CN101183569A - 用于表面复制的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于将复制材料传送至表面的复制装置。所述装置包括挤出活塞，该挤出活塞以可滑动方式容置在装置中且可移动到分配位置以将复制材料通过出口排出。所述装置进一步包括致动器，其中该致动器产生应力波，从而在所述材料的传送期间临时地减小材料的粘度。还提供用于使用所述装置来获得表面复制品的方法和套件。

Description

用于表面复制的装置和方法
技术领域
本发明的技术领域总体涉及表面复制，更具体地涉及用于表面复制的装置和方法。
背景技术
经常需要获得与部件的表面特征相关的详细信息。这在仅仅可借助于远程工具或设备到达的区域中可能是必要的。可能需要该详细信息来基于特定的几何特征确定部件是否适于使用。这包括诸如裂纹或表面缺陷等的事物，需要在该处进行应力分析以得知由该裂纹或缺陷导致的应力是否是可接受的。
定期地需要复制品来辅助鉴定诸如核反应堆(例如CANDUTM反应堆)中的压力管的内表面等的表面上的特征。由于受限的通路以及高辐射场的存在，核反应堆中的压力管表面复制是远程过程。对具有窄、深且/或尖头特征的缺陷来说，获得其高质量的表面复制品是困难的。远程地且/或在潮湿条件下获得这样的复制品更加困难。在复制过程中维持对复制材料的控制是重要的；重要的是，在复制过程中复制材料不“遗失”到反应堆中。由于此操纵约束，必须使用具有适当高粘度的复制材料。适当高粘度利于材料操纵和控制，但是，粘性的材料更难于施加到窄、深且/或尖头的特征中。由于材料操纵/控制中的困难，采用低粘度的复制材料进行的试验未产生满意的结果。
目前的复制装置可被传送到缺陷位置，以获得表面特征的印模或复制品。通常，该装置载有一些复制材料且能够将该材料施加到所述表面上。将复制材料以未固化(uncured)状态施加并原地固化。一旦复制材料已经固化，取回包含复制品的装置。表面特征的几何形状被复制为负印模。可检查该复制品以确定几何特征。
目前的复制装置和过程一般胜任在具有较平滑表面和较大根部半径的较宽阔无遮盖缺陷情况下的工作。但是，现有的装置和方法在窄、较深、底切且具有小根部半径的缺陷的情况下的成功是有限的。缺陷复制中的困难涉及能够将复制材料成功地施加到缺陷底部以捕捉该缺陷。在一些情况下，不完全地形成复制品，即，没有充分捕捉缺陷的特征。
在不能取得成功的复制品时，当在反应堆的压力管中获得推定的缺陷时往往做出最坏的设想。因此，没有获得足够质量的复制品会导致在反应堆压力管容许热循环上的额外的反应堆停工时间以及限制，并且可能导致不必要的燃料管更换。
因此，有必要提供一种改进的复制装置以及使用该装置的方法。
提供此背景技术信息的目的是用于使公众知晓申请人所认为的可能与本发明相关的信息。上述陈述并非旨在、也不应限制成将前述任何信息构成对抗本发明的现有技术。
发明内容
本发明提供一种用于将复制材料传送到表面的复制装置。
根据本发明的一个方面，提供一种用于远程获得表面的复制品的复制装置，包括：(a)复制板，其具有侧壁，所述侧壁限定具有开口端的围室(enclosure)，所述复制板可在缩回位置和延伸位置之间移动，在该延伸位置，所述复制板与所述表面相接触；(b)复制材料壳体，用于容纳可固化的触变性复制材料；(c)挤出活塞，其以可滑动方式容纳在所述复制材料壳体中并可在向后位置与向前分配位置之间移动；(d)管，其与所述复制板中的围室和所述复制材料壳体流体连通；以及(e)用于将应力波传送至复制材料的致动器，由此当所述复制板位于所述延伸位置时，所述挤出活塞向所述向前分配位置的移动使得容纳在所述复制材料壳体中的复制材料通过所述管被分配到由所述复制板所形成的所述围室中且与所述表面相接触，并且由此所述应力波向所述复制材料的传送降低了所述复制材料的粘度。
根据本发明的另一方面，提供一种使用根据本发明的装置制作表面复制品的方法，包括以下步骤：(a)将可固化的触变性材料传送到所述表面；(b)在所述材料传送的过程中向所述材料提供应力波；以及(c)在没有所述应力波的情况下使所述材料固化。
