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Mantenimiento robotizado (R-Bot) en centrales nucleares (NPPs) y pequeños minirreactores nucleares (SMRs)
Prof. Javier Borda Elejabarrieta
Dr. Ingeniero mecánico, Msc en Modelos matemáticos y MBA
Ex Profesor de Sistemas de fabricación aeroespacial en la ETSII de Bilbao
Son un brazo para aumentar la presencia humana, nunca una baza para su sustitución
1. INTRODUCCIÓN
La robótica avanzada inteligente en mantenimiento se está convirtiendo lentamente en una realidad. Pero lejos de reemplazar a los humanos, colabora interactivamente con ellos para beneficio mutuo:
CONFIANZA MUTUA
Integrar, filtrar información relevante en tiempo real para interactuar con los técnicos y operar reforzando la fiabilidad del equipo
APRENDIZAJE MUTUO
Rol alternativo maestro-alumno mutuo, estableciendo un bagaje de conocimientos tecnológicos y logísticos.
RESULTADOS GLOBALES
Evita tiempos muertos en dos sentidos:
a/. Para inspección bajo condiciones de radiación sin esperar a un reabastecimiento de combustible de planta programado o MRO, y
b/. en el efecto de creación de equipos entre ingenieros de mantenimiento y bots en la realidad de la planta
La condición más relevante para hacerlo más llevadero es que la planta o la instalación esté diseñada para permitir una operación de inspección y reparación automatizada o combinada. Con los minirreactores estándar modulares compactos prefabricados (SMR) existe una clara oportunidad de llevar todo esto en un concepto integrado, lo que significa que se presenta en el mercado un nuevo reactor nuclear de IV generación o minirreactor con robótica ad-hoc para su Operación y Mantenimiento (O&M).
Un campo interesante de aplicación, es el empleo de bots en el lapso de tiempo entre la EOL y el desmantelamiento de la Instalación Nuclear (NPP), por dos razones:
- La mayoría de las Operaciones de Mantenimiento son rutinarias, dado que la función primordial en esta etapa es garantizar la eliminación del calor residual del núcleo (procedente de la fisión de desintegración de isótopos).
- Como este período comienza en una etapa de desgaste, pueden aparecer algunos eventos impredecibles que conducen a nuevas inspecciones y reparaciones, por lo que los bots inteligentes, versátiles y de uso general pueden ser de gran ayuda.
El TMI en Plantas nucleares es actualmente el mejor banco de pruebas para todo tipo de dispositivos bot, ya sean experimentados o prototipos, puesto que operaría bajo una exposición de más de 3‧103 rad/h en algunas áreas de la vasija (funcionan incluso eliminando residuos de combustible de fusión).
Tras las operaciones realizadas, se descontaminan rápidamente con chorros de agua pulverizada.
En general, diría que una central nuclear es el mejor lugar para experimentar con prototipos de robótica avanzada, dada la complejidad y los escenarios de operación y mantenimiento tan amplios que se pueden presentar.
2. NATURALEZA DE LOS BOTS INVOLUCRADOS EN EL MANTENIMIENTO AUTOMATIZADO
¿Podrían los robots ayudar en la actividad del taller de mantenimiento? ¿Es conveniente? ¿Cuál es su impacto en los modelos de ciberfábrica? Las tareas de valor agregado de mantenimiento son únicas. Estas OOKs (One Of a Kind activities) se centran en correctivo (únicas oportunidades para aprender y catalogar el conocimiento), predictivo y MRO. El mantenimiento preventivo y de rutina son solo "intervenciones" derivadas del conocimiento y análisis de fallas bien diseñados.Sin embargo, estas "intervenciones" estandarizadas son lo suficientemente variables como para exigir alternativas al planteamiento inicial, por lo que ningún tipo de robot puede abordarlas, teniendo en cuenta que además los lugares de operación son muchas veces inaccesibles o de difícil maniobrabilidad.
