Estudio de corrosión en los componentes de cobre del circuito de agua desionizada del conjunto de aceleradores de partículas del Sincrotrón ALBA

Jordi Iglesias Prats 18 de enero de 2024

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Jordi Iglesias Prats
Coordinador del grupo de procesos mecánicos
Consorcio para la Explotación del Laboratorio de Luz de Sincrotrón ALBA

1. SITUACIÓN ACTUAL

El Laboratorio de Luz de Sincrotrón ALBA, situado en Cerdanyola del Vallès, Barcelona, es un acelerador de partículas de 3ª generación que lleva en funcionamiento desde el 2012.

Según la experiencia de otros Aceleradores, es recomendable llevar a cabo un estudio de corrosión después de unos 5 años de funcionamiento. En ALBA hemos iniciado este estudio en 2019. ¿Por qué es importante el estudio de la corrosión del cobre en Aceleradores?

Porque repercute tanto en la vida útil de la instalación como en el funcionamiento de la máquina.

Actualmente, se están estudiando algunos puntos antes del paso final de optimización.

2. EVALUACIÓN DE LA CORROSIÓN EN COBRE: COMBIANCIÓN pH + O₂

Uno de los datos a tener en cuenta en la evolución de la corrosión es el análisis del pH del agua desionizada (DW). En el caso del ALBA, la calidad del DW ha sido muy irregular, como se ve en la figura 1, en base a la evolución del pH reportada desde 2012:

Figura 1: Valores de PH en la refrigeración por agua desionizada ALBA sistema, para el período 2012 a 2020. Los datos son semanales valores promedio.

Aunque el valor medio del pH ha sido de 7 desde las primeras medidas en 2012, durante algunos periodos de tiempo ha estado en el rango de 6,5 – 7, llegando a estar en periodos del año 2014 en el rango 5.5 - 6.5.

Cruzando el dato del pH con el de la cantidad de oxígeno disuelto en el agua desionizada DW (actualmente en ALBA el promedio de contenido de oxigeno está alrededor de 6000 ppb), se pueden ver distintos escenarios de corrosión en los cuales se puede mantener el estado de una instalación. En el caso del ALBA, la calidad del DW ha oscilado entre regímenes 3, 4 y 5, siendo el objetivo principal trabajar en régimen 1, como se puede ver en la figura 2. Esto permitiría reducir la velocidad de corrosión a un rango entre 4 a 10 veces menor en comparación con nuestra situación actual (que el contenido de oxigeno sea inferior a 10 ppb y pH se mueva alrededor de 8).

Figura 2: Ratios de corrosión en cobre. Régimen 1 y 2: < 0.1 μg/(cm2y), régimen 3: 0.1-0.4 μg/(cm2y), régimen 4: 0.4-1μg/(cm2y) and régimen 5: > 1.0 μg/(cm2y).

3. PRIMEROS ESTUDIOS

3.1. A ojo

Las inspecciones visuales de las primeras muestras tomadas durante los años 2018, 2019 y 2020, han confirmado las primeras evidencias de corrosión en ALBA después de más de 10 años de operación. Se ha encontrado un patrón común en todas las muestras: superficies con rugosidad de moderada a alta, como como los ejemplos de los casos (b), (c) y (d) de la Fig. 3, correspondientes a piezas de las máscaras de los Front End de las líneas experimentales BL11 y BL13 y la cavidad de radiofrecuencia del Anillo de Almacenamiento (SR), respectivamente.

Figura 3: Señales visuales de corrosión en ALBA. (a) Partículas de óxido de cobre; (b, c y d) Piezas de las máscaras en BL11 y BL13 y de la cavidad de radiofrecuencia del RS.

Por otro lado, se ha encontrado acumulación de partículas similares al óxido de cobre en algunas cavidades donde el flujo de agua circula a baja presión y velocidad, como la cápsula que alberga el sensor de pH en el retorno común (Figura 2a).

3.2. Análisis microscópico de superficie

Durante 2020 y 2021 también se han llevado a cabo estudios más detallados basados en microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) y Difracción de rayos X (XRD) [9]. Se evaluaron muestras de tanto de los cuatro anillos de refrigeración como cinco muestras del anillo de almacenamiento SR.