根据本发明的另一方面，提供一种供本发明的缺陷复制装置所使用的套件，包括：(a)复制装置；以及(b)其使用说明书。
根据本发明的另一方面，提供一种供本发明的缺陷复制装置所使用的套件，包括：(a)复制装置；(b)可固化的触变性材料；以及(c)其使用说明书。
根据本发明的另一方面，提供一种具有致动器的供缺陷复制装置所使用的套件，包括：(a)致动器；以及(b)其使用说明书。
附图说明
图1是本发明复制装置的一个实施方式的横截面图；
图2是图1所示复制装置的横截面图，其中复制支架与被复制的部件的表面接触；
图3是图1所示复制装置的横截面图，其中复制材料位于复制支架与被复制的部件的表面之间；以及
图4是图1所示复制装置的横截面图，其中固化的复制材料保持在复制支架上。
粗体形式的数字用于表示参照示出本发明的各种实施方式的附图描述的部件部分。应该指出的是，在所描述的本发明各种实施方式中，相同的标号用于表示相同或相似的元件。此外，为了简洁起见，从附图中的一些图中省去一些部分。
具体实施方式
如以下将详细讨论的，本发明提供用于表面复制的复制装置和方法.本发明的装置包括现有技术中已知的标准复制装置的一些部件。正如在现有技术中已知的某些复制装置中那样，本发明的装置使用了装置本体、复制板、可延伸支架、复制盒壳体以及挤出活塞。在本发明的装置中，在材料复制过程中，这些部件与用于将应力波形式的振动传送到触变性复制材料的致动器相结合。触变性指材料的一种物理特性，由于该特性，材料的粘度受到应力影响。触变性材料在存在应力的情况下变得粘度较小。在注射过程中复制材料的粘度临时减小使得复制材料在注射过程中可更好地渗透到缺陷中。一旦完成初始注射，则去掉应力所引起的振动，从而恢复较高的粘度，以维持反应堆内的材料控制。
复制装置
本发明的复制装置的一个实施例示于图1-4中。在此实施例中，示出压力管的一段，以说明该装置相对于待复制的表面的布置。
复制装置10的主要部件包括：装置本体1、复制板2、可延伸支架3、复制盒壳体11、挤出活塞6以及压电致动器7。
装置本体1提供对复制装置10的部件的支撑。在图1-4的实施例中，装置本体1为大体圆柱形本体，这有助于从大体圆柱形的压力管、管道的内表面8以及其他类似形状表面获取复制品。但是，对于本领域普通技术人员来说，显然可从其他形状部件获取表面复制品。可采用装置本体1的不同形状来促进不同形状表面的复制。另外，装置本体1可适于以可拆卸方式或固定方式附装于缺陷复制中所使用的其他模块。如在本文中所使用的，术语“复制品”通常指使用本发明的缺陷复制装置制作的表面负印模。
复制板2用作挡板并将复制材料4保持在被复制的特征处或大致将其保持在被复制的特征周围。复制板2包括侧壁，所述侧壁限定具有开口端的围室，且复制板2可在缩回位置与延伸位置之间移动。在延伸位置，复制板2的侧壁与待复制的表面相接触，从而由所述侧壁限定的围室被封闭且适于将复制材料传送到与待复制的表面相接触。复制板2可选地包括保持装置(未示出)，在复制板2缩回且复制品从被复制的部件移除时该保持装置确保固化的复制材料粘附到复制板。在一个实施例中，如图3和4所示，复制板2的保持装置包括燕尾槽Z，当复制品从表面缩回时，该燕尾槽Z辅助保持固化的复制品。在另一实施例中，复制板2的保持装置包括T形槽和/或具有底切的几何形状，以辅助保持复制品。
复制板2以可拆卸的方式安装于可延伸支架3。可延伸支架3可从缩回位置移动到延伸位置，且适于可逆地缩回和延伸复制板2。可远程操作可延伸支架3而使复制板2在复制前延伸到与表面相接触，以及使复制板2在获得复制品后缩回。可延伸支架3可选地包括用于倾斜复制板2以保持复制板2与压力管内表面或其他表面相接触的装置。在一个实施例中，复制板2以可枢转方式附装于可延伸支架3。复制板2能够倾斜，这在部件的内表面为诸如凹陷的压力管情况的不规则形状情况下是有利的。
