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Boletín IIE
octubre-diciembre-2014
Tendencia tecnológica
Aplicación de robótica para inspección
y evaluación de componentes en una central
eléctrica
Rodolfo Muñoz Quezada, José Antonio Carnero Parra y Raymundo Artis Espriú
Abstract
In the last three decades with the research and development, mainly manufacturers, universities and institutes around the world, have
developed and improved a number of tools and equipment that together has enabled the automation of various tasks in industry and also on
the electricity sector in which robots are expected to make a major contribution to the work of production, inspection and maintenance. With
all these works around the world will see robots entering new markets or consolidating its application in industries such as agriculture or in
the medical field and in the same electricity sector where they conducted the inspection in new components also driven by the same evolution
of nondestructive inspection techniques, which enable them to further expand its scope.
Introducción
En las ultimas tres décadas, con los trabajos de
investigación y desarrollo, principalmente de fabricantes, universidades e institutos en todo el
mundo, se han desarrollado y mejorado una serie
de herramientas y equipos que en conjunto han
permitido la automatización de diversas tareas en la
industria y también en el sector eléctrico, en el que
se espera que los robots realicen una contribución
importante en los trabajos de producción, inspección y mantenimiento.
A fin de garantizar la operación segura de los equipos, la Comisión Federal
de Electricidad continúa
impulsando el desarrollo
de soluciones robóticas.
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Con todos estos trabajos alrededor del mundo veremos a los robots incursionando en nuevos mercados, o consolidando su aplicación en industrias
como la agrícola o en el campo médico, y en el
mismo sector eléctrico en donde realizarán la inspección en nuevos compontes, impulsados además,
por la misma evolución de las técnicas de inspección no destructivas, lo cual les permitirán ampliar
aún más su campo de acción.
Tendencia tecnológica
Robots empleados
actualmente en la industria
eléctrica
Los robots empleados en la industria eléctrica son
dedicados principalmente a trabajos peligrosos, tediosos o repetitivos para los trabajadores y en estos
casos son parte de una buena solución.
En las plantas nucleares de generación de energía
eléctrica, estos dispositivos han reducido la exposición a la radiación para los humanos y también han
reducido los tiempos de inactividad de la planta.
Actualmente, los robots empleados en la industria
nuclear realizan trabajos muy diversos que van desde la inspección visual empleando cámaras de video
en áreas restringidas para el ser humano por los altos
niveles de radiactividad, hasta trabajos de reparación
como corte de tuberías, soldaduras o inspección, que
antes de la aparición de los robots debían ser realizados durante los periodo de recarga de combustible,
cuando los niveles en ciertas áreas son menores y podían ser atendidas por el personal de mantenimiento.
Tendencia del sector energía
Muchos institutos, en colaboración con particulares
y universidades, se han dado a la tarea de proponer
soluciones robóticas para atender las necesidades de
la industria eléctrica, que día a día optan mayormente por mantener su infraestructura en condiciones de
seguridad y eficiencia en sus operaciones, lo cual requiere de la inspección de sus componentes críticos
de forma más precisa y confiable. En el caso de la
Comisión Federal de Electricidad (CFE), el uso de
dispositivos robóticos le permitirá contribuir a reducir sus índices de falla, extender sus periodos de
mantenimiento y mejorar los métodos de evaluación
de sus componentes.
El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), en
conjunto con la CFE no son la excepción en la automatización de pruebas no destructivas y han incursionado en el desarrollo de soluciones robóticas para
tareas de mantenimiento o inspección de componentes críticos de las centrales generadoras de energía
eléctrica. Los desarrollos del IIE incluyen software,
electrónica, sensores y detectores, y diseño mecánico
de dispositivos que se utilizan para realizar la inspec-
Figura 1. Robot MIS (Máquina de Inspección en Servicio), que inspecciona
el interior del tanque de un reactor durante el mantenimiento de una central
nuclear. Cortesía Intercontrole, Areva.
ción de componentes, tanto en su volumen como en sus superficies, simplificando los movimientos requeridos, logrando diseños propios y adecuados para cada
aplicación.