La figura 4 muestra un ejemplo de estos estudios. El caso corresponde a la muestra de tubos de cobre de la máscara de los Front End BL11 y BL13, donde el EDS análisis ha confirmado la presencia de Cobre, Oxígeno, Carbono, Cloro, Titanio y Calcio. Los resultados SEM muestran óxidos superficiales con diferentes morfologías y una acción combinada de la corrosión generalizada con la presencia de fenómenos de picaduras.

Figura 4: Resultados de los estudios (a) EDS y (b, c) SEM en las muestras de los tubos componentes de las máscaras de los FrontEnds de BL11 y BL13

Como conclusión principal y de forma generalizada, las picaduras y la corrosión intergranular están presentes en las muestras estudiadas. Los valores de profundidad son inferiores a 119,4 micras. Desde el punto de vista de la pérdida de masa, este valor no es crítico para los elementos dentro de las cámaras de vacío, pero puede darse el caso de generarse pitting que es la fuente inicio de grietas.

3.3 Análisis en agua desionizada

También hemos analizado el contenido de las partículas en el agua para cada uno de los anillos de refrigeración. Hasta ahora, según los valores de la siguiente tabla, los valores obtenidos en cuanto a cobre y hierro las partículas no siguen un patrón definido. Un hecho significativo es que el valor de las partículas de cobre en el SR y SA los anillos son más altos, en comparación con los otros anillos. Precisamente, ambos anillos han aglutinado el máximo número de componentes hecho de cobre:

Tabla 1: Contenido de partículas de Cu y Fe en el agua desionizada

4. DIAGNÓSTICO

4.1. En la actualidad: paneles y equipos

Actualmente se están implementando mejoras en sistemas de diagnóstico. Entre 2022 y 2023 se van a instalar nuevos equipos para medir la conductividad, el pH y el contenido de O2, montados sobre paneles fijos (uno en el edificio técnico y 4 más para cada uno de los anillos de refrigeración) más otro panel móvil para poder analizar en distintos puntos de la instalación. También se va a mejorar la capacidad de purga de aire, con sistemas de desgasificación basados en principios de vacío. La instalación de medidores de corrosión de cobre también es parte de esta optimización.

Figura 5: Panel de instrumentación fijo en servicio

También se está estudiando la viabilidad de modificar los criterios de diseño que se han definido en ALBA, en particular, para la máxima velocidad del agua. Actualmente para el diseño de componentes ópticos se ha fijado una velocidad máxima de 2 m/s y para la familia de absorbedores de radiación de 3 m/s. El efecto de la erosión se atenuaría si las velocidades máximas establecidas para el diseño se pudieran reducir.

Este estudio se realizará en dos vertientes:

• En la primera parte, utilizando CFD (Dinámica de fluidos computacional) para cuantificar el factor conservativo que se está introduciendo cuando aplicamos las correlaciones experimentales proporcionada por la literatura [12].
• En la segunda parte estamos revisando nuestras consideraciones de diseño. El criterio de la velocidad máxima para los absorbedores de radiación en el SR, podría estar relajado para los de tipo 1 y 2 (juntos son unas cien unidades). La viabilidad de este nuevo propuesta queda demostrada por los resultados de FEA (elementos finitos). De acuerdo con los resultados obtenidos, el rango de velocidades puede ir desde 1,6 a 3 m/s. Este estudio se tiene que hacer para todas las tres tipologías de absorbedores de radiación distribuidos por los anillos. Los valores de temperatura, esfuerzo y deformación permanecen dentro de los límites de diseño aceptados para el cobre. En particular, la sensibilidad de tensión y deformación es insignificante para la variación de velocidad.

Por otra parte, este cálculo se ha reproducido para una corriente de máquina de 400 mA. Sin embargo, después de más de 10 años de operación, actualmente estamos trabajando a 250 mA, lo que implicaría un segundo margen conservador no considerado al inicio del proyecto ALBA.

5. ¿Planta desgasificadora?

