DURACAB – CH Program: Capacitati /Modul III – Program RO –CERN Proiect: 10EU/2011

Evaluarea starii de imbatranire si a durabilitatii materialelor

electroizolante ale cablurilor din CERN Acronim: DURACAB - CH Nr. / Data contract: 10EU/ 09.05.2011 Program: Capacitati /Modul III – Program RO -CERN Director proiect: Prof. univ. dr. Radu SETNESCU  Descrierea proiectului: Etapa proiectului: Caracterizarea starii cablurilor imbatranite la CERN in diferite conditii  

Anexa I la contractul de finantare nr……/………………

Formular B1

Proiect de finantare a participarii la proiectele CERN

Programul Capacitati/Modul III Tipul proiectului Participarea Romaniei la CERN Acronimul proiectului DURACAB-CH Acronimul experimentului CERN DURACAB-CH Perioada de colaborare conform MoU Colaborarea dintre CERN si ICPE-CA are loc in cadrul

acordului de colaborare K1427/TE in vigoare pana la 27.08.2012

Titlul Proiectului Evaluarea starii de imbatranire si a durabilitatii materialelor electroizolante ale cablurilor din CERN

B - DESCRIEREA PROPUNERII DE PROIECT

1. Obiectivele experimentului CERN Obiectivul general al proiectului: punerea la punct a unei metode de evaluare a duratei de viata ramase a

materialelor electroizolante ale cablurilor utilizate in CERN in medii cu diferite nivele de radiatii 2. Participarea României la CERN prin contribuții știin țifice/tehnice, conform MoU

In cadrul ICPE-CA a fost acumulata o experienta valoroasa in domeniul caracterizarii materialelor polimerice electroizolante, fiind dezvoltata aparatura originala de analiza fototermica prin chemiluminescenta (CL) si metodologii originale de investigare.

In cadrul colaborarii cu CERN, fost dobandita o experienta importanta si in utilizarea tehnicii de DSC existente la CERN, atat pentru caracterizarea materialelor termoplastice folosite la cabluri cat si pentru analiza unor polimeri termoreactivi, cum sunt rasinile epoxidice.

Specialistii ICPE-CA au fost si sunt implicati in proiecte nationale in domeniu, precum si in unele proiecte internationale. Interesul pentru realizarea proiectului este legat de mai multi factori, intre care:

- deschiderea internationala pe care o poate oferi un astfel de proiect si dovedirea concreta a capabilitatii stiintifice si tehnice intr-un proiect aplicativ;

- schimbul de experienta si interactiunea cu specialisti din diferite tari membre ale CERN; 3. Obiectivele proiectului

Referitor la obiectivele propuse pentru perioada 2011, mentionam ca prezenta propunere de proiect este o continuare a proiectului GR10EU/ 2009, a carui finantare a fost intrerupta la sfarsitul anului 2010, din cauza lipsei actului aditional care sa prevada prelungirea finantarii pentru 2011 si obiectivele aferente perioadei, in conditiile existentei acordului de colaborare cu CERN. Obiectivul initial al proiectului este punerea la punct a unei metode si elaborarea unei proceduri adecvate pentru evaluarea duratei de viata ramase a materialelor electroizolante ale cablurilor utilizate in CERN in medii cu o plaja larga de nivele de solicitare termica si radiativa. Acest obiectiv este pastrat si pentru prezenta propunere, obiectivele propuse pentru 2011, mentionate mai jos, urmand sa contribuie astfel la realizarea obiectivului general al proiectului:

- stabilirea conditiilor de masurare si teste comune pe materiale de referinta;

- aplicarea procedurilor bazate pe DSC pentru caracterizarea starii de imbatranire a unor materiale imbatranite termic la CERN;

- aplicarea procedurilor bazate pe DSC pentru caracterizarea starii de imbatranire a unor materiale iradiate la CERN in conditii de serviciu (martori si cabluri reale);

- evaluarea duratei de viata remanente a materialelor imbatranite;

- iradiere in conditii controlate la ICPE-CA a unor materiale selectionate, caracterizare si evaluarea aplicabilitatii procedurilor existente

- diseminarea rezultatelor.