Así, las principales características de un robot para Mantenimiento, serían:
a) Capacidad de movimiento y grados de libertad similar a la de los humanos
b) Robustez mejorada
c) Visión artificial, y detección del entorno precisos
d) Auto cambio de brazos y garras manipuladoras
e) I.A. de vanguardia que integre información de Prisma, Captor y Promind
f) Programación por ingenieros mediante voz en tiempo real
Por ello, incluso en el caso particular del trabajo más estandarizado, solo los robots humanoides especializados son los que podrían emplearse.Importante decir que tanto en una nueva planta o en una planta reconfigurada, el lay out debe estar preparado para facilitar el acceso a todo tipo de Mantenimiento, y en particular a los robots. Esto permite utilizarlos, y también ser menos específicos.Haciendo esto, en algunas condiciones estas tareas repetitivas (revisión de niveles, lubricación, ajustes usuales) pueden confiarse plenamente a los robots, mientras que el personal de Mantenimiento se concentra en desarrollar ingeniería y valor añadido en los siguientes 4 ejes
- Predicción
- Mejora radical de la fiabilidad
- Agilidad y reparación rápida
- Creación de conocimiento
En la parte más interesante del Mantenimiento; el Correctivo, los robots pueden realizar múltiples tareas auxiliares, tales como:
- Transportar y proporcionar piezas y herramientas
- Más importante aún, proporcionar información de diálogo en tiempo real sobre el contexto de reparación, integrando datos para el ingeniero. Profun®
- Aprender a mejorar
- Gestión de alarmas y peligros “in-situ”.
- Realizar directamente algunas de las fases más peligrosas de las tareas involucradas.
Todas ellas enfocadas a sacar de la tarea información de mejora, reparación rápida y ejecución segura. Las principales características de un robot para mantenimiento deben ser las siguientes:
- Capacidad de movimiento y grados de libertad similar a la de los humanos
- Robustez mejorada
- Visión artificial, y detección del entorno precisos
- Auto cambio de brazos y garras manipuladoras
- I.A. de vanguardia que integre información de Prisma, Captor y Promind
- Programación por ingenieros mediante voz en tiempo real
Ahora bien, hablar de mantenimiento predictivo robotizado (PdM) es una práctica ya antigua, y las principales innovaciones están asociadas al uso de instrumentación más avanzada y sofisticada.
De hecho, la fábrica cibernética plantea un paradigma diferente, mucho más allá que el incremento de la automatización, llegando a convertirse en:
- Obsesión por la perfección,
- Maniático de la predicción, y
- Reacción instantánea.
Estos tres conceptos, conducen a “eventos filtrados-interactivos-en tiempo real en cada rincón”, que los sitúan en el centro mismo de la fiabilidad de los equipos sofisticados.
El tiempo real interactivo será compatible con la captura de datos en línea y el Monitorizado del Control de Planta (PCM), y el filtrado de una gran cantidad de datos originales en software de Aprendizaje Automático de I.A. como Promind®.
Pero este filtrado es mucho más que simplemente seleccionar información relacionada con alarmas relevantes del total de datos generados, irá más allá como:
- Reconocer patrones de fallos del historial
- Elaborar acciones de mantenimiento preventivo para evitar averías
- Mostrar la entropía predicha actual (S) y OEE tecnológico (Et) [1]
- Corregir la Curva de la bañera, actualizándola, y proporcionar los parámetros de Weibull también actualizados.
- Automatización de las brechas en las tareas de los robots colaborativos: robots Hum.
Algunas tareas para los robots HUM controlados por R-BOT son:
- Físicas:
- Operación única de Mantenimiento rutinario, especialmente en lugares peligrosos
- Transporte y gestión de herramientas de mantenimiento y piezas.
- Trabajo parcial en campo junto con el ingeniero
- Logísticas:
- Establecimiento de cooperación on-line con el ingeniero para reparaciones
- Aprendizaje y enseñanza de tareas de mantenimiento
- Medida remota de vibraciones, termografía, vertidos de aceite, etc.