En cuanto a la tecnología apropiada para la futura instalación de una planta desgasificadora de oxígeno disuelto se encontró un consenso sobre el modelo aplicado por otros Aceleradores que es la tecnología basada en el principio de membrana hidrofóbica. La razón es que este modelo no requiere aditivos químicos, sino que una membrana mantiene una separación de fases (agua y N2 gas en nuestro caso) y su eficiencia se ha demostrado que logra un contenido de oxígeno disuelto inferior a 10 ppb.

En esta tecnología (ver Fig. 4), el agua fluye alrededor de la membrana hidrofóbica, pero no puede fluir a través del material poroso. La entrada de agua se evita mediante efecto de tensión superficial, incluso cuando el agua está a alta presión. Entonces, el barrido de N2 gas dentro de la membrana crea una fuerza impulsora para el transporte de O2 gas. Las moléculas de O2 se difundirán desde el agua hacia la interfaz agua-gas por lo que las moléculas de gas se esparcirán inmediatamente en la fase gaseosa del N2.

Figura 6: Principio de funcionamiento de un sistema de desgasificación de contenido de oxígeno disuelto

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6. PUNTOS DÉBILES

El contenido O₂ es el punto débil de este proyecto. Actualmente, su valor es muy alto (> 6500 ppb). Este valor es típico de un sistema hidráulico abierto. El sistema hidráulico del ALBA es cerrado por definición. Por lo tanto, en un sistema hidráulico cerrado, con signos de corrosión, el contenido de O₂ se consumiría en el tiempo y su tendencia teórica sería hacia cero.

Por ello, la investigación se ha centrado en dos preguntas: (i) en un sistema hidráulico cerrado, con características similar al ALBA, ¿cuál es el valor del contenido O₂ que por defecto deberíamos tener? y (ii) ¿cuáles son las posibles causas que originan este alto valor en el contenido de O₂?

6.1. Entradas de aire por baja velocidad

El inadecuado diseño de la red general de distribución, principalmente en los cuatro anillos principales, hace que sea uno de los candidatos de posibles entradas de aire. Su geometría es la causa que el agua se distribuya a velocidades inferiores los criterios de diseño. Este hecho empeora la capacidad de evacuar el aire que entra en el sistema. Si la velocidad está por debajo del valor mínimo especificado, entonces no es posible mover el aire en las tuberías. Este hecho afectó al funcionamiento del ALBA durante aproximadamente unos 2 meses en 2013 [11].

6.2. Cavitación en bombas

Otro punto candidato es la cavitación en el sistema de bombeo principal. En particular, el grupo de bombas que son responsables de conducir el agua caliente total (alrededor de 450 m³/h) es un candidato para la entrada de aire, debido a las bajas presiones que se generan en su área de succión. Este problema se está estudiando y se han publicado los primeros resultados en la referencia [10].

6.3. Otros: tanque de expansión, laboratorios, manguitos flexibles

Varios son los candidatos que pueden hacer que nos entre aire en el circuito de refrigeración:

• El tanque de expansión principal es otro candidato. El circuito de refrigeración opera con un tanque de expansión que contiene una membrana presurizada por aire por la cara exterior para compensar la fugas que se puedan dar. La presencia de porosidades en la membrana podría facilitar la entrada de aire en el sistema hidráulico.
• Dos laboratorios consumen DW para realizar experimentos. Aunque no hay un uso constante y el control es adecuado, estos dos consumos rompen el concepto de un sistema hidráulico cerrado.
• Desgasificación que se puede producir por el tipo de material de mangueras flexibles.
• Existen varias bombas recuperadoras de agua a baja presión en elementos de campo (IOTs)
• Aunque existen protocolos de mantenimiento e intervención del sistema hidráulico, las operaciones de mantenimiento o las pequeñas instalaciones, así como el consumo de las líneas experimentales pueden ser fuente de pequeñas bolsas de aire.

7. CONCLUSIONES

Para reducir la tasa actual de corrosión del cobre en el sistema de refrigeración del ALBA es necesario instalar una planta de desgasificación para eliminar el contenido de O₂ en el agua. Sin embargo, por el momento este paso no es factible debido al alto valor del contenido de O₂, superior a 6500 ppb. Este valor correspondería a un sistema hidráulico abierto, cuando en realidad nuestro sistema hidráulico es cerrado por definición.