4. Descrirea și justificarea activit ăților propuse pentru fiecare partener

Referitor la necesitatea realizarii proiectului, se mentioneaza ca la nivelul CERN a fost recunoscuta de mult timp necesitatea unei predictii corecte a duratei de viata a materialelor utilizate in acceleratoarele de particule, cum sunt cele deja existente, de exemplu SPS (Super Proton Syncrotron), PS (28 GeV Proton Syncrotron), LEP (Large Electron-Positron Collider), LHC (Large Hadron Collider), sau viitoare CLIC (CERN Linear Collider), LHC2, LHC3 s.a. Datorita unei experiente deja acumulate, materialele electroizolante utilizate in aceste aplicatii au structura si compozitie care le fac rezistente la degradarea cu radiatii nucleare [1,2]. Totusi, datorita conditiilor specifice determinate, in primul rand de energia mare a particulelor si radiatiilor nucleare, apar probleme noi, neintalnite in alte cazuri: materialele sunt supuse unor conditii de exploatare (doza debit, doze integrala, distributia dozelor pe lungimea cablurilor, tensiunea si intensitatea curentului transportat prin cabluri, temperatura in serviciu etc.) semnificativ diferite fata de cele din aplicatiile curente si chiar fata de cele cunoscute in aplicatiile nucleare civile. Data fiind lipsa unei experiente anterioare, in CERN a fost initiat un program de caracterizare si de selectionare a materialelor polimerice destinate utilizarii in astfel de instalatii. Testele au privit atat materialele termoplastice pentru izolatii si mantale de cabluri, precum si materialele termoreactive pentru izolatiile unor conductori speciali, cum sunt cei folositi la miezurile electromagnetilor [1, 2]. Testele respective, au fost efectuate conform IEC 60544 [3], comportarea la iradiere fiind evaluata prin determinarea proprietatilor mecanice. Rezulatele testelor au permis selectarea diferitelor materiale necesare, pe baza rezultatelor de rezistenta la iradiere, insa au o utilitate extrem de limitata pentru evaluarea duratei de viata in conditiile de solicitare in serviciu. Problema devine si mai complicata atunci cand este necesara cunoasterea starii unui cablu intr-un punct critic si fundamentarea deciziei de a schimba sau a pastra respectivul cablu pana la urmatoarea oprire a acceleratorului. In fapt, schimbarea unui singur cablu este rareori posibila: în general, cablurile se afla prinse pe suporturi (racks) impreuna cu alte 50 si chiar 100 de cabluri diferite, fiind astfel necesara schimbarea tuturor acestora. De aceea, este necesara cunoasterea starii cablului celui mai susceptibil de suferi o avarie din manunchiul respectiv in vederea luarii deciziei adecvate (in astfel de cazuri, se instaleaza de la inceput un al doilea cablu de rezerva, pe care se poate comuta in caz de avarie).

In scopul gestionarii situatiei cablurilor, in anul 2008 a luat fiinta un grup de lucru (RIAC-WG, Replacement of Irradiated and Ageing Cables-Working Group) la lucrarile caruia a participat si participa si in prezent si ICPE-CA prin cercetatorul asociat aflat la CERN in cadrul proiectului comun (K1427/TE). De altfel, o contributie importanta in initierea programului de management al cablurilor la CERN a avut-o propunerea facuta din partea TE-VSC Chemistry Laboratory in 2007 pentru caracterizarea starii de imbatranire a cablurilor cu ajutorul unor metode termice de analiza (chemiluminescenta sau DSC), care necesita cantitati mici de proba.

Ulterior, a fost semnalata si o alta problema: degradrea rapida, neasteptata si chiar caderea electrica, a unor cabluri de instrumentatie utilizate in medii lipsite de radiatii si, adeseori, in spatii inchise. Lucrarile efectuate au condus la elucidarea cauzelor degradarii materialului polimeric [27], au dovedit experienta specialistilor ICPE-CA si au sugerat necesitatea existentei unui control de calitate al cablurilor receptionate la CERN.

