CIENCIAS
NUCLEARES
Perfilaje
neutrónico paradeterminar el nivel de un tanque de almacenamiento de
combustible de aviación
Neutron profile
for level determination in a jet oil storage vessel
José Griffith
Martínez1, Jorge Isais Borroto Portela2, Pedro Mario Cano3
1 Instituto Cubano
de Investigaciones Azucareras (ICINAZ), Carretera Central Manuel Martínez
Prieto, Km. 2 '/2 Boyeros, Ciudad de La Habana, Cuba
2 1nstituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas (InsTEC). Ciudad
de La Habana, Cuba
3 Experto OIEA
RESUMEN
En este trabajo
se presentan los resultados alcanzados por la técnica de perfilaje neutrónico
en la determinación del nivel en un tanque de almacenamiento de combustible
de aviación, localizado en el Aeropuerto Internacional "José
Martí". Mediante el empleo de una fuente de neutrones de Am-Be (37
MBq) Y un detector de He-3 de neutrones térmicos, se obtuvieron valores
de altura de nivel del líquido entre 10,8-10,85m en el barrido efectuado
a una pared lateral del tanque. La técnica. basada en el principio de
la retrodispersón, se empleó también para la inspección
del grosor de las paredes del tanque y se pudo determinar que las chapas de
acero reforzadas inferiores presentaban grosores ligeramente superiores a las
restantes.
ABSTRACT
In the present
paper, results related to the level determination at a Jet oil storage vessel,
located in the
International Airport "Jose Martí", by the neutron profile
technique are brought to discussion. Using an Am-Be (37 MBq) neutron source
and a thermal He-3 neutron detector, values between 10.8-10.85 m in height were
encountered during the one wall-side scanning of the vessel. This technique.
based on the neutron backscattering principie, was also employed for thickness
inspection of wall vessel and as it was expected, lower reinforced steel sheets
achieved a slight higher thickness than the upper one.
Key words:
thickness, inspection, backscattering, containers, oils, neutron sources, He-3
counters
INTRODUCTION
La técnica
de perfilaje neutrónico está basada en el principio de la retrodispersión.
Cuando los neutrones rápidos (de alta energia) emitidos por una fuente
colisionan con los núcleos de un material circundante, su energia es
moderada a través de la dispersión inelástica. La pérdida
de energía se produce en cada colisión sucesiva en un amplio intervalo
de neutrones lentos. En general hay más pérdida de energía
por los neutrones en la colisión con núcleos ligeros que en presencia
de núcleos pesados. Debido a ello los núcleos ligeros de hidrógeno
son más efectivos en la moderación de los neutrones rápidos
emitidos por una fuente. Como este elemento es por lo general el principal constituyente
de los líquidos, mediante la dispersión de los neutrones, es posible
la detección del líquido a través de las paredes del contenedor
construido por materiales de alto número atómico [1].
El equipo de perfilaje
neutrónico está constituido por una fuente isotópica portátil
(normalmente de 
-Be)
íntimamente acoplada a un detector de neutrones térmicos para
conformar la denominada cabeza de detección. Ejemplo de este tipo de
detector es el de He-3, cuya eficiencia es inversamente proporcional a la energía
de los
neutrones y consecuentemente, responde mejor a los neutrones lentos retrodispersados
que a los neutrones rápidos emitidos directamente por la fuente. El detector
de nivel se basa en este principio para localizar el nivel en los recipientes
cerrados o tanques. Si la cabeza de detección se sitúa por debajo
del líquido, se obtiene una alta lectura de neutrones retrodispersados,
mientras que el aire o el vapor situados por encima del nivel proporciona una
baja lectura debido a la baja concentración de hidrógeno. La localización
precisa del nivel por lo tanto se puede establecer moviendo la cabeza de detección
a lo largo de las paredes del recipiente [2].
Por otra parte,
si la concentración de hidrógeno (o del elemento ligero) del líquido
es constante, esta técnica también puede brindar información
sobre el estado interno de las paredes del recipiente como por ejemplo grosor,
incrustación o deposiciones, debido a que las diferencias en la retrodispersión
de los neutrones están condicionadas por estas variaciones y por lo tanto,
la información es similar a la obtenida con un equipo de ultrasonido
[3].
En este trabajo
se presentan los resultados, empleando la técnica de perfilaje neutrónico
en la determinación del nivel y la inspección de la estructura
de las paredes de un tanque de almacenamiento de combustible de aviación
localizado en el Aeropuerto Internacional "José Martí".