可延伸支架3和复制板2可选地可以为弹簧加载的，以作为失效保险机构缩回。这样的失效保险机构为安全冗余机构，其在可延伸支架3或其控制系统发生动力失效、机能失常或其他故障的情况下是所希望的。如果可延伸支架3在延伸位置发生这样的机能失常，则可能难以将复制装置10从反应堆移除。为了帮助避免这样的可能性，可延伸支架3可以是弹簧加载的，从而其可返回其自身的缩回位置。例如，在气动或液压系统问题(例如，可延伸支架3中的O形环密封件泄漏、电磁阀失灵或复制装置外部的控制系统中的管道故障)的情形下，可延伸支架3和复制板2将缩回以确保可容易地将该装置从压力管移除。另外，可延伸支架3和复制板2的前、后边缘可成形(例如锥化)为利于装置10在收回条件下从压力管移除。
可延伸支架3从缩回位置到延伸位置的运动使得复制板2从缩回位置(如图1和4所示)移动到延伸位置(如图2和3所示)。在延伸位置中，复制板2与被复制的部件的表面相接触。复制板2的尺寸设计为与待复制的部件的表面相匹配。可延伸支架3可以是气动或液压活塞。
壳体11尺寸设计为将所供应的复制材料4容纳在复制材料盒中且其量足以形成至少一个复制品。在图1到4所示的具体实施例中，复制材料4是未固化且未混合的两部分式触变性复制材料，其可在市场上买到且以双注射器9供应。在此实施例中，一个注射器管容纳基体，另一个注射器管容纳催化剂。例如，复制材料4包括3M的快速乙烯基聚硅氧烷印模材料系统(Express Vinyl Polysiloxsane Impression MaterialSystem)。除了触变性特性之外，3M的快速乙烯基聚硅氧烷印模材料系统还适于在潮湿条件下使用，正如可能在压力管中遇到的那样。对于本领域普通技术人员来说，显然也可使用其他触变性材料。
选择触变性材料所考虑的特性和标准包括材料的收缩率、空间稳定性、辐射耐受性、混合方法、亲水性、工作时间、固化时间、温度范围、粘度、化学成分、物理形式以及机械性能。
本领域普通技术人员清楚的是，当评估上述特性和/或标准时，需要找到它们之间的平衡点。通常，特定材料相对于一个标准具有理想的特性，但相对于其他标准则不是这样。整个评估必须考虑特定材料的缺点是否由其他正特性补偿，尤其是相对于具体应用而言。应该考虑的标准包括：
1.考虑到其他所需特性，当材料从其未固化状态转变成固化状态时的材料收缩率应该尽可能最小化。
2.考虑到其他所需特性，空间稳定性应该尽可能最大化(即随着时间流逝空间变化最小)。如在本文中所使用的，空间稳定性指材料随着时间流逝保持其形状/尺寸的能力。如果材料空间上不稳定，则复制品的几何形状将随时间变化。空间不稳定的示例包括收缩以及翘曲。理想地，复制品几何形状在分析该复制品所需的时间内保持相同。
3.如果复制品要在存在辐射的环境中制作，则辐射耐受性应该最大。
4.材料混合方法应该尽可能简单，且材料应该可接受远程混合。例如，某些材料需要大规模的混合/搅拌以与复制材料充分结合，而其他材料则易于混合。
5.如果材料要与水接触，则在存在水的情况下和/或完全浸没在水中时材料必须能够固化。
6.材料工作时间(即，混合起始与凝固或固化开始之间的时期)必须足以允许施加材料，但是，在大多数情形下，由于延长了获得复制品所需的总时间，非常长的工作时间不是所希望的。另外，通常所不希望的是，一开始固化就扰动材料，因此，工作时间限定了在混合之后可以有多长时间来将材料施加到部件表面。
7.材料固化时间(即，材料开始固化直到其完全固化的时期)应该适当地短，以便减少获得复制品所需的时间，但是，较慢的固化时间常常与较低的收缩率相关联。因此，必须考虑具体应用的需求而达到这两个相矛盾的标准之间的平衡。
8.材料的容许温度范围应该符合被复制的表面及其环境的预期温度。例如，复制材料可具有最小和最大容许操作温度范围。所选择的材料将具有落入或包含其所使用的环境的温度或温度范围的容许温度范围。
9.在没有应力波时的材料粘度范围必须足够高以利于远程操纵，但是在存在应力波时足够低以容许混合物形成在部件表面上而获得精确的复制品。
10.化学成分必须与材料所接触的反应堆系统相兼容。例如，复制材料不应该与部件表面材料发生不利的化学反应。
11.物理形成必须相对于其如何影响操纵和施加的容易性而评估。固体(颗粒)、液体或气体材料会比凝胶或糊状形式的材料更难于控制、混合和施加。