Colaborarea intre CERN şi ICPE-CA a fost oficializata in 2006, cand un cercetator de la ICPE-CA a participat ca asociat de proiect la o tema referitoare la analiza si caracterizarea radiolitica a unor lichide refrigeratoare perfluorocarbonice utilizate in LHC ["Chemical and radiolytical characterization of some perfluorocarbon fluids used as coolants for LHC experiments" TS note 2006-010, TS 2007-005]. ulterior (2007 - 2008), colaborarea a continuat cu un proiect de modificare a unor rasini epoxidice, utilizate la CERN, in scopul cresterii rezistentei la radiatii a acestora ["Modification and characterization of radiation strength of some resin systems used in CERN applications" EDMS 1049709]. Proiectul comun CERN - ICPE-CA privind caracterizarea materialelor electroizolante ale cablurilor a inceput in septembrie 2007 in baza agreementului K1427, cofinantarea din partea romana fiind obtinuta in 2009 prin grantul GR10EU. Lucrarile in comun au continuat si in perioada ianuarie 2011 - prezent, fiind receptionate de la CERN diferite categorii de esantioane in vederea unor teste

comparative (pe materiale de referinta), a determinarii cineticii de degradare (materiale imbatranite in laborator la CERN) sau pentru elucidarea unor aspecte privind compozitia si cinetica de degradare (material destinat iradierii in conditii controlate si investigarii la ICPE-CA).

Referitor la incadrarea in domeniile prioritare ale PNII, proiectul isi propune modelarea proceselor de imbatranire in campuri de radiatii, in scopul evaluarii duratei de viata, se va aplica unor materiale polimerice noi, complexe, realizate special pentru CERN si va avea ca scop evaluarea starii de imbatranire radioindusa si a duratei de viata ramase a cablurilor electrice utilizate in medii cu radiatii ionizante. Realizarea proiectului va avea implicatii in cresterea securitatii exploatarii instalatiilor de accelerare a particulelor la CERN, dar si in alte aplicatii energetice aplicatiile nucleare si generale, precum si in realizarea de progrese in stiinta materialelor. Prin urmare, proiectul propus, se incadreaza si la domeniile 2.1., 7.1, 10.2 si 10.6 din Strategia nationala.

Referitor la obiectivele propuse pentru perioada 2011, mentionam ca prezenta propunere de proiect este o continuare a proiectului GR10EU/ 2009, a carui finantare a fost intrerupta la sfarsitul anului 2010, din cauza lipsei actului aditional care sa prevada prelungirea finantarii pentru 2011 si obiectivele aferente perioadei, in conditiile existentei acordului de colaborare cu CERN. Obiectivul initial al proiectului este punerea la punct a unei metode si elaborarea unei proceduri adecvate pentru evaluarea duratei de viata ramase a materialelor electroizolante ale cablurilor utilizate in CERN in medii cu o plaja larga de nivele de solicitare termica si radiativa.

Dintre cablurile existente la CERN, pentru prezentul proiect, au fost selectionate peste 30 de cabluri, considerate relevante din punct de vedere al functionalitatii LHC, a altor acceleratoare (PS, SPS, LEP), precum si a sistemelor de securitate aferente. Cablurile selectionate au structuri diferite si sunt produse special pentru CERN, de către firme din diferite tari membre ale CERN, cu tehnologii si materii prime specifice; toate trebuind insa sa fie conforme cu specificatia CERN IS 23 [5]. La realizarea acestor cabluri sunt folosite materiale avansate si solutii tehnice care sa asigure o rezistenta ridicata la degradarea prin iradiere, pentru a se preveni oprirea accidentala a acceleratoarelor in intervalul dintre reviziile periodice programate la intervale care pot fi de ordinul anilor.

Cablurile selectionate pentru acest proiect, apartin urmatoarelor categorii:

- cabluri pentru inalta tensiune (300 kV), cu izolatie din polietilena si manta exterioara din materiale poliolefinice, cu rezistenta la iradiere in domeniul 500 - 1000 kGy [5];

- cabluri de inalta frecventa (de asemenea din materiale poliolefinice), care opereaza de asemenea la tensiuni mari (30 kV) in mediu de radiatii; rezistenta la iradiere a acestora este 500 - 1000 kGy [5];

- cabluri de distributie si de instrumentatie si control (tensiuni si frecvent curenti mici), din materiale poliolefinice cu rezistenta la iradiere de min 500 kGy [5];

- cabluri de instrumentatie si control pentru nivele mari de doze (>10000 kGy), cu izolatie din kapton si/sau rasini poliimidice.