Uno de los componentes principales de toda central termoeléctrica son sus turbinas de vapor, las cuales están sujetas a una serie de esfuerzos termomecánicos que
pueden propiciar el desarrollo de pequeñas fisuras, que de no ser identificadas
oportunamente, podrían crecer hasta generar la falla considerable del turbogenerador. Lo anterior da pauta a desarrollar dispositivos que permitan la inspección
de este tipo de componentes y averiguar si se encuentran en condiciones de continuar operando o desarrollando de forma segura la función para la cual fueron
diseñados.
En el año 2000, el IIE desarrolló la primera solución robótica para el Laboratorio
de Pruebas a Equipos y Materiales (LAPEM) de la CFE, la cual tuvo su origen
en la necesidad de inspeccionar los rotores de turbinas de vapor de dicha entidad, contribuyendo a las estrategias planteadas por la misma CFE en el sentido
de operar y mantener su infraestructura eléctrica en las mejores condiciones de
seguridad.
Técnicas de inspección
A la par de las soluciones robóticas también hay una evolución en el área de la
simulación numérica, que le ha permitido al IIE, por una parte, la simulación
de los diversos fenómenos físicos que conllevan al deterioro de componentes y la
aparición de fisuras, y por otra a la estimación de su tasa de crecimiento usando
mecánica de la fractura. Con base en simulaciones, hoy en día es posible realizar
varios análisis para identificar y evaluar las zonas más esforzadas en los equipos de
generación durante sus diversos ciclos o condiciones de operación.
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Boletín IIE
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Tendencia tecnológica
Figura 2. Primera sonda de inspección borosónica.
Otra parte importante y que es imprescindible en
cualquier inspección de alto nivel, es la simulación
de la técnica misma de inspección que se emplee, por
lo que el IIE ha buscado el acceso a las herramientas
más avanzadas en este campo, apoyándose en programas de simulación como CIVA, que ha permitido por una parte, involucrar todos los parámetros
presentes en la técnica de inspección, no solamente
para planear la inspección misma sino también para la interpretación de resultados y como apoyo para el diagnóstico final. Programas como CIVA son
de mucha ayuda, incluso para diseñar transductores
especiales para cada aplicación, garantizando de esta
forma que la inspección se realizará de forma optimizada y que los resultados serán confiables.
En cuanto a las técnicas de inspección que básicamente son ultrasonido, radiografía, electromagnetismo, líquidos penetrantes y visual, también se tiene
una clara evolución debido, por una parte, al avance
en los procesos de digitalización, informática, electrónica y de manufactura. Lo anterior ha permitido
emplear, por ejemplo, arreglos de cristales piezoeléctricos para transductores de ultrasonido, o arreglos
de bobinas en transductores de corrientes parásitas
que representan claras ventajas sobre los sistemas
convencionales, principalmente cuando se usan en
geometrías complejas.
Figura 3. Simulación de haz ultrasónico de un transductor convencional.
Considerando las capacidades de las tecnologías de
las que se dispone hoy en día y al hecho de que muchos de los equipos de generación han operado por
más de 20 años, se hace necesaria la inspección de
alta confiabilidad y detectabilidad en componentes
críticos, a fin de garantizar la operación segura de los
equipos, por lo que consciente de lo antes mencionado, la CFE continúa impulsando el desarrollo de
soluciones robóticas.
Así, en aplicaciones de inspección de componentes se
observa cada vez más el uso de dispositivos robóticos
que son programados, lo mismo para entrar a lugares
de difícil acceso como para ejecutar trabajos peligrosos, repetitivos o de alta precisión, y al igual que en
otros sectores que no consideraban la automatización
de sus procesos, los robots apoyarán de alguna forma
el trabajo actualmente realizado por el humano.
Figura 4. Simulación de haz ultrasónico (sectorial) de un transductor phased array.
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Si bien se sabe que existe más de un millón de robots
en la industria dedicados principalmente a tareas inherentes a la producción industrial, en el sector eléctrico las aplicaciones robóticas aún son muy pocas,
Tendencia tecnológica
y en contraste con las anteriores, en los desarrollos
del IIE se quiere mantener al ser humano en lugar
de reemplazarlo, de tal forma que pueda observar el
trabajo de inspección, tomar decisiones y controlar
al mismo robot, para asegurarse que las inspecciones
sean de gran valor para la CFE a la hora de tomar
decisiones, por lo que se prevé que los sistemas de
inspección continuarán evolucionando, logrando incrementar la viabilidad del uso de robots en la industria eléctrica.
