CN102422155A - 无线管检查系统 - Google Patents

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CN102422155A CN2010800208616A CN201080020861A CN102422155A CN 102422155 A CN102422155 A CN 102422155A CN 2010800208616 A CN2010800208616 A CN 2010800208616A CN 201080020861 A CN201080020861 A CN 201080020861A CN 102422155 A CN102422155 A CN 102422155A
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L·培特罗斯基
J·L·博因顿
K·B·罗耶德
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Abstract

本发明涉及一种借助自由飞行的独立检查头检查管道的设备和方法，该检查头没有通过导线附接于外部控制和数据采集设备。检查头连同附接上的模块行进穿过管子，所述模块集成了检查头内无损传感器的电子和机械控制所需的所有支持。

Description

无线管检查系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年5月14日提交的临时申请系列No.61/178,190的优先权。
技术领域
本发明总体涉及换热器管道的无损检查，并且更具体是涉及无线自备式检查系统，它能够穿过小管道直径。
背景技术
在核电厂中使用的蒸汽发生器是非常大的换热器，这里热从由核反应堆加热的一次流体被传递到二次流体，二次流体被转换为蒸汽并用来驱动涡轮发电机。蒸汽发生器被容纳在高大的基本圆柱形的钢制外壳内。许多的U形换热器管被封闭在外壳中并且使其端部插入在靠近钢制外壳底部的水平管板或板中形成的孔中。这些管被用来输送在核反应堆中已经被加热的一次流体。用来产生蒸汽的二次流体或给水被这样引入蒸汽发生器中，使得二次流体围绕被加热管的外部流动，由此将非常多的二次流体转换为蒸汽，该蒸汽使得能够通过在钢制外壳顶部的出口喷嘴流出蒸汽发生器。
过去，核电厂的蒸汽发生器管道被暴露于极端的操作条件下并且易受应力腐蚀开裂、机械磨损、壁减薄和点腐蚀。为了解决这种易感性，已经开发出多种技术来检查蒸汽发生器管道，以便在管道故障之前进行冲刷从而防止一次放射性冷却剂泄漏到二次侧中，这将导致被迫的停机。已大多通常采用多种涡电流方法来检查蒸汽发生器管道，多数是涉及探头，其从蒸汽发生器一次侧上的管板的底面被插入管中。探头穿过蒸汽发生器在管板下方的下部半球形入口和出口侧中的蒸汽发生器入孔被插入到管板中，在这里相应的各个管通过把探头向上插过管子而被测定(mapped)。
用于此目的的一种涡电流探头类型是“Bobbin(轴绕)”类型，其中，两个铜线线圈在圆周上缠绕在比较刚性的芯体周围以形成测试线圈。尽管被广泛和相对成功地使用，但是该比较刚性的Bobbin类型探头难以穿过具有弯管的管。
另一种涡电流探头类型是旋转薄片式线圈探头。该旋转薄片式线圈探头通常被安装在机动的外套上，它使得线圈能够同时旋转并移动穿过管，由此形成对管表面的螺旋扫描。薄片式涡电流线圈的轴线与管内直径表面垂直并且通常线圈被安装在铰接机构中，其使得线圈能够跟随内直径表面轮廓并保持相对恒定的线圈发射。
第三种涡电流探头类型采用多达四十个单独的线圈，这些线圈在圆周上布置在探头的周围。当探头轴向移动穿过管时，每个线圈提供其自身的单独的换热器管的相对内表面输出。
一般而言，上述探头中的每一种在其移动通过换热器管内部时都需要被定中心。典型地，这些探头采用顺从式衬垫被定中心，这些衬垫在大致两个间隔开的轴向部位围绕探头在间隔开的周向位置径向伸出。尽管精度较高，但检查蒸汽发生器管道的涡电流方法是相对慢的，并且优选地，通常沿着管道长度由柔性轴推动的探头应以恒定速率被插入。当探头穿过管道中的弯管时由推动轴形成的边缘载荷、以及在较小程度上由于轴在直长度中定位偏心引起的边缘载荷，都会不利地影响探头的定中心或其向前的推移。用于探头定中心的其它改进的手段在同样未决的申请No.12/582,196中描述，该申请于2009年10月20日提交并且已转让给本发明的申请人。