3. EL CASO DE LAS CENTRALES NUCLEARES
Por razones relacionadas con la seguridad y la aparición de eventos de casos OOK (One of a kind -únicos-), los bots en las centrales nucleares deben ser una combinación de unidades servoguiadas remotas de uso específico y con sistemas versátiles autónomos inteligentes [3]. El conjunto operativo estaría formado por una plataforma de transporte en la que se ensamblarían el equipo de supervisión y de operaciones específicas con las características mencionadas en el anterior párrafo.Los polivalentes (en general Rovers de 6 ruedas y antropomórfo) pueden además de realizar muchas “tareas independientes relativas al entorno”, como, por ejemplo: inspección visual, fijación de niveles de radiación y contaminación, aplicación de ultrasonidos para detección de fisuras en tuberías y tubos, toma de muestras, detección de distribuciones anómalas e incluso medida de amplitud y frecuencia de vibración en bombas, compresores, válvulas y estructuras con aceptable precisión.Además, los drones aéreos se pueden utilizar para la seguridad perimetral de la planta y la detección de fugas en el generador de vapor, así como para el transporte rápido de herramientas de mantenimiento.La siguiente tabla resume los usos de robots en centrales nucleares y SMR
| Aplicaciones especiales de robots guiados remotamente [REPARACIÓN] | Aplicaciones especiales de robots guiados remotamente [REPARACIÓN] |
| Morfología: Ajuste muy variable para aplicaciones específicas simples y críticas. En general más con brazos de 6 grados de libertad, brazos, equilibrando F(fuerza) y n. | Morfología: Rovers de 6 ruedas, humanoides antropomórficos y tipo de puerta de enlace versátil (ver ejemplos siguientes) |
| · Corte y soldadura de tuberías · Atornillado y desatornillado de bridas · Medición de vibraciones en ubicaciones precisas · Operar válvulas bloqueadas inaccesibles · Reemplazo de válvulas y tramos de tubería · Detección y localización precisa de grietas y cavitación mediante ultrasonidos | · Detección de fugas · Medida aproximada de vibración sin contacto · Ordenación y limpieza · Inspección visual ultrasónica remota. · Esquivar obstáculos · Registros de radiación y contaminación · Verificación remota de ciertas posiciones de válvulas |
Tipos de bots y aplicaciones en Plantas nucleares y Micro reactores
4. MORFOLOGÍA DE LOS ROBOTS ESCALABLES VERSÁTILES PARA MANTENIMIENTO ESPECÍFICO / PESADO
Por razones relacionadas con la seguridad y la aparición de eventos de casos OOK (únicos), los bots en las centrales nucleares deben ser una combinación de unidades servoguiadas remotas para aplicaciones específicas y sistemas versátiles autónomos inteligentes. Cuando se une físicamente en una plataforma, el vehículo de transporte es del segundo tipo, mientras que en la parte superior se instala un equipo del primer tipo con funciones de supervisión.
El mantenimiento en el caso de maquinaria pesada y ambientes peligrosos está determinado por las siguientes características específicas:
- Dimensiones geométricas
- Fuerzas y pares
- Posiciones y orientaciones precisas
- Posibilidad de funcionamiento dual: autónomo y servoguiado
- Necesidad de sistemas escalables
Campos de aplicación. Ambiente de trabajo pesado y peligroso:
- Líneas de montaje / embalaje pesadas
- Molinos rotatorios
- Reposición de barras en centrales nucleares, inspección de grietas en conductos, montaje y desmontaje de equipos hidráulicos en condiciones de radiación, etc …
- Interior del reactor de plantas de Biometano
- Inspección de grietas y tensado en puentes e ingeniería civil.
El desafío es tener bajo control la estabilidad y la tensión de los pares creados por esas grandes dimensiones, por pequeñas que sean las fuerzas que se aplican. Esto significa que la estructura del robot tiene que ser lo más sencilla y robusta posible, como en el modelo mostrado a continuación.
Motor esférico
Motor lineal
5. ALGO DE ECONOMÍA
La disponibilidad y la seguridad son los KPI básicos para cualquier planta de energía nuclear, y si no se realizan cambios tecnológicos en O&M, se quedan ciertos puntos conflictivos que conducen a que el funcionamiento sea de bajo nivel.La aplicación de robótica está en el centro de eso, porque:
- Muchas de las inspecciones y reparaciones más críticas que aseguran la fiabilidad (y por tanto, la seguridad activa) de la central nuclear se centran en la vasija del núcleo del reactor y su edificio de contención. El primero normalmente con agua a presión y altamente radiactivo, y el segundo también con mucho nivel de radiación.
- Para inspeccionarlos, el reactor debe estar apagado, y las personas difícilmente pueden permanecer en su interior más de unos minutos
- Así, tanto la parada de planta para recarga de combustible como la inspección y reparación de áreas normalmente inaccesibles contemplan la “Seguridad humana” como ruta crítica del correspondiente PERT.
Dado que un día de parada de las centrales nucleares cuesta alrededor de 2 millones de dólares para una planta de 1000 MW, esto habla por sí solo de la conveniencia de eliminar al hombre de las actividades directas alrededor del núcleo y asignar estas tareas a robots de apoyo controlados.
Un bot especial o de múltiples aplicaciones puede costar 0,6 MM USD como promedio, lo que genera un valor actualizado neto (VAN) de alrededor de 3MM USD por robot, con un retorno de la inversión de 3,5 meses, por lo que es una inversión que merece la pena abordarla.
REFERENCIAS:
[1].- 
[2].- FFT, Termografía, análisis de aceite, etc.
[3].- Tener un modelo 3D de realidad virtual del entorno en la base de datos del bot es una característica esencial para hacer auto-movimiento con una perspectiva óptima a largo plazo, por lo que se convierte en un problema de seguridad principal.
