La innovación en válvulas ayuda a la limpieza total de desechos nucleares en Hanford
El equipo de control del flujo de Flowserve proporciona válvulas centradas en el cliente y soluciones de automatización.
Las válvulas y los productos de automatización de válvulas diseñados para el tratamiento de desechos radioactivos se especifican y fabrican con mucho cuidado para cumplir los estrictos requisitos del gobierno. Esto garantiza que los estándares cumplan las demandas críticas de los distintos servicios asociados a las aplicaciones nucleares. Para cumplir estos estrictos requisitos, las soluciones de válvulas en este campo deben en ocasiones depender de dispositivos no utilizados histórica o convencionalmente para convertirse en soluciones ideales. Este fue el caso cuando los especialistas e ingenieros de productos en Flowserve® Corp. diseñaron innovadoras soluciones de válvula y de automatización para el control, aislamiento y tratamiento de lechadas de desecho radioactivo en el Proyecto de tratamiento de residuos en Hanford (Waste Treatment Project, WTP), en el
Una solución radioactiva
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Para remediar el peligro, el Departamento de energía (Department of Energy, DOE) puso en marcha un proyecto en el que el desecho radioactivo de alto nivel se trata y convierte en bloques de vidrio, en un proceso llamado vitrificación. En la actualidad, se considera la vitrificación como el proceso de tratamiento más eficaz para este tipo de contaminación, ya que es una forma duradera y estable que integra e inmoviliza el desecho radioactivo totalmente. Se han aplicado con éxito proyectos similares en
Una vez inmovilizado, la parte radioactiva de alto nivel del desecho WTP se almacenará temporalmente en la
Limpieza masiva
La Oficina para la protección de ríos del DOE concedió un contrato a Bechtel® National, Inc. en diciembre de 2000 para el diseño, construcción y puesta en marcha de la Planta de tratamiento de desechos en Hanford. Se estima que la construcción del WTP le costará al gobierno 5.700 millones de US$ y se tardará 10 años en finalizarlo.
El proyecto WTP que se encuentra en construcción es una iniciativa masiva que en la actualidad es
Desde la construcción hasta la vitrificación final, el proyecto WTP es un logro fundamental de la ingeniería moderna. Una gran parte del proyecto se centra en el tratamiento del desecho para que nunca se incumpla con la seguridad del empleado al tiempo que se logra el objetivo principal de aislar y tratar los desechos.
En la primera parte del proceso de tratamiento de desechos, se necesitaban válvulas especializadas para la instalación en recipientes contenedores llamados "protuberancias". Cada protuberancia tiene aproximadamente el tamaño de una pequeña piscina de natación y está diseñada para contener todas las bombas, válvulas y tuberías necesarias para la transferencia de la lechada de desecho líquido radioactivo desde los tanques de almacenamiento subterráneo existentes hasta el edificio de pretratamiento de desecho para su procesamiento.
El sistema de pretratamiento combina un proceso de filtración que elimina los sólidos de la lechada de desechos y un proceso de intercambio de iones que posteriormente elimina el desecho de alto nivel soluble del líquido restante. Las directrices para esta parte del proyecto especificaban válvulas manuales y automáticas que podían accionarse y repararse desde fuera de las protuberancias contenedoras a fin de garantizar la seguridad del empleado y la contención de la radioactividad. Todas las válvulas de bombeo estaban sujetas a la inspección y documentación NQA-1 para cumplir las estrictas especificaciones del DOE. Los accionamientos y posicionadores de las válvulas de bombeo también se especificaron para montarse fuera de la barrera contenedora de cada protuberancia.
Una solución de válvulas innovadora
Flowserve supo que Bechtel prefería las válvulas de bola manual de entrada superior para las protuberancias. El equipo de Flowserve, por su parte, consideraba que las válvulas de tapón de Flowserve eran una solución más eficaz.
"Las válvulas de tapón funcionan mejor en las lechadas que las válvulas de bola manual", comenta Mark Shaw, gerente de la región occidental, Flowserve Flow Control. "Las válvulas de tapón tienen un sellado positivo ajustable ascendente y descendente y 360 grados alrededor de la parte superior del tapón. El diseño de las válvulas hace que no tengan cavidades donde se pueda recolectar y/o solidificar material. Como las válvulas de tapón también cuentan con más del doble de la superficie de sellado de una válvula de bola manual típica constituyen una solución más efectiva para el tratamiento de la lechada".
En ese momento, el único candidato para las válvulas de bombeo WTP de Flowserve era la válvula de tapón Durco G4 de Flowserve. Si bien la G4 cuenta con una exitosa historia de 35 años de servicio en aplicaciones de lechada severas, y ha sido utilizada en aplicaciones de energía nuclear con requisitos de sello N nucleares, su antiguo diseño no permitía la reparación remota y, por tanto, no cumplía los requisitos del proyecto WTP.
"Trabajamos en conjunto con Bechtel y nos concentramos totalmente en el diseño y construcción de una solución que proporcionase a Bechtel lo que necesitaba", declara Shaw. "En ese momento, la solución todavía no existía en nuestra línea de productos".
