo útil para ser empleado como información en la toma de decisiones.

En esta técnica se plantean una serie de hipótesis de partida y de validación de resultados, junto con una serie de posibilidades:

H0: Peso relativo (Requisitos químicos con límite experimental considerado) = 3/20 (Influencia alta sobre el comportamiento mecánico) o 1/10 (Influencia baja sobre el comportamiento mecánico).

H1: Peso relativo (Requisitos químicos sin límite experimental considerado) = 1/10 (Influencia alta sobre el comportamiento mecánico) o 1/20 (Influencia baja sobre el comportamiento mecánico)

H2: Σ Pesos relativos (Requisitos químicos) = 1

Tal y como se ha mencionado anteriormente, se ha formado un panel de expertos de alto nivel, que se caracteriza por su complementariedad entre participantes, pudiéndose abordar el problema desde un punto de vista global cubriendo gran parte de los enfoques que afectan al mismo, como son el conocimiento de los materiales, la normativa empleada y la

Vinculación profesional/disciplina de conocimiento Número de expertos por disciplina de conocimiento

Investigadores, pertenecientes a instituciones que llevan a cabo investigación en tecnología de materiales relacionada con componentes estructurales para el sector de la energía

7

Profesionales, expertos en materiales estructurales para la industria nuclear

12

Profesionales, expertos en ingeniería de fabricación de equipos a presión para la industria nuclear 6

Número total de expertos participantes 25

Fase A:

Ponderación numérica

de requisitos químicos

de materiales.

Fase B:

Cálculo de Niveles de

Severidad (NS) mediante

programa informático en

Labview ®

Fase C:

Tratamiento de datos


993

influencia sobre la fabricación de componentes estructurales para la industria nuclear (tabla 1).

Los valores de ponderación elegidos han correspondido con la mediana resultante de las asignaciones propuestas por el panel de expertos. Finalmente, se ha obtenido para todas las valoraciones realizadas, una desviación típica (σ) menor del 0.1, aceptada por la totalidad de expertos. En la tabla 2, se muestran las ponderaciones asignadas por el panel de expertos.

Tabla 2. Ponderaciones a los requisitos asignadas por el panel de expertos (Rodríguez, 2014)

3.2 Fase B – Cálculo de Niveles de Severidad (NS)

Antes de realizar el cálculo de niveles de severidad, se desarrolla un análisis previo sobre la influencia de los diversos requisitos a analizar. Así, los elementos valorados por el panel de expertos, de acuerdo con su influencia en las propiedades físico-químicas del acero para su uso en el circuito primario de refrigeración de una central nuclear de agua presurizada (pressurized water reactor, PWR), son los que se indican a continuación (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2013).

Fósforo: La importancia del contenido en Fósforo sobre el comportamiento mecánico es un hecho comprobado, ya que, aumenta la fragilidad del material a partir de un umbral de 0.02% de contenido porcentual en peso del elemento (Amayev, Kryukov y Sokolov, 1993). Asimismo, el fósforo aumenta la susceptibilidad del material a la fragilidad por irradiación neutrónica (Hawthorne, 1982). Por ello se ha considerado que el límite experimental (Le) a tener en cuenta para el cálculo del nivel de severidad del requisito de Fósforo debe ser de 0.02% en peso.

Cobre: Odette et al. (1996) llegaron a la conclusión de que, para niveles de Cobre inferiores al 0.1% no se forman precipitados ricos en cobre y así el cobre tiene poco efecto en el endurecimiento por radiación (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2013). Cuando el contenido de Cobre es mayor del 0.1 %, el incremento de la temperatura de transición debido a la fragilización por irradiación es mayor cuanto mayor sea el contenido en Cobre, comprobándose que muestra un comportamiento lineal con el contenido en Cobre hasta un valor de entre 0.25 y 0.3% (Odette et al, 1997). Por ello se ha considerado que el límite experimental (Le) a tener en cuenta para el cálculo del nivel de severidad del requisito de Cobre debe ser de 0.1% en peso.