12.机械性能必须针对适用性进行评估。所关心的机械特性可包括硬度、抗张强度、抗撕强度以及最大延伸率。
管5将双注射器9连接到复制板2中的小孔(未示出)。管5具有附装到双注射器注射端口(未示出)的第一端部以及附装到复制板2中的小孔的第二端部。根据本发明的具体实施方式，管5包括混合管X以及传送管Y，在混合管X中混合复制材料的组分，所混合的材料在经过复制板中的小孔之前通过传送管Y。混合管X中的内挡板12确保在材料挤出和传送过程中材料的组分一起流动并被充分混合。本领域普通技术人员通晓除挡板12之外的可促进混合的部件。
挤出活塞6可从缩回位置移动到分配位置。当从缩回位置移动到分配位置时，挤出活塞6适于从注射器9挤出材料4，迫使其通过管5并通过复制板2中的小孔进入到围室。在图中所示的实施例中，挤出活塞6包括双柱塞，每个柱塞单独地容置在双注射器的筒中。挤出活塞6例如可以为气动或液压活塞。
可操作致动器7而将作为具有充分幅度的应力波的振动传递到复制材料4，以便在材料注射过程中使复制材料4的粘度减小。在图中的实施例中，致动器7为压电致动器。该压电致动器可在从大约10Hz到大于2000Hz的频率范围内工作。在所使用的复制材料为3M的快速乙烯基聚硅氧烷印模材料系统的实施方式中，理想地，致动器产生大约60Hz的振动。致动器7的使用导致在注射过程中复制材料4的粘度减小，这使得复制材料4能够渗透到被复制的表面特征中。在图中所示的实施例中，致动器7与复制板2相邻设置，以便在材料向表面的输送过程中向材料4施加应力波。信号发生器与放大器(未示出)通过电信号线缆连接至压电致动器，且用于远离复制装置控制压电致动器。
本领域普通技术人员清楚的是，根据将使用复制装置10的条件选择适用的用于复制装置10的材料。理想地，针对在ANDUTM反应堆(即，无卤素，无硫，无钴)内的适用性以及耐腐蚀性和机械耐久性选择机械部件的材料。不锈钢(304型&17-4PH型)和铝(7075型&6061型)是可以使用的材料的例子。另外，可基于反应堆操作员和适当管理机构的认同和批准选择材料。
获得复制品的方法
可使用所述复制装置进行以下步骤来获得复制品。应该理解，尽管此讨论具体针对压力管中的缺陷复制，但本方法可用于对任意表面的一部分的复制。将压力管中的缺陷复制作为具体实施例进行描述，以验证本发明方法的使用。
作为定期监督的一部分，或当怀疑有缺陷时，可通过各种方法远程检测压力管的内表面，所述方法包括但不限于通过摄像机视觉检查及特征鉴定、通过涡流分析由超声波和/或体积测定缺陷特性来勾勒表面。当检测或怀疑缺陷时，可通过复制来鉴定内表面特征。
在将装置10插入除去燃料的压力管之前，将含有未固化触变性复制材料4的双注射器9安装到装置本体1中。可延伸支架3与挤出活塞6均处于缩回位置(如图1和2所示)。复制装置10定位为使得复制板2大体与要复制的表面特征(未图示)对准。可延伸支架3从缩回位置移动到延伸位置，以使可延伸支架3与表面相接触(如图2和图3所示)。
挤出活塞6被致动，从而将材料4从双注射器9挤出。两部分式的材料受迫通过管5，且混合物被注射到由表面和复制板2所限定的空间的容积中。在材料注射期间致动器7工作以临时降低材料4的粘度。一旦完成注射则关闭致动器7。
在材料注射之后，复制装置1保持静止以使复制材料固化。对于3M的快速乙烯基聚硅氧烷印模材料系统来说，通常的固化时间为大约10分钟。本领域普通技术人员容易理解，固化时间视所用复制材料和/或整体条件的不同而不同。
通常，每个复制品需要使用单独的复制板和新材料盒。但是，单个盒可含有足以进行多次施加的材料。在此情况下，挤出活塞6仅仅延伸足以挤出充足材料的长度来填充由复制板2限定的空间的容积。
一旦材料已经固化且已经形成复制品(未图示)，则活塞3缩回，从而缩回复制板2并取出所形成的复制品。然后，将复制装置10从压力管取回，从而使得可以检查复制品。
复制装置套件
本发明的另一方面还提供用于使用和/或组装缺陷复制装置的套件。该套件提供复制装置及其使用说明书，并可选地包括复制材料。套件的另一实施例包括致动器，优选为压电致动器，带有用于将该致动器适配于缺少向复制材料施加应力波的致动器的缺陷复制装置的使用说明书。在此情形下，该套件使得可利用这种致动器“改造”现有的复制装置。