El diseño se encuentra
El equipo de Flowserve pronto tuvo una solución: la nueva válvula de tapón de alto rendimiento Durco Mach 1. Aunque la Mach 1 no se había lanzado aún, esta nueva válvula de tapón había sido diseñada con una flexibilidad que la G4 no poseía. Esto proporcionó a Flowserve la posibilidad de continuar con el
Bechtel además necesitaba que el asiento de la válvula se construyera de polietileno con peso molecular ultra elevado (Ultra-High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE) resistente al desgaste y la radiación para soportar las lechadas radioactivas de
"La Mach 1 nos proporcionó flexibilidad para crear una solución para Bechtel", comenta Fred Shanks, Ingeniero de productos senior, Flowserve Flow Control, que trabajó en el
Aún así, la Mach 1 se tuvo que modificar para permitir su reparación remota y para ser completamente resistente a la radiación. Un equipo de ingenieros de Flowserve de la planta de
Prueba del concepto
El proceso de modificación no se llevó a cabo sin contratiempos. "Si bien el UHMWPE es altamente resistente al desgaste y la radiación, también necesita niveles de par más elevados", añade Shanks. "Ajustarnos a las limitaciones espaciales que Bechtel nos impuso y los requisitos de par de la Mach 1 con un asiento de UHMWPE fue un trabajo de equilibrio delicado. Nos obligó a continuar innovando en el diseño de la válvula y a estudiar qué accionamientos podíamos usar para ello".
Casi en septiembre de 2001, Larry Shields, ingeniero de ventas senior, Flowserve Flow Control, realizó una presentación ante el equipo de diseño WTP de Bechtel. Shaw y Shields presentaron un prototipo de la válvula Mach 1 con modificaciones para la reparación del cartucho y con una extensión del vástago de acción remota a fin de demostrar la extracción y sustitución del cartucho de reparación.
Los ingenieros de Bechtel fueron muy receptivos con el diseño modificado y parecieron creer que funcionaría para la aplicación. Sin embargo, y debido a los estrictos requisitos de DOE, Bechtel pidió a Flowserve que probara el diseño y la capacidad de los materiales de la válvula Mach 1 con una demostración funcional en un servicio de lechada que simulara de forma muy parecida las condiciones de la planta de WTP.
Bechtel le dio a Flowserve las especificaciones de los peores escenarios para la lechada radioactiva y le pidió una prueba de ciclo equivalente a veinte años. Flowserve desarrolló un método para probar los medios para hacer coincidir el tamaño de los sólidos y su viscosidad y peso con las especificaciones de Bechtel.
Rienda suelta a la creatividad
Shaw esbozó, a partir de sus trabajos anteriores en bombas y perforación de pozos, y creó una combinación de fluidos de perforación y aditivos de arcilla bentonita disponibles a nivel comercial que coincidía por completo con las especificaciones de los medios de prueba. Durante una visita a
"Gran parte del proceso consistió en la creación de ideas", expresa Shields, de Flowserve. "Proponíamos ideas e intentábamos ver si funcionarían. Realmente tratamos de innovar para conseguir lo que Bechtel necesitaba. Nuestros equipos de ingeniería y producción trabajaron en conjunto para resolver la puesta en práctica de esas ideas".
"No fue sólo presentarle un concepto a Bechtel", manifiesta Shaw. "Nos tomamos el tiempo y la iniciativa para demostrarle a Bechtel que nuestro concepto funcionaría".
"Este ha sido un proyecto desafiante en muchos aspectos", comenta Jerry Sutton, ingeniero en tuberías senior de Bechtel e ingeniero responsable en el proyecto WTP. "Uno de los aspectos es la forma en la que el proyecto estaba programado, lo que hizo que todo fuera extremadamente urgente. Lo único que hacíamos era intentar ponernos al día, porque el proyecto comenzó a construirse casi al mismo tiempo en que nosotros comenzamos con el diseño".
"Flowserve lo hizo muy bien, dadas las circunstancias", añade Sutton. "Cooperaron mucho y aceptaron bien nuestros requisitos".
Automatización de las válvulas
El siguiente desafío en el proceso fue clasificar los sistemas de automatización de válvulas Automax de Flowserve con Bechtel, y diseñar y construir extensiones de acero inoxidable ajustables con uniones universales dobles para permitir el funcionamiento y la reparación remotos de las válvulas desde el exterior de los recipientes contenedores de la protuberancia. Bechtel pidió que las válvulas se soldaran a la tubería de la protuberancia en un ángulo de cinco grados para facilitar el drenaje. Las uniones universales de la parte superior e inferior de la extensión fueron necesarias para eliminar cualquier tipo de carga lateral que pudiera crearse a partir del ángulo operativo de cinco grados.
Shaw y Shields trabajaron con Vince Rohrig, gerente de automatización de productos, y con Stan Piela, ingeniero de proyectos especiales, Flowserve Flow Control, para diseñar con éxito hardware ajustable en el campo para el funcionamiento manual y automático de las válvulas de bombeo, independientemente de su orientación o distancia de la parte superior de los recipientes de protuberancias.