此外，已有的检查设备体积是很大的，并且用来推动检查探头通过管长度的柔性轴变得非常脏污。另外，该轴受到弯曲，这在检查操作期间引起困难。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，消除用来推动检查探头通过管的柔性轴的使用。
此外，本发明的一个目的是，提供一种改进的用于驱动传感器通过管的装置，它将加速检查时间和降低对传感器的拖拉，这种拖拉现在是由对传感器通电和将其输出传送给数据收集站的电力和通信电缆引起。
这些以及其它的目的是通过本发明的无损检查探头系统来实现的，其基本上包括无损检查传感器，其尺寸确定为可移动地配合在待检查的管道内，其中，该无损检查传感器具有阳式或阴式可拆卸接头中的一个接头。本发明的无损检查探头系统还包括电子装置模块，其尺寸确定为可移动地配合在管道内，其中，该电子装置模块具有阳式或阴式可拆卸接头中的另一个接头，该另一个接头适合于连接于无损检查传感器上的阳式或阴式可拆卸接头中的一个接头并且当这样连接时与无损检查传感器电通信。电子装置模块被配置为在管道内与无损检查传感器一起移动，同时在没有任何在管道内部的外面延伸的线缆的情况下从无损检查传感器接收数据。电子装置模块优选包括存储器，用于存储来自无损检查传感器的数据，以及理想地，数据从电子装置模块的存储器被传送到位于每个管的检查的端部处的数据收集中心。理想地，电子装置模块包括控制器，用于调节无损检查传感器在管道内的移动速度。在一个实施例中，用于调节速度的控制器控制无损检查传感器在管道内部上的拖拉。
在又一个实施例中，电子装置模块包括数据通信协议，用于把数据从无损检查传感器传送到远程的数据收集中心。理想地，数据通信协议是无线数据传输方法并且优选地数据被断续地传送。
本发明的无损检查探头系统还包括驱动系统，用于移动无损检查传感器穿过管道。管道具有第一端和第二端，以及在一个实施例中，驱动系统形成第一端与第二端之间的压力差，该压力差驱动无损检查传感器。优选地，压力差是通过喷射压缩气体例如空气到管道中而形成的。在另一实施例中，驱动系统包括由电驱动电动机驱动的轮，并且优选地，驱动轮和电驱动电动机是在电子装置模块上。
此外，本发明的电子装置模块包括对无损检查传感器供电的电源并且提供激励信号给无损检查传感器。在后一情况下，电子装置模块控制激励的频率和激励信号的定时。优选地，电子装置模块提供附加的基准信号，该基准信号相当于无损检查传感器处在清洁的管道中的响应，以及优选地，电子装置模块测量无损检查传感器对激励信号的阻抗。优选地，电子装置模块将所述数据与无损检查传感器相对于管道内部的位置相关联。在后一情况下，电子装置模块与远程的数据中心通信无损检查传感器的位置并且提供故障通知。
在又一个实施例中，其中管道具有唯一的标识符，电子装置模块具有监视器，该监视器读取该唯一的标识符并存储该唯一的标识符与数据。在一个实施例中，唯一的标识符是射频识别标签(RFID标签)并且电子装置模块具有读取该RFID标签的监视器。
本发明还设想一种通过与电子装置模块连接的检查探头来检查管道的方法，该管道具有第一端和第二端，其中，检查探头和电子装置模块的尺寸都确定为可移动地配合在管道内，而没有任何在管道外面延伸的线缆。该方法包括以下的步骤：采用第一机器人来把与电子装置模块连接的检查探头引入管道的第一端。该方法然后吹动或吸动与电子装置模块连接的检查探头从管道的第一端穿过管道到管道的第二端。随着探头从第一端移动到第二端该探头检查管道。然后采用第二机器人来把与电子装置模块连接的检查探头从管道的第二端取出。在另一实施例中，管道包括并行地支撑在管束中的许多管，该方法理想地包括以下的步骤：相继地采用第一机器人来把第一检查探头引入第一管和把第二检查探头引入第二管并同时吹动或吸动第一检查探头穿过第一管和第二检查探头穿过第二管，使得第二机器人能够相继地从第一管取出第一检查探头和从第二管取出所述第二检查探头。在又一个实施例中，管道包括并行地支撑在管束中的第一管和第二管，该方法设想以下的步骤：使用第二机器人来把与电子装置模块连接的第一检查探头引入第二管的第二端以及吹动或吸动与电子装置模块连接的检查探头从第二管的第二端穿过第二管到第二管的第一端。然后采用第一机器人来从第二管的第一端取出与电子装置模块连接的检查探头。