REQUISITO PESO RELATIVO

Fósforo 3/20

Cobre 3/20

Azufre 1/10

Nitrógeno 1/20

Manganeso 1/20

Silicio 1/20

Níquel 1/10

Cromo 1/20

Molibdeno 1/20

Vanadio 1/10

Niobio 1/20

Tantalio y Cobalto 1/10

TOTAL 1


994

Níquel: El Níquel aumenta la susceptibilidad del material a la fragilidad por irradiación neutrónica. Así, algunos trabajos de investigación como los de Petrequin (Petrequin et al, 1979), Stofanak (Stofanak et al, 1993) o Nikolaeva (Nikolaeva et al, 1994) llegaron a la conclusión de que, para valores inferiores al 1% de Níquel no se observaron efectos negativos sobre las propiedades del material. Por ello se ha considerado que el límite experimental (Le) a tener en cuenta para el cálculo del nivel de severidad del requisito de Níquel debe ser de 1% en peso.

Manganeso: El Manganeso en los aceros aleados, y en los contenidos porcentuales previstos, mejora su templabilidad y rebaja las temperaturas de transformación. En consecuencia, suele añadirse en proporciones superiores al 1% (De Garmo et al, 2012). Por lo tanto, de cara al cálculo del nivel de severidad de este requisito, éste se considera como un elemento que sería conveniente se encontrase en la mayor proporción posible dentro de los márgenes establecidos por los requisitos (tabla 3)

Resto de elementos: son considerados como elementos que es necesario limitar debido a su perjudicial efecto sobre las propiedades del material, dada las condiciones de operación a las que se ve sometido un componente como es la vasija del reactor (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2013):

Es necesario, un control estricto del contenido en vanadio ya que aumenta la susceptibilidad a la fragilidad por irradiación neutrónica (CSN, 2012). Asimismo, aunque en las cantidades máximas establecidas por ambas normativas, el silicio se disuelve en la ferrita y no tiene efecto apreciable sobre la estructura, ni sobre las propiedades físicas de la ferrita (Morral et al, 1985), se considera que debe limitarse su contenido. El Azufre eleva la fragilidad de las virutas (Leyensetter A., 2006) disminuyendo su maquinabilidad y reduce la energía absorbida por impacto (Hawthorne, 1982). La presencia de perlita, depende entre otros factores del porcentaje de Molibdeno y de la velocidad de enfriamiento (Monteiro, 2009) teniendo un efecto negativo aumentando la temperatura de transición dúctil-frágil.El nitrógeno reduce la ductilidad y la tenacidad (Kalpakjan y Schmid, 2011) y proporciona fragilidad a los aceros. Cabe señalar que la presencia de niobio aumenta la dureza del acero (Larrea, 1980). Sin embargo, el contenido en Cromo se limita, debido a que contenidos superiores favorecen la formación de óxidos de cromo que precipitan en límite de grano, provocando fragilidad, como observaron Rosario y Villacorta (1999) sobre muestras de HY-80 equivalente al SA-508-4N Clase 1 (Nisbett, 2005).

En la tabla 3 se muestran los requisitos de los materiales junto con los límites experimentales (Le) a considerar para el Cobre, Fósforo y Níquel, así como información relevante para posteriormente poder clasificar el requisito y calcular su nivel de severidad (NS) (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2013).

Tabla 3. Tabla comparativa de requisitos químicos de material forjado (basada en las referencias SA-508, 2013 y KTA 3201.1, 1998)

Requisito SA-508 Cl.3 DIN

20MnMoNi55 Límite

experimental (Le)

Valores máximos porcentuales en peso

V 0.05 0.02 - Si 0.40 0.30 - S 0.025 0.008 - P 0.025 0.012 0.02 Ni 1.00 0.80 1.00 Nb 0.01 N.E -


995

N N.E 0.013 - Mo 0.60 0.55 - Mn 1.20*1-1.50 1.20*1-1.50 - Cu 0.20/0.10*2 0.12 0.10 Cr 0.25 0.20 -

Abreviatura en tabla: N.E. No Especificado; - No considerado; < Menor Nota (*1): Se especifica valor mínimo, en este caso. Nota (*2): Requisito sólo especificado para la Zona Belt line (barras de control). Nota (*3): Se especifican límite inferior y superior, coincidentes entre ambas normativas.

Los NS, se ha considerado presenten valores comprendidos entre 1 (nivel de severidad bajo), pasando por 2 (nivel de severidad leve), 3 (nivel de severidad medio), 4 (nivel de severidad elevado) hasta un valor igual a 5 (nivel de severidad máximo – NSMáx) (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2013 y 2015), según tabla 4.