Probe martor din aceste cabluri au fost expuse in CERN, incepand din 2009, in diferite puncte considerate critice urmand a fi recuperate si masurate periodic pentru a determina starea de imbatranire a acestora. Probe similare au fost expuse deja iradierii in conditii controlate la ICPE-CA si la Dagneaux (Franta) si au fost masurate la CERN si ICPE-CA fiind confirmata aplicabilitatea metodei si fiind verificata valabilitatea modelului cinetic propus. De asemenea, rezultatele obtinute au fost utilizate pentru elaborarea si verificarea procedurilor puse la punct in cadrul colaborarii CERN / ICPE-CA.

5. Dezvoltări și rezultate așteptate în cadrul proiectului

Pentru anul 2011 este prevazuta realizarea de teste comune pe materiale imbatranite la CERN in diferite conditii (in conditii de laborator si in exploatare - ca probe-martor sau cablu real). O serie de activitati, cum sunt masuratori asupra unor materiale de referinta in vederea stabilirii conditiilor de masurare pentru etapa urmatoare, sau iradierea in conditii controlate la ICPE-CA in vederea verificarii aplicabilitatii procedurilor existente au fost deja efectuate si nu sunt incluse in planul proiectului.

Etapa Termen Denumirea etapei Activitatea Indicatori

I.1 Masuratori DSC pe cabluri imbatranite la CERN in diferite conditii

Raport de cercetare

I/ 2011 10.12.2011 Caracterizarea starii cablurilor imbatranite la CERN in diferite

conditii

I.2 Evaluarea duratei de viata ramase

Raport de cercetare

I.3 Diseminarea rezultatelor Elaborare 2 articole si 2 articole

6. Modalităţi şi posibilitãţi de înregistrare şi anunţare a rezultatelor colaborării

Rezultatele comune obtinute in cadrul lucrarilor vor fi publicate, in comun, in reviste de specialitate, cum sunt: Nuclear Instruments and Methods, Polymer Degradation and Stability, Polymer Testing etc. Realizarea proiectului va conduce la implementarea unor proceduri comune in cadrul CERN si ICPE-CA

pentru evalaurea calitatii materialelor izolante ale cablurilor si pentru predictia duratei de viata a acestora. Experienta acumulata va putea fi aplicata in activitati de control a calitatii, diagnoza a degradarii si de certificare pentru diferite tipuri de aplicatii..

7. Impactul Proiectului

Se apreciaza ca realizarea proiectului prezinta urmatoarele avantaje pentru partea romana:

- implicarea intr-un proiect international de cercetare fundamentala si aplicativa in domeniul materialelor polimerice speciale destinate utilizarii in CERN, cu efecte in cresterea "vizibilitatii" ICPE-CA la nivel international;

- interactiunea cu specialisti in domeniu din diferite tari, cu efect in perfectionarea specialistilor romani si in stabilirea de contacte in diferite laboratoare si medii industriale;

- promovarea si aplicarea experientei specialistilor ICPE-CA in domeniul caracterizarii starii de degradare a materialelor expuse imbatranirii in diferite conditii, precum si a predictiei duratei de viata a acestora;

- elaborarea in comun a unor metode si proceduri de investigare aplicabile in ICPE-CA si in CERN, cu efect in cresterea capabilitatii ICPE-CA pentru participarea ulterioara la proiecte cu CERN si, in general, la proiecte internationale.

- cresterea capabilitatii ICPE-CA in realizarea de lucrari de evaluare a starii materialelor expuse in conditii similare (CNE, instalatii de iradiere, expunere in conditii naturale, geologie) si de realizare a predictiilor privind durata de viata in conditiile mentionate.

- publicarea de lucrari stiintifice realizare in comun. Dezvoltarea de noi colaborări în cadrul proiectelor propuse pentru finanțare prin programele regionale, europene sau internaționale.

Rezumatul publicabil al proiectului 10EU/2011

Titlul proiectului: Evaluarea stării de îmbătrânire şi a durabilităţii remanente a

materialelor electroizolante ale cablurilor din CERN

Acest proiect a continuat grantul 10-EU2009, având ca scop punerea la punct a unei metode

şi elaborarea unei proceduri adecvate pentru evaluarea duratei de viaţă rămase (durabilităţii

remanente) a materialelor izolatoare ale cablurilor. Aceste cabluri sunt expuse unui domeniu

larg de condiţii de solicitare termică şi radiativă.