Proyectos recientes en el IIE
En años recientes bajo contrato con la CFE, el Instituto de Investigaciones Eléctricas ha aportado soluciones para la inspección no destructiva de discos
de rotores raíces y encastres de álabes de turbinas, e
inspección de tubos de generadores de vapor.
Actualmente, el IIE desarrolla nuevos diseños de la
sonda de inspección borosónica que incorpora nuevas tecnologías de ultrasonido con claras ventajas
respecto al ultrasonido convencional y un sistema de
inspección de anillos de generadores eléctricos.
En un futuro cercano se prevé continuar colaborando con la CFE y PEMEX en el desarrollo de dispositivos robóticos que permitan extender la presencia
del ser humano, para realizar aquellas tareas que
requieran alta capacidad de detección y sobre todo
que permitan fomentar la innovación y el desarrollo
tecnológico en los procesos de suministro de energía
eléctrica, para lo cual también será necesario un sistema eficiente para su gestión.
Referencias
Khalid N. and Mubina. Current Trends and future prospects in
robotics. National Conference on Emerging Frontiers in Mechanical Engineering for New Generation Industry (EFME 2011).
Robotic applications in PSE&G’s nuclear and fossil power plants,
USA, 2002.
De izquierda a derecha: Raymundo Artis Espriú, Rodolfo Muñoz Quezada y José Antonio Carnero Parra.
RODOLFO MUÑOZ QUEZADA
[[email protected]]
Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por Centro Nacional de Investigación y Desarrollo
Tecnológico (CENIDET). Ingeniero Mecánico por el Instituto Tecnológico de Pachuca. Ingresó al
Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1992 a la División de Sistemas Mecánicos. Su área
de especialidad se relaciona con el diagnóstico de fallas mecánicas en turbomaquinaria, en donde
ha dirigido varios proyectos para Petróleos Mexicanos (PEMEX) y para la Comisión Federal de
Electricidad (CFE). En el año 2001 recibió la certificación del Vibration Institute como especialista
en análisis de vibraciones. A partir de 2008 dirigió varios proyectos relacionados con la automatización de pruebas no destructivas, entre los que destacan el sistema de inspección de tubos de
paredes de agua en generadores de vapor, en conjunto con la Gerencia de Materiales y Procesos
Químicos (GMPQ) del IIE, y el sistema para la inspección de discos de rotores y ranuras y raíces
de alabes (brazo robótico). Actualmente dirige un proyecto para el desarrollo de una sonda de
inspección borosónica de rotores utilizando ultrasonido phased array. Es autor de varios artículos
nacionales e internacionales en diagnóstico de fallas.
JOSÉ ANTONIO CARNERO PARRA
[[email protected]]
Grado de Maestría por el Instituto Tecnológico de Tlalnepantla en 1984. Ingeniero Industrial mecánico por el Instituto Tecnológico de Durango en 1982. Desde 1985 es investigador de la Gerencia de Turbomaquinaria en el Instituto de Investigaciones Eléctricas. Se ha desempeñado como
jefe de proyecto de algunos proyectos contratados por la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
De 1994 al 2001 fue coordinador de la especialidad “Análisis Estructural y del Comportamiento
de Turbomáquinas”. Se ha especializado en el análisis del comportamiento térmico, estructural y
fluido dinámico de turbomaquinaria. Ha impulsado el desarrollo de la tecnología para evaluar la
vida remanente de rotores de turbinas de vapor. Ha publicado más de 20 artículos en conferencias
y congresos internacionales sobre su especialidad, la mayoría de ellos en conferencias patrocinadas
por American Society of Mechanical Enginners (ASME).
Moore T. Robots for Nuclear Power Plants. , IAEA Bulletin, Autum 1985.
RAYMUNDO ARTIS ESPRIÚ
[[email protected]]
History of Industrial Robots, International Federation of
Robotics.
Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en
1972. Ingresó a la División de Sistemas Mecánicos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)
en septiembre de 2008, como asesor en el diseño de un dispositivo mecánico automatizado para la
inspección de tubos de pared de agua de calderas de centrales termoeléctricas. Ha ocupado varios
cargos en el gobierno del Distrito Federal.
Applied Robotics for the Power Industry. 1st. International Conference on Applied Robotics for the Power Industry (CARPI), 2010.
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