La innovación en válvulas ayuda a la limpieza total de desechos nucleares de 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 manejo de desechos radioactivos se especifican y fabrican de manera cuidados a fin de cumplir con los estrictos requisitos del gobierno. Esto garantiza que los estándares cumplan con las demandas críticas en los distintos servicios asociados con las aplicaciones nucleares. Para cumplir con 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. Ese fue el caso cuando los especialistas e ingenieros de productos en Flowserve® Corp. diseñaron soluciones de válvula y de automatización innovadoras 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 estado de Washington.

Una solución radioactiva

La planta de Hanford en el Sudeste del estado de Washington cuenta con una de las mayores concentraciones de desechos radioactivos del mundo. Los desechos son el legado de 45 años de producción de plutonio para armas nucleares, que comenzó con el Proyecto Manhattan en los años cuarenta y continuó durante la Guerra Fría.

En Hanford, 53 millones de galones de desecho radioactivo de alto nivel, el 60% del volumen nacional total, se almacenan en 177 tanques subterráneos antiguos y deteriorados, a sólo diete millas del río Columbia, zona que puede ser afectada a nivel ambiental. Se estima que un millón de galones de desechos ya se han filtrado de los 67 tanques más antiguos de la planta. Se han detectado desechos radioactivos en el agua subterránea que fluye hacia el Columbia, lo que pone en peligro al hábitat del río y a la salud de millones de habitantes de los estados de Washington y Oregón que viven aguas abajo.

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 a la vitrificación como el proceso de tratamiento más eficaz para este tipo de contaminación, ya que produce una forma duradera y estable que incorpora e inmoviliza el desecho radioactivo en forma total. Se han implementado con éxito proyectos similares en Estados Unidos, Francia e Inglaterra.

Una vez inmovilizado, la parte radioactiva de alto nivel del desecho WTP se almacenará temporalmente en la planta de Hanford dentro de cajas de acero inoxidable hasta que puedan enviarse a un depósito geológico federal para su desecho permanente. La parte del desecho radioactivo de bajo nivel se almacenará en el sitio.

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 US$5.700 millones y que se tardará 10 años para finalizarlo.

El proyecto WTP que se encuentra en construcción es un emprendimiento masivo que en la actualidad es el proyecto de construcción con mayor capital del gobierno de los EE.UU. Cuando se termine, será además la planta de vitrificación más importante del mundo. El proyecto comprende tres plantas nucleares importantes: la primera para el pretratamiento, la segunda para la vitrificación de desechos de baja actividad, y la tercera para la vitrificación de desechos de alto nivel.

Desde la construcción hasta la vitrificación final, el proyecto WTP es un logro fundamental de la ingeniería moderna. Una gran parte del proyecto se concentra en el manejo del desecho, a fin de que nunca se incumpla con la seguridad del empleado, mientras 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 a todas las bombas, válvulas y tuberías requeridas 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 remueve los sólidos de la lechada de desechos y un proceso de intercambio de iones que luego remueve el desecho de alto nivel soluble del líquido restante. Los lineamientos para esta parte del proyecto requerían válvulas manuales y automáticas que podían operarse y repararse desde afuera 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 a fin de cumplir con las estrictas especificaciones del DOE. Los actuadores y posicionadores de válvulas de bombeo también se especificaban para montarse por afuera de la barrera contenedora de cada protuberancia.

Innovar para una solución de válvulas

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 sellado positivo ajustable aguas arriba y aguas abajo, 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 manejo de 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 posee 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 ende, no cumplía con los requisitos del proyecto WTP.

"Trabajamos en conjunto con Bechtel, y nos concentramos totalmente en el diseño y construcción de una solución que brindase a Bechtel lo que necesitaba", declara Shaw. "En ese momento, la solución todavía no existía en nuestra línea de productos".

El diseño se encuentra con la oportunidad

El equipo de Flowserve pronto tuvo una solución: la nueva válvula de tapón de alto rendimiento Durco Mach 1 Si bien la Mach 1 aún no había sido lanzada, esta nueva válvula de tapón había sido diseñada con una flexibilidad que la G4 no poseía. Esto dio a Flowserve la posibilidad de continuar con el proyecto Hanford con una válvula de tapón de entrada superior que podía modificarse para una operación y reparación remotas.

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, a fin de soportar las lechadas radioactivas de Hanford. Afortunadamente, Flowserve ya había diseñado la Mach 1 para distintos materiales de asiento, incluido el UHMWPE.

"La Mach 1 nos dio la flexibilidad para crear una solución para Bechtel", comenta Fred Shanks, ingeniero de productos senior, Flowserve Flow Control, quien trabajó en el proyecto Hanford. "Era una válvula reparable remotamente que podía tener un asiento de UHMWPE de fácil remoción".

Aún así, la Mach 1 requirió modificaciones para permitir su reparación remota y para ser completamente resistente a la radiación. Un equipo de ingenieros de Flowserve en la planta de ingeniería y producción de Cookeville, Tennessee, comenzó a trabajar con el equipo de ventas de Washington a fin de modificar la Mach 1 para Bechtel.