Acest proiect îşi propune aplicarea procedurii puse la punct, bazată pe timpul de inducţie a

oxidării (OIT) şi alte tehnici de investigare, pentru evaluarea stării materialelor îmbătrânite la

CERN şi pentru a evalua durata de viaţă rămasă (şi/ sau a altor parametrii corelaţi cu

durabilitatea, cum ar fi doza suportabilă remanentă) în scopul de a fundamenta deciziile

privind repararea, sau înlocuirea cablurilor.

Metoda de încercare, bazată pe măsurarea OIT este sensibilă la procesele de degradare induse

de radiaţii şi face posibilă stabilirea unei corelaţii între OIT şi cinetica de degradare a

materialelor.

Scopul proiectului comun a fost verificarea aplicabilităţii metodei generale de monitorizare a

stării de degradare a cablurilor CERN prin instalarea unor martori de cablu şi evaluarea

ulterioară (post-expunere) a stării lor de degradare. Lui ICPE-CA i-a reveit sarcina de a

verifica aplicabilitatea atât a modelului de degradare şi procedurilor de măsură, elaborate în

comun, în cazul unor cabluri-martor expuse la CERN în diferite condiţii. În acest scop,

CERN a pus la dispoziţie materiale electroizolante ale unor cabluri îmbătrânite în diferite

condiţii de serviciu, în diferite puncte ale CERN. Îmbătrânirea radioindusă a materialelor

polimerice este cel mai important factor care limitează durata de viaţă a cablurilor CERN în

condiţiile de serviciu.

Materialele electroizolante furnizate de către CERN au avut bază polimerică diferită,

şi anume: polietilenă (PE), copolimer etilen-propilenic (EPR), compound EPR-polipropilenă

(EPR/PP) sau copolimer etilenă-acetat de vinil (EVA).

În cazul materialului bazat pe copolimer EPR (Fig. 1), a fost observată o stabilitate

mare la termooxidarea la temperaturi ridicate, precum şi o foarte bună rezistenţă la

degradarea radioindusă, care a condus la valori relativ mari ale durabilităţii. Astfel, valorile

estimate ale tx au fost de peste 20 de ani pentru condiţiile de expunere din SPS şi de peste 8

ani în condiţiile din LSS-2), iar doza maximă suportabilă (Dx) şi indicele de radiaţii (RI)

estimaţi de asemenea din OIT prezintă valori remarcabil de mari. Valorile RI sunt similare cu

cele menţionate în rapoarte CERN anterioare, bazate pe proprietăţi mecanice, pentru

materiale similare.

În cazul materialului de manta realizat din compound EPR/PP, valorile duratei de

viaţă estimate au fost considerabil mai mici datorită unei interacţiuni mai intense, cu radiaţiile

şi oxigenul, a acestui material aflat în partea exterioară a cablului. Pe de altă parte, stabilitatea

termică a acestui material a fost mai mică în comparaţie atât cu materialul de izolaţie cât şi cu

materiale similare provenite din loturi diferite. Astfel de observaţii făcute de-a lungul

implementării proiectului în cazul altor materiale, justifică necesitatea unui control de calitate

al cablurilor atât la recepţie cât şi înainte de instalare (în cazul unor perioade de stocare

lungi). Un astfel de test poate fi tocmai determinarea OIT şi a parametrilor tranziţiilor fizico-

chimice specifice ale polimerului, prin măsurători DSC.

În cazul materialelor pe bază de polietilenă, ca de exemplu în cazul materialelor de

izolaţie ale cablului TFA-3 (Fig. 2) au fost obţinute valori relativ mici ale durabilităţii (Tab.

1), în special pentru materialul de izolaţie al conductorului central. Aceste valori mici ale

durabilităţii sunt corelate cu nivelul mic de stabilizare iniţială a polimerului de bază precum şi

cu consumarea rapidă a antioxidantului în condiţiile de serviciu. Durabilitatea şi valorile RI

sunt concordante cu experienţa anterioară a CERN referitoare la acest tip de cabluri precum şi

cu concluziile experimentelor anterioare efectuate în condiţii controlate.