Tabla 4. Correspondencia del nivel de severidad (NS) cualitativo y cuantitativo y color asignado (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2015)

Niveles de Severidad (cuantitativo)

Niveles de Severidad (cualitativo)

Color

1 Bajo 2 Leve 3 Medio 4 Elevado 5 Máximo (NSMax)

La metodología para la asignación de NS a los diferentes requisitos tecnológicos se ha desarrollado con ayuda de los casos que se indican a continuación, en función del tipo de requisito y de consideraciones tenidas en cuenta en su análisis (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2016 y 2013):

Caso 1.- Requisito tecnológico no especificado por alguna de las dos normativas

Se asigna NS=1.00 al requisito no especificado por el código/normas:

NS=1.00 (1)

Para el cálculo del NS del requisito especificado por la otra normativa se distinguen dos subcasos, dependiendo de si se ha considerado límite experimental en el análisis realizado:

Subcaso 1.1.- Con Límite experimental considerado

Se procede a la asignación de los siguientes NS en función del valor de Lc (Valor

especificado por la otra normativa para el requisito) y en función del valor de Le (Límite experimental de referencia):

NS=1.00 si Lc ≥ Le (2)

NS=2.00 si 0.9 Le≤ Lc < Le (3)

NS=3.00 si 0.8 Le≤ Lc < 0.9Le (4)

NS=4.00 si 0.7 Le≤ Lc <0.8 Le (5)

NS=5.00 si Lc < 0.7Le (6)

Como se puede observar, se considera que el Nivel de Severidad (NS) sea igual a 5, cuando el límite especificado por la normativa, Lc sea inferior a 0.7 Le. Es decir, se ha


996

considerado un factor de seguridad δ =0.7, para que el NS considerado sea máximo, de tal manera que Lc < δ Le.

Subcaso 1.2.- Sin Límite experimental considerado

En este caso, al no tener límite experimental como referencia se considera asignar un NS igual a 3, por tanto:

NS=3.00 (7)

Caso 2.- Requisito tecnológico especificado por ambas normativas

Se distinguen dos subcasos, de acuerdo con la consideración o no de trabajos experimentales en el análisis:

Subcaso 2.1.-Con Límite experimental considerado

De forma análoga al subcaso 1.1, se procede a la asignación NS en función del valor de Lc y en función del valor de Le de acuerdo con las Ecs 2-6:

Subcaso 2.2.-Sin Límite Experimental considerado

Este subcaso, se divide en dos opciones:

1) Si el elemento de adición conviene se encuentre en la mayor proporción:

Se asigna NS=5.00 al requisito de mayor valor, y se designa éste como LC1 de acuerdo con la Ec.8:

NSLC1=5.00 (8)

Para el cálculo del NS del requisito especificado por el otro código/norma, se procede de acuerdo con la Ec.9:

Máx

C

C

LC NSL

LNS

1

2

2 (9)

2) Si la impureza o elemento de adición, conviene se encuentre en la menor proporción posible:

Se asigna NS=5.00 al requisito de menor valor, y se designa éste como LC2:

NSLC2=5.00 (10)

Para el cálculo del NS del requisito especificado por el otro código/norma, se procede de acuerdo con la Ec.11:

Máx

C

CLC NS

L

LNS

1

21 (11)

Para el cálculo automático de NS se ha desarrollado una herramienta informática programada en Labview ®. Así, el programa permite modificar ciertos parámetros como son (figura 2):

Peso relativo (Pi).

Requisito especificado (Lc1 y Lc2): se puede variar su límite, así como ver la influencia de suponer que el límite se encontrase o no especificado en la norma de análisis.

Límite experimental (Le).


997

Figura 2: Datos de entrada al programa

Una variación en los parámetros anteriores supone una modificación del resultado final con una precisión de cinco decimales. El programa presenta como ventaja que, tras realizar cualquier modificación en los parámetros de entrada, el valor final se puede recalcular instantáneamente. Esto tiene interés para analizar la variación de la severidad de requisitos entre distintas normativas; es decir basta con introducir los requisitos del material a analizar. Así mismo, ya que el proceso de ponderación numérica puede ser un proceso en constante revisión, ya que se puede ir aumentando la base de datos de opiniones de expertos, cualquier modificación permite recalcular también de forma instantánea. Por último, también se pueden replantear los límites experimentales (Le) a considerar.