Probar el concepto

El proceso de modificación no se llevó a cabo sin sobresaltos. "Si bien el UHMWPE es altamente resistente al desgaste y la radiación, también necesita niveles de torsión más elevados", añade Shanks. "Ajustarnos a las limitaciones espaciales que Bechtel nos proporcionó y los requisitos de torsión de la Mach 1 con un asiento de UHMWPE fue un acto de equilibrio delicado. Nos forzó a continuar innovando en el diseño de la válvula y en qué actuadores podíamos usar para ello".

Casi en septiembre de 2001, Larry Shields, ingeniero de ventas senior, Flowserve Flow Control, combinó una presentación ante el equipo de diseño WTP de Bechtel. Shaw y Shields presentaron un prototipo de válvula Mach 1 con modificaciones para la reparación del cartucho y con una extensión del vástago operable en forma remota a fin de demostrar la remoción y reemplazo del cartucho de reparación.

Los ingenieros de Bechtel fueron muy receptivos con el diseño modificado, y parecieron convencerse de que funcionaría para la aplicación. Sin embargo, y debido a estrictos requisitos de DOE, Bechtel pidió a Flowserve que probara el diseño y capacidad de los materiales de la válvula Mach 1 con una demostración funcional en un servicio de lechada que simulara en 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 a fin de hacer coincidir el tamaño de los sólidos y su viscosidad y peso con las especificaciones de Bechtel.

Desatando la creatividad

Shaw dibujó 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 Cookeville sólo dos semanas antes de la demostración pautada, Shaw ayudó a un equipo de ingenieros y técnicos de Flowserve, liderados por Shanks, a diseñar y construir un equipo de prueba para mantener los medios sólidos en suspensión, tal como se había pedido durante la prueba de la válvula. La demostración de prueba cumplió con los requisitos de Bechtel, y la válvula de tapón Mach 1 se añadió a la lista de válvulas aceptadas para las aplicaciones de protuberancias WTP de Bechtel.

 

"Gran parte del proceso consistió en la generación de ideas", expresa Shields, de Flowserve. "Lanzábamos ideas e intentábamos ver lo que funcionaría. Realmente tratamos de innovar para conseguir lo que Bechtel necesitaba. Nuestros equipos de ingeniería y producción trabajaron en conjunto a fin de resolver la implementación de las 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".

Automatizar las válvulas

El siguiente desafío en el proceso fue calificar los sistemas de automatización de válvulas Automax de Flowserve con Bechtel, y diseñar y construir extensiones de acero inoxidable ajustables con uniones universales dobles, a fin de permitir la operación y reparación remotas 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 en 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 en forma exitosa hardware ajustable en el campo para la operación manual y automática 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".

Resolver un desafío de diseño

"Este proyecto fue definitivamente un desafío", comenta Rohrig. "Hemos hecho 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 torsión para estas válvulas, desde 500 hasta 20.000 pulgada-libra".

A Bechtel le agradó el concepto de extensión de vástago que le presentó Flowserve. Como resultado, los actuadores neumáticos Automax con interruptores Foundation Fieldbus también fueron calificados por Bechtel luego de cumplir con otros requisitos por parte de Bechtel y del DOE. En agosto de 2002 se firmó un contrato por las válvulas de bombeo y su automatización valuado en más de un millón de dólares estadounidenses, con Flowserve como el proveedor exclusivo de válvulas de bombeo. Hasta el momento, Flowserve ha trabajado con uno de varios 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 recibió el primer pedido de válvulas de bombeo, comenzó a recibir inquietudes de Bechtel acerca de sus capacidades 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 cumplir con los requisitos de esta aplicación.

La especificación para las válvulas puente exigía que las válvulas totalmente automatizadas fuesen utilizadas dentro del edificio donde se realiza el tratamiento previo con los mismos requisitos que se utilizan para las válvulas de bombeo para el manejo de lechada radioactiva. Debido a los intensos niveles radioactivos dentro del edificio donde se realiza el tratamiento previo, las válvulas puente debían ser operadas y reparadas de manera remota por dispositivos robóticos. Las especificaciones de estas válvulas también indicaban que tuviesen actuadores 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 extensiones de vástago utilizadas para sacar el tapón y la manga fuera del cuerpo de la válvula para su reparación. El desafío era desarrollar una característica de “tuerca inserto” que permitiera que un robot llevara a cabo el desprendimiento y el reemplazo remoto del conjunto del cartucho de tapón y manga. Se realizaron otros cambios en el diseño para modificar los actuadores y los conjuntos de montaje de manera que los paquetes actuadores pudieran ser retirados para acceder a la parte superior de la válvula para el reemplazo del cartucho.

Aunque Bechtel no solicitó otra demostración por adelantado, eran necesarias varias modificaciones de diseño. Las limitaciones de espacio obligaron a Flowserve a sugerir los actuadores 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 actuadores de acero inoxidable Automax estándar de mayor tamaño sugeridos originalmente.

“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 dimensiones de espacio específicas que debíamos cumplir. Entonces debíamos ser flexibles en lo que le estábamos ofreciendo a Bechtel para cumplir con los requisitos”.

Bechtel luego solicitó una prueba de que los actuadores cumplirían con los requisitos de inspección NQA-1 y que Flowserve garantizara a Bechtel que cumpliría con los calendarios de entrega. Después de cumplir con los requisitos de Bechtel, Flowserve recibió otro pedido millonario de válvulas puente automatizadas en agosto de 2004.

“Trabajamos arduamente 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

Flowserve Safe Harbor Statement