"Bechtel quería extensiones de vástago que pudieran ajustarse a cualquier longitud necesaria, por lo que tuvimos que volver a innovar", comenta Shaw, de Flowserve. "Inventamos un diseño para las extensiones que funcionaba para cualquier válvula en cualquier ubicación de la protuberancia. El diseño de Vince permitió que las extensiones se fabricaran como una pieza estándar ajustable a cualquier longitud durante la instalación final".
Resolución del reto del diseño
"Este proyecto fue definitivamente un reto", comenta Rohrig. "Hemos realizado gran cantidad de extensiones de vástagos, pero nunca nada como esto. Las extensiones no sólo debían plegarse, sino que además debían estar diseñadas para sacar de las válvulas el peso de la extensión del vástago. Además, Bechtel tenía una serie de requisitos de par para estas válvulas, desde 8 gr/cm hasta 320 gr/cm".
A Bechtel le gustó el concepto de extensión del vástago que le presentó Flowserve. Como resultado, los accionamientos neumáticos Automax con interruptores Foundation Fieldbus también fueron aceptados por Bechtel después de cumplir otros requisitos por parte de Bechtel y del DOE. En agosto de 2002 se firmó un contrato para las válvulas de bombeo y su automatización valorado en más de un millón de dólares americanos con Flowserve como el proveedor exclusivo de válvulas de bombeo. Hasta el momento, Flowserve ha trabajado con uno de los distintos fabricantes para completar la primera protuberancia, que comprende 22 válvulas. Se encuentran en proceso otros pedidos de válvulas de bombeo.
Las válvulas puente
Después de que Flowserve recibiera el primer pedido de válvulas de bombeo, Bechtel le transmitió su preocupación acerca de la capacidad para la porción de “válvula puente” del proyecto. El equipo de Flowserve presentó a Bechtel otra válvula Mach 1 modificada que cuenta con paquetes de automatización de válvula de piñón y cremallera de acero inoxidable Automax para satisfacer los requisitos de esta aplicación.
La especificación para las válvulas puente exigía que las válvulas totalmente automatizadas se utilizasen dentro del edificio donde se realiza el tratamiento previo con los mismos requisitos que se utilizan para las válvulas de bombeo para el tratamiento de la lechada radioactiva. Debido a los intensos niveles radioactivos dentro del edificio donde se realiza el tratamiento previo, las válvulas puente se debían accionar y reparar de manera remota mediante dispositivos robóticos. Las especificaciones de estas válvulas también indicaban que tuviesen accionamientos neumáticos, interruptores y accesorios resistentes a la radiación, los cuales debían montarse directamente en los cuerpos de las válvulas.
A diferencia de las válvulas de bombeo, las válvulas puente no podían fabricarse con las extensiones de vástago utilizadas para sacar el tapón y el manguito fuera del cuerpo de la válvula para su reparación. El reto era desarrollar una característica de “tuerca inserto” que permitiera que un robot llevara a cabo la extracción y sustitución remotas del conjunto del cartucho de tapón y manguito. Se realizaron otros cambios en el diseño para modificar los accionamientos y los conjuntos de montaje de manera que los paquetes de accionamientos se pudieran extraer para acceder a la parte superior de la válvula para sustituir el cartucho.
Aunque Bechtel no solicitó otra demostración por adelantado, era necesario realizar algunas modificaciones en el diseño. Las limitaciones de espacio obligaron a Flowserve a sugerir los accionamientos de piñón y cremallera de Flowserve Worcester Controls de acero inoxidable de menor tamaño, que anteriormente no se fabricaban con materiales de acero inoxidable, en lugar de los accionamientos de acero inoxidable Automax estándar de mayor tamaño sugeridos en un principio.
“El edificio donde se realiza el tratamiento previo es una gran instalación con muchísimos equipos”, comenta Shaw. “Los equipos están instalados uno al lado del otro. Era evidente que debíamos construir un paquete de automatización muy compacto. Bechtel nos proporcionó las dimensiones de espacio específicas que debíamos cumplir. Entonces debíamos ser flexibles en lo que le estábamos ofreciendo a Bechtel para cumplir los requisitos”.
Bechtel luego solicitó una prueba de que los accionamientos cumplirían los requisitos de inspección NQA-1 y que Flowserve garantizara a Bechtel que cumpliría los calendarios de entrega. Después de satisfacer las demandas de Bechtel, Flowserve recibió otro pedido millonario de válvulas puente automatizadas en agosto de 2004.
“Trabajamos duramente para obtener la confianza de Bechtel y que pudiésemos diseñar válvulas y paquetes de automatización que satisficiesen las necesidades de las aplicaciones e instalaciones”, menciona Shields. “Ideamos dos singulares diseños de válvula de tapón. Y eso fue lo que nos distinguió de la competencia”.
Technical Contact: Mark Shaw, western regional manager, Flowserve Flow Control, by phone at (360) 546-5900 or by e-mail at mshaw@flowserve.com
Media Contact: David Abels, senior account executive, Koroberi, Inc., by phone at (919) 960-9794 ext. 22 or by e-mail mail at david@koroberi.com