El programa dispone de una serie de modos que permiten representar el Nivel de Severidad porcentual, es decir ponderado con el correspondiente peso relativo (Pi) asignado por el panel de expertos. En las figuras 3 a 5 se muestra el diseño del programa, para el ejemplo de cálculo de NS de los requisitos químicos del material forjado para las normativas ASME B&PV y KTA (tabla 3).

Figura 3: Imagen del programa que permite el cálculo automático del Nivel de Severidad de requisitos tecnológicos de materiales estructurales destinados al sector

nuclear: modo datos calculados

PARÁMETROS DE ENTRADA:

• Peso relativo (Pi)

• Requisito especificado (Lc1

y Lc2

)

• Límite experimental (Le)

Cambio de modo

Actualizar cálculos y gráficos Resultados finales


998

Figura 4: Imagen del programa que permite el cálculo automático del Nivel de

Severidad de requisitos tecnológicos de materiales estructurales destinados al sector

nuclear: modo gráfica 1 (ASME B&PV)

Figura 5: Imagen del programa que permite el cálculo automático del Nivel de

Severidad de requisitos tecnológicos de materiales estructurales destinados al sector

nuclear: modo gráfica 2 (KTA)

4. Resultados

En el apartado de resultados se desarrolla la fase C de la metodología; es decir, el cálculo de datos finales y su valoración.


999

4.1 Fase C – Tratamiento de datos e interpretación de resultados

De acuerdo con los datos expuestos en la tabla 2 se procede al cálculo de los Niveles de Severidad (NS) para los requisitos químicos de los materiales SA-508 Cl.3 (ASME B&PV) y DIN 20MnMoNi55 (KTA). El cálculo del Nivel de Severidad (NS) global de requisitos químicos obtenido por nuestro programa informático se presenta en la figura 6, empleando la ponderación numérica establecida en la fase B del proceso:

Figura 6: Resultados finales

De acuerdo con la figura 6, los requisitos químicos descritos en las normas KTA son más restrictivos, presentando un NS igual a 3.7 (Nivel de severidad medio-elevado) significativamente superior al NS igual a 1.95 (Nivel de severidad leve) presentado por los requisitos especificados por el código ASME B&PV (figura 7).

Figura 7: Nivel de severidad global

0

1

2

3

4

NS ASME B&PV NS KTA

Nivel de severidad global


1000

5. Conclusiones Se ha desarrollado una herramienta informatizada para la selección de normativa de materiales. Se ha escogido como caso de estudio la comparación de dos especificaciones de materiales cuyo uso es muy extendido en la fabricación de vasijas de reactor para la industria nuclear. El programa desarrollado ha sido escrito en lenguaje gráfico Labview® y se basa en una metodología de niveles de severidad de requisitos (Rodríguez-Prieto, Camacho y Sebastián, 2016 y 2013), empleando un proceso de ponderación numérica basado en la consulta a un prestigioso panel de expertos en selección de materiales para la industria nuclear.

Este programa presenta como ventaja que, tras realizar cualquier modificación en los parámetros de entrada, el valor final se puede recalcular instantáneamente. Y dado que la base de datos de opiniones de expertos puede ir sufriendo modificaciones en el tiempo, cualquier modificación permite recalcular también de forma instantánea. Así mismo, también se pueden replantear los límites experimentales (Le) a considerar.

El resultado proporcionado por el programa permite extraer como conclusión general que los requisitos químicos descritos en las normas KTA son más restrictivos (NS igual a 3.7) que los requisitos especificados por el código ASME B&PV (NS igual a 1.95). Por la tanto, el material DIN 20MnMoNi55 es más adecuado para la fabricación de vasijas de reactor para la industria nuclear.

Con respecto al programa desarrollado, es importante destacar su utilidad de cara a analizar cualquier par de especificaciones normalizadas de materiales con interés industrial, ya que permite cambiar los parámetros de entrada, es decir requisitos, pesos relativos y límites experimentales considerados, con gran facilidad y así poder obtener un nivel de severidad global referido a la especificación que será de ayuda en la ardua tarea de seleccionar los materiales más adecuados para la aplicación prevista.

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