Fig. 1 - Curbele DSC în condiţii izoterme ale materialului

de izolaţie al cablului EPR (No.2) înainte şi după

expunerea timp de 1 an în LSS-2. Curba gri este semnalul

original DSC în timp ce curba albastră este aceeaşi curbă

după un tratament de netezire. Condiţii: T = 200 oC; air

flow 100 mL/min.

Fig. 2 - Curbele DSC în condiţii izoterme ale

materialului de izolaţie al cablului TFA-3 (No.39):

înainte şi după expunerea timp de 1 an în LSS-2. (a)

- iniţial, neîmbătrânit; (b)-îmbătrânit în SPS-P5 (D

= 26 kGy) (c)-îmbătrânit în SPS-P4 (D = 105 kGy)

Condiţii: T = 200 oC; air flow 100 mL/min.

În cazul materialelor pe bază de copolimer EVA, a fost observată în general o bună

durabilitate în condiţiile de serviciu, în concordanţă cu datele de literatură existente, precum

şi cu acelea ale experimentelor efectuate în condiţii controlate. Valoarea estimată a RI, de cca.

6,0, este tipică pentru acest material folosit de asemenea în cablurile radiation-resistant. În

cazul materialului de manta pe bază de copolimer EVA, valorile OIT au fost evaluate din

măsurători neizoterme, folosind valorile OOT şi o procedură originală pusă la punct în cadrul

cooperării comune dintre CERN şi ICPE-CA.

Table 1 - Estimated durability (Dx, rDx and RI) for electro-insulation materials of TFA-3 cable

Material Starea D (kGy) OIT (min.) k (kGy-1

) Dx (kGy) rDx (kGy) RI

izolaţie conductor (PE)

initial 0 116 - - - -

SPS (P4) 105 2,9 0,0351 116 11 5,06

SPS (P5) 26 5,4 0,118 34 8 4,54

izolaţie inter-ecran(PE)

initial 0 138 - - - -

SPS (P4) 105 2,9 0,03679 115 10 5,06

SPS (P5) 26 98 0,013165 322

296 5,51

manta exterioară (EVA type II)

initial 0 720 - - - -

SPS (P5) 26 630 0,005336 1146 1120 6,06

Rezultatele proiectului pot fi rezumate după cum este prezentat mai jos, împreună cu o

discuţie asupra contribuţiilor tehnice şi ştiinţifice noi precum şi a impactului în diferite medii

(ştiinţific, tehnic. educaţie etc.).

a) Validitatea modelului cinetic a fost dovedită pe materiale iradiate în condiţii de

serviciu. Duratele de viaţă calculate în concordanţă cu procedurile puse la punct au fost

concordante atât cu măsurătorile directe cât şi cu datele de literatură.

b) Modelul simplu de degradare, propus în această lucrare, bazat pe scăderea

radioindusă a OIT care urmează o cinetică de ordinul I, permite evaluarea parametrilor de

durabilitate, adică doza maximă suportabilă, doza suportabilă remanentă, indicele de

radiaţii, durata de viaţă şi durata de viaţă remanentă, necesitând o cantitate minimă de

material îmbătrânit (câteva miligrame) şi cel puţin doi timpi (sau doze) de îmbătrânire diferiţi.

c) Rezultatele obţinute în comun demonstrează utilitatea OIT ca test rapid de calitate a

cablurilor primite în CERN, permiţând evaluarea stabilităţii şi, în consecinţă, a

reproductibilităţii compoziţionale a produselor recepţionate. Aceeaşi tehnică şi metodă poate

fi aplicată pentru evaluarea stării de îmbătrânire a materialelor în condiţii de serviciu sau în

stocare precum şi pentru evaluarea durabilităţii reziduale în diferite condiţii de îmbătrânire.

d) Au fost publicate 2 articole, un altul fiind în procedura de recenzie, 2 proceedings

la conferinţe internaţionale cotate ISI (IEEE) şi 4 comunicări la conferinţe ştiinţifice naţionale

sau internaţionale.

e) Trei doctoranzi, având tezele în domenii conexe cu ale proiectului, au fost implicaţi

în echipa proiectului şi au participat direct la munca ştiinţifică şi experimentală.

Director de proiect, Prof. univ. dr. Radu SETNESCU