Además, se ha concluido que los análisis en las muestras presentan corrosión intergranular, generalizada y por picaduras. Las profundidades de las picaduras están por debajo de 119,4 μm.

Por último, se presentan un grupo de acciones de optimización, en el contexto del problema de la corrosión del cobre. Algunos de son la mejora de la capacidad de diagnóstico del agua calidad con nueva instrumentación, la optimización del sistema de purga de aire y estudios para reducir el valor de la máxima velocidad del agua impuesta para el diseño de los componentes en Aceleradores, con el fin de atenuar el efecto de erosión.

8. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA

[1]. D. Katonak, J. Bernardin, and S. Hopkins, “Water Purity Development for the Coupled Cavity LINAL (CCL) and Drift Tube LINAC (DTL) Structures of the Spallation Neutron Source (SNS) LINAC”, in Proc. 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, IL, USA, June 2001, pp. 1432-1434.

[2]. J.C. Chang et al., “Current Status of the De-Ionized Cooling Water System and Improvement at TLS”, in Proc. MEDSI04, ESRF, Grenoble, France, May 2002.

[3]. R. Dortwegt et al., “Mitigation of Copper Corrosion and Agglomeration in APS Process Water Systems”, in Proc. MEDSI02, APS, Argonne, Illinois U.S.A, September 2002, pp. 462-468.

[4]. S. Suhring, “Accelerator Availability and Reliability Issues”, in Proc. 2003 Particle Accelerator Conference, Portland, OR, USA, May 2003, paper ROPB007, pp. 625-629.

[5]. B. Adak, “Copper Corrosion and Clogging in APS Deionized Water Cooling System”, Doctoral Thesis, Illinois Institute of Technology, Chicago, Illinois, May 2009.

[6]. N. Hammond, “Cooling Water Chemistry, Corrosion Products and their effect on Accelerator Operation at the Diamond Light Source”, in Proc. MEDSI 2012, SSRF, Shanghai, China, October 2012.

[7]. P. Czernecki et al., “Technical Overview of the SOLARIS Low-Conductivity Water Cooling System”, in Proc. IPAC2017, Copenhagen, Denmark, May 2017, paper WEPVA082, pp. 3449-3451. doi:10.18429/JACoWIPAC2017-WEPVA082

[8]. H. Reist and D. George, “Accelerator Magnet Plugging by Metal Oxides”, PSI Scientific and Technical Report 2004, Volume VI, pp. 142-145.

[9]. M. Quispe et al., “Assessment of the Corrosion of Copper Components in the Water Cooling System of ALBA Synchrotron Light Source; Presentation of a Proposal to Mitigate the Corrosion Rate of Copper”, in Proc. MEDSI 2020, Chicago, IL, USA, July 2021, paper TUPB12, pp. 171-174. doi:10.18429/JACoW-MEDSI2020-TUPB12

[10]. A. González et al., “CFD Predictions of Water Flow Through Impellers of the ALBA Centrifugal Pumps and Their Aspiration Zone. An Investigation of Fluid Dynamics Effects on Cavitation Problems”, in Proc. MEDSI 2020, Chicago, IL, USA, July 2021, paper WEPB16, pp. 299-302. doi:10.18429/JACoW-MEDSI2020-WEPB16

[11]. M. Quispe, “Cooling System Operation”, 21st Meeting of the ALBA Scientific Advisory Committee, Barcelona, Spain, December 2015.

[12]. S. Grozavu et al., “CFD Studies of the Convective Heat Transfer Coefficients and Pressure Drops in Geometries Applied to Water Cooling Channels of the Crotch Absorbers of ALBA Synchrotron Light Source”, presented at the 13th International Particle Accelerator Conf. (IPAC’22), Bangkok, Thailand, Jun. 2022, paper THPOTK050, this conference. 13th Int. Particle Acc. Conf. IPAC2022, Bangkok, Thailand JACoW Publishing ISBN: 978-3-95450-227-1 ISSN: 2673-5490 doi:10.18429/JACoW-IPAC2022-THPOTK051