附图说明
从下面与附图结合阅读对优选实施例的描述能够得到对本发明的进一步理解，其中
图1为竖直蒸汽发生器的局部剖开的透视图，本发明的无损检查探头系统能够应用于该蒸汽发生器；
图2为在要检查的蒸汽发生器管内部的本发明无损检查探头系统的局部剖面的俯视图；和
图3为机器人系统的局部剖面的侧视图；该机器人系统能够用于把本发明的无损检查探头系统插入蒸汽发生器管和从蒸汽发生器管撤出该无损检查探头系统。
具体实施方式
参考附图，图1示出蒸汽发生器10，它利用多个U形管(这些U形管形成管束12)，以提供从在管内行进的一次流体传热所需的加热表面，用以蒸发或汽化围绕管外部的二次流体。蒸汽发生器10包括容器，该容器具有竖直定向的管状外壳，该管状外壳具有直径减小的下部部分14、圆锥形的中央部分20和直径加大的上部部分15以及包围下端的大致半球形的通道头18，该上部部分在顶上盖有包围上端的顶部罩壳或碟状头部16。管板22附接于通道头18并具有许多设置于其中以接纳U形管端部的孔。分隔板26在中心设置在通道头18内，以将通道头分为两个腔室28和30，其用作管束12的集管(header)。腔室30是一次流体入口腔室并具有与其流体连通的一次流体入口喷嘴32。腔室28是一次流体出口腔室并具有与其流体连通的一次流体出口喷嘴34。因此，进入流体腔室30的一次流体，即反应堆冷却剂，被促使流过管束12和通过出口喷嘴34流出。
管束12被包裹体36围绕，这分别在包裹体36与下部外壳和圆锥形部分14和20之间形成一个环形通道38。包裹体36的顶部被下盖板40覆盖，该下盖板包括多个开口42，其与多个上升管44流体连通。涡旋叶片46被设置在上升管内以引起蒸汽流过其中，以便在蒸汽流过一次离心分离器时使(蒸汽)旋转和离心地去除夹带在蒸汽内的一些湿气。在该一次分离器中从蒸汽中分离出的水分返回到下盖板的顶面。在流过一次离心分离器之后，蒸汽通过二次分离器48，然后到达蒸汽出口50，该蒸汽出口设置在碟形头部16的中心。
该发生器的给水入口结构包括给水入口喷嘴52，其具有被称为供给环54的大致水平部分和向上突出于供给环的排放喷嘴56。通过给水入口喷嘴52供应的给水通过供给环54并经由排放喷嘴56流出，并且与从蒸汽中分离的水混合以及被再循环。混合物然后在下盖板40的上方向下流入环形通道38。水然后在包裹体36的下部部分处进入管束，并且沿着管束向上流动，在这里水被加热以产生蒸汽。
上述的蒸汽发生器是已知为“U弯管”的设计，因为每个管在其长度的中间都具有单独的“U”弯管24。通常也遇到许多其它的设计变型，诸如“方弯管”，其中“U”形被两个小半径弯管(典型地为9英寸)和直段替换。也有包括整体直管的蒸汽发生器，它的特征为在管束的每个端部都有强制通风(plenum)。与具体的管样式和弯管结构无关，在这里所述的本发明适合于检查管子。
在蒸汽发生器操作期间，泥浆沉积在管周围，以及穿过管束的松散部分(loose parts)产生了极端的操作环境，其使得管束中的管子易受应力腐蚀开裂、机械磨损、壁减薄和点腐蚀。为了解决这种易感性，已经开发出多种技术来检查蒸汽发生器管道，以便在管道故障之前进行冲刷从而防止被迫的停机。已大多通常采用各种涡电流方法来检查蒸汽发生器管道，多数是涉及探头，其从蒸汽发生器一次侧上的管板22的底面被插入管中。探头穿过蒸汽发生器在管板22下方的下部半球形入口和出口侧中的蒸汽发生器入孔被插入到管板中，在这里相应的各个管通过把探头向上插过管子而被测定。
尽管精度高，但是检查蒸汽发生器管道的涡电流方法是相对慢且昂贵的。本发明的目的是简化和加速检查过程，并且进一步提高其精度。