El trabajo fue desarrollado bajo el auspicio del Organismo Internacional de
Energía Atómica: ProyectoARCAL LXI.
MATERIALES Y
MÉTODOS
Sistema de Detección
Consta de dos partes:
el sensor, integrado por una fuente de Am-241 (Be) de 37 MBq Y por el detector
de neutrones térmicos de He-3, y un equipo de registro (de la firma LUDLUM)
utilizado en régimen de operación manual.
Datos del objeto de análisis:
- Área de combustible ECASA, Aeropuerto Internacional "José
Martí".
- Tanque No. 6
- Combustible JET A-1
- Capacidad total: 5000 litros
- Capacidad operativa: 4600 litros
- Última límpieza: 26/02/2001
- Fecha de realización de la prueba: 22/11/2002
Partiendo de la
información suministrada por la Dirección de la Empresa ECASA,
el tanque de 12 m (No. 6) seleccionado para el ensayo estaba casi lleno, y se
decidió realizar la inspección en dos direcciones:
Primero analizar
la homogeneidad en la estructura de los paños (grosor, incrustación,
deformación por presión, etc.) y establecer la existencia de diferencia
entre estos. Segundo, realizar la inspección en la parte superior del
tanque para determinar el nivel del combustible y comparar el resultado con
las mediciones realizadas por el personal técnico de la empresa, empleando
la técnica convencional.
RESULTADOS
a) Establecimiento
de similitud en la estructura de los paños.
Para el ensayo
se seleccionaron dos paños inferiores del tanque (cada uno con una altura
de 1,5 m). En cada paño se escogieron arbitrariamente dos secciones y
se realizaron barridas con el equipo de perfilaje neutrónico en
la dirección transversal (figura 1).
Los resultados
de las mediciones del conteo acumulativo en cada sección del paño
se muestran en la tabla 1.
Dentro del error
experimental de la técnica se puede aseverar que las secciones en cada
paño analizado poseen estructuras similares (grosor), sin embargo existen
diferencias significativas de estructura entre un paño y otro. Asumiendo,
que el combustible contenido en el tanque es homogéneo, los resultados
señalan que el segundo paño presenta menor grosor o más
desgaste que el primer paño (mayor tasa de conteo de los neutrones retrodispersados).
También
es posible que las diferencias sean debido al proceso de fabricación
de los paños o que el paño inferior esté reforzado como
en ocasiones suele ocurrir en este tipo de construcciones, especialmente en
su parte más baja.
Para comprobar
esta última suposición, se realizó un barrido vertical
del paño inferior de arriba (a 1,5 m) hacia abajo (hasta 0,1 m del nivel
del suelo). Los resultados se muestran en la figura 2.
Como se observa,
descendiendo hasta una altura del nivel del piso de 0,4 m, la tasa de conteo
promedio se mantiene prácticamente constante e igual que en la experiencia
previa de comparación de la estructura de los paños,
reafirmando la idea de que se trata de un paño reforzado, de mayor grosor
que el paño superior.
El aumento tan
marcado de la tasa de conteo a medida que nos acercamos al nivel del piso (que
en muchas ocasiones sucede por contener el suelo circundante, elementos ligeros
que adicional mente incrementan el número de neutrones retrodispersados),
se le puede atribuir al agua de lluvia acumulada en las cercanias del paño
y ello introduce un aumento adicional en la tasa de conteo. De todo esto se
infiere, que este tipo de ensayo no es recomendable lIevarlo a cabo en instalaciones
abiertas en días lluviosos por el ruido que introduce el agua.
Este tipo de diagnóstico
del estado preventivo de los paños que conforman el tanque, puede ofrecer
información sobre una posible deformación en la estructura (desgaste)
y señalarle a la Empresa el momento de realizar el mantenimiento parcial
o general de la instalación.
b) Determinación
del nivel de combustible en el tanque No. 6.
Para llevar a cabo
esta experiencia, desde el techo del tanque "se dejó caer"
una plomada unida a un metro, con el cual se fue marcando cada 10 cm la altura
inversa en el último paño y de forma similar en el penúltimo.
Luego de este primer barrido, se realizó un segundo más fino (cada
5 cm) a las distancias cercanas donde se había detectado el aumento de
la tasa de conteo. Los resultados se muestran en la tabla 2.