在本说明书中参考的所有文献、专利、专利申请表示本发明所述领域普通技术人员的水平且通过参引合并于本文，就如同每个独立文献、专利或专利申请被明确和独立地指明通过参引合并于本文一样。
如此说明了本发明，显然可以多种方式改变本发明。这样的改变不视为脱离本发明的实质和范围，且所有这些对本领域普通技术人员来说是显而易见的修改都意欲包括在所附权利要求的范围中。

Claims (20)

1.一种用于远程获得表面的复制品的缺陷复制装置，包括：
(a)复制板，其具有侧壁，所述侧壁限定具有开口端的围室，所述复制板能够在缩回位置和延伸位置之间移动，在该延伸位置，所述复制板与所述表面相接触；
(b)复制材料壳体，用于容纳可固化的触变性复制材料；
(c)挤出活塞，其以可滑动方式容纳在所述复制材料壳体中并能够在向后位置与向前分配位置之间移动；
(d)管，其与所述复制板中的围室和所述复制材料壳体流体连通；以及
(e)致动器，用于将应力波传送至所述复制材料，
其中当所述复制板位于所述延伸位置时，所述挤出活塞向所述向前分配位置的移动使得容纳在所述复制材料壳体中的复制材料通过所述管分配到由所述复制板形成的所述围室中且与所述表面相接触，并且其中所述应力波向所述复制材料的传送降低了所述复制材料的粘度。
2.如权利要求1所述的缺陷复制装置，其中所述致动器为压电致动器。
3.如权利要求2所述的缺陷复制装置，其中所述压电致动器在大约10Hz到大约2000Hz的频率范围内工作。
4.如权利要求3所述的缺陷复制装置，其中所述压电致动器以大约60Hz的频率工作。
5.如权利要求1到4中任一项所述的缺陷复制装置，其中所述复制板包括用于保持固化的复制材料的保持装置。
6.如权利要求5所述的缺陷复制装置，其中所述保持装置为燕尾连接、T型槽或底切。
7.如权利要求1到6中任一项所述的缺陷复制装置，其中所述复制材料为两部分式组分，且所述复制材料壳体包括两个室，用于分别容纳所述复制材料的两个部分。
8.如权利要求7所述的缺陷复制装置，其中所述管适于混合所述两部分式组分的两个部分。
9.如权利要求8所述的缺陷复制装置，其中所述管进一步包括用于混合所述两部分式组分的两个部分的挡板。
10.如权利要求1到9中任一项所述的缺陷复制装置，其中所述挤出活塞为气动活塞。
11.如权利要求1到9中任一项所述的缺陷复制装置，其中所述挤出活塞为液压活塞。
12.一种使用如权利要求1至11中任一项所述装置制作表面复制品的方法，包括以下步骤：
(a)将可固化的触变性材料传送到所述表面；
(b)在所述材料传送的过程中向所述材料提供应力波；以及
(c)在没有所述应力波的情况下使所述材料固化。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述可固化的触变性材料为两组分材料，包括材料基体和催化剂。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述可固化的触变性材料为快速乙烯基聚硅氧烷印模材料系统。
15.如权利要求12到14中任一项所述的方法，其中所述应力波在大约20Hz到大约2000Hz的频率范围内。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述应力波的频率为大约60Hz。
17.一种供如权利要求1到11中任一项所述的复制装置所使用的套件，包括：
(a)所述复制装置；以及
(b)其使用的说明书。
18.一种供如权利要求1到11中任一项所述的复制装置所使用的套件，包括：
(a)所述复制装置；
(b)可固化的触变性材料；以及
(c)其使用的说明书。
19.如权利要求18所述的套件，其中所述可固化的触变性材料为快速乙烯基聚硅氧烷印模材料系统。
20.一种具有致动器的供缺陷复制装置所使用的套件，包括：
(a)所述致动器；以及
(b)其使用的说明书。
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