A la altura de
los 11 m se observa, un aumento de la tasa de conteo indicando la cercanía
de la fase del combustible (el menor conteo observado a alturas superiores es
indicio de vacio, ausencia de líquido). Desde un nivel de altura de 10,8
m hasta 10,25 m (incluyendo la tasa de conteo en las costuras de los dos paños,
la línea recta vertical), la tasa de conteo promedio 16981 
479, no incluye la tasa de conteo (dentro del error relativo) perteneciente
a la altura de 10,9 m, pero el aumento brusco del conteo a esa altura es un
indicio de que el nivel del líquido se debe encontrar en este punto.
Para hallar de
forma más exacta el nivel del combustible acudimos a un procedimiento
matemático. Como se conoce para hallar el punto de inflexión en
una función (la altura en la que se produce el cambio en la tasa de conteos,
correspondiente al nivel del combustible) se puede determinar la derivada de
esta función, la cual presenta un valor mínimo en el valor correspondiente
al nivel del combustible. Los resultados de este procedimiento matemático
se muestran en la figura 3.
Con el objetivo
de poder visualizar ambas curvas en un mismo gráfico y en una misma escala,
utilizamos el artificio matemático de invertir la derivada (en lugar
de un minimo, obtener un máximo) y multiplicar por un factor cercano
a los valores de la tasa de conteo.
De acuerdo con
esta gráfica, el nivel del líquido se encuentra a una altura de
10,90 m, sin embargo la configuración geométrica del equipo de
perfilaje neutrónico (la disposición de la fuente de neutrones
y el detector de neutrones térmicos) no permite diferenciar niveles en
el orden de los 5 cm, de ahi que la altura del nivel del líquido en el
tanque No. 6 en el momento de realización de estos ensayos se puede encontrar
en el intervalo entre 10,85-10,90 m.
Una segunda prueba
realizada, siguiendo el mismo procedímiento, arrojó resultados
similares, es decir, el nivel del combustible contenido en el tanque No. 6 se
hallaba a una altura del nivel del suelo entre 10,85-10,90 m.
Estos resultados
están en plena concordancia con los que se habían obtenido anteriormente
por la técnica convencional a partir de mediciones colaterales y cálculos
matemáticos, los cuales presentan el inconveniente del alto consumo de
tiempo que requieren para su realización. Todo ello confirma las potencialidades
del perfilaje neutrónico para este tipo de actividad.
CONCLUSIONES
Existen evidencias
de que por lo menos los dos paños inferiores del tanque No. 6 con Jet
A-1 del área de combustible de ECASA, no son similares en su estructura.
El perfilaje neutrónico mostró que el segundo paño presenta
menor grosor que el primero, y que el paño inferior está reforzado,
como es habitual en la construcción de estos dispositivos de almacenamiento.
El aumento de la
tasa de conteo al llegar al fondo del tanque es producto de la presencia de
agua en sus cercanías por causa de la lluvia que se produjo momentos
antes de iniciar el ensayo, por lo que la técnica no se debe realizar
en estas condiciones.
Las experiencias
realizadas para la determinación del nivel del combustible, utilizando
la técnica de perfilaje neutrónico, mostró que éste
se encontraba a la altura comprendida entre 10,85-10,90 m, resultado que concuerda
con el obtenido por el método convencional y que verifica que esta técnica
se puede ser utilizar con éxito en la
determinación rápida del nivel de combustible.
AGRADECIMIENTOS
Al Organismo Internacional
de Energía Atómica (OIEA), por el donativo del equipo de perfilaje
neutrónico y por facilitar y promover la capacitación y adiestramiento
de esta técnica a través del experto Mario Cano.
A la dirección
del área de combustible de ECASA, en especial al subdirector Orlando
Quevedo Veitía y a los cuadros técnicos de dicha área por
la atención y las facilidades de trabajo brindada durante la prueba,
y que mediante la autorización para la realización del trabajo
mostraron perspicacia y visión futura para valorar las posibilidades
de esta técnica de diagnóstico para el mantenimiento del área
bajo su dirección.
BIBLIOGRAFÍA
CONSULTADA
[1] IAEA. Guidebook
on Radiosotope Tracers in Industry. Technical Reports Series No. 316. IAEA.
Vienna, 1990.
[2] HILLS AE. Practical Guidebook tor Radioisotopebased Technology in Industry.
IAENRCA RAS/8/078. 1999 .
[3] CANO PM, et. al. Aplicaciones Industriales de Radiotrazadores y Fuentes
Selladas de Radiación. Proyecto RLA/8/024. ARCAL XLIII. 2000.
jose@ceaden.edu.cu