本发明提供一种借助自由飞行的或独立的检查头检查管道的系统和相关的方法，该检查头没有通过导线附接于控制或数据采集设备。该检查头连同附接上的模块行进穿过管子，所述模块集成了探头的电子和机械控制所需的所有支持。该系统用于小直径管道，例如5/8-7/8英寸(1.59-2.22cm)的外径，尤其是有利的，这施加了极端的尺寸限制并需要高的集成度。
图2示出本发明的无损检查探头系统58的一个优选实施例，该无损检查探头系统被插入蒸汽发生器管60中。该无损检查探头系统58包括无损检查传感器诸如涡电流线圈62，其被包含在探头头部64中，该探头头部借助短的柔性轴66通过快速可拆卸接头68连接于电子装置模块70，该电子装置模块包括用以给线圈62通电所需的所有支持硬件和软件，在无损检查探头系统58移动穿过管道60时控制探头头部64的速度，收集传感器检查数据并对管进行测定。尽管图示的是涡电流探头，但是在这种情况下是Bobbin探头，作为无损检查传感器62，应该理解的是，传感器可以是任何类型的涡电流探头、超声波探头、摄像机或其他的无损传感器或取样装置。快速可拆卸接头68可以是任何可靠的插头和插座连接诸如螺纹联接或卡口式联接，其将快速和可靠地连接和保持电子装置模块70与传感器头64之间的电气耦合，以提供激励电流给传感器62和接收来自传感器的输出。
电子装置模块70集成了用探头头部64执行检查所需要的多种功能。这些功能包括，但不限于，以下所述：
1.提供激励信号，典型地是复杂的射频信号，给探头头部64；
2.提供可编程的激励频率以满足不同的规定的信号配置；
3.提供基准信号，该基准信号相当于探头在清洁的管中；
4.测量探头对所施加信号的阻抗的电阻分量和电抗分量；
5.数字化和记录关于探头位置的阻抗信息；
6.连续地或者在达到管端部时传输所采集的数据到外部系统；
7.在探头沿着管行进时控制探头的速度；和
8.与外部系统通信，以进行位置监测和故障通知。
为了支持以上的功能，电子装置模块包括电源诸如电池，通信系统诸如WI-FI、数据存储和处理电子装置以及速度控制系统，诸如在同样未决的申请系列No.12/582,196中所述的那种，该申请于2009年10月20日提交，名称为“Eddy Current Inspection Probe(涡电流检查探头)”。
典型地，本发明的无损检查探头系统通过机器人被送到蒸汽发生器管60的一端，被置于管中，然后通过由传送机器人供应的空气压力被推动穿过该管。一种这样的能够用于该目的的机器人系统在1994年10月11日授权的美国专利US5,355068中更详细地描述，并且在图3中示意地示出。其中可适用，在多个图中相同的附图标记表示相同的部件。机器人系统72一般包括机械臂74，它能够操纵端部受动器76，该端部受动器能够被使用来在控制电路组件78的指令下把本发明的无损检查探头系统插入蒸汽发生器管60和从该蒸汽发生器管撤出，该控制电路组件78同时控制机械臂74的运动和端部受动器76的操作。控制电路组件78也能够提供无线指令信号给图2中所示的电子装置模块70，和接收检查数据及测定信号，这些信号通过本发明的无损检查探头系统58无线传送。在通道头18的凸壁中有入孔80，用于在蒸汽发生器已经被关断和排水之后提供对换热器管60和管板22的访问。然而，由于已经被置于服务中的蒸汽发生器的通道头18是放射性的，入孔80除了实际进入通道头18的服务人员使用外还用来准许远程控制的工具进入。入孔80在其外部部分由环形凸缘82限定，该环形凸缘具有多个均匀间隔开的螺栓孔84，其在通常的操作情况下是用来在通道头18上方固定入孔活板门(hatch，未示出)。这些螺栓孔84提供用于端部受动器76的各个部件以及用于加载固定装置的便利的锚固点，这些部件在通道头18中被操纵，该固定装置用来安装机械臂74。
如上所述，机械臂74尤其较好地适用于操纵本发明的无损检查探头系统，将其插入蒸汽发生器管60内，将其从蒸汽发生器管60中撤出并通过端部受动器管道86传送压缩空气来驱动检查探头系统穿过蒸汽发生器管60，全部这些都是通过控制缆线88从控制电路组件78得以控制。
典型地，本发明的无损检查探头系统58将通过机械臂74被传送到蒸汽发生器管端，被置于管60中，然后通过由传送机器人系统72供应的空气压力被推动穿过该管。在蒸汽发生器管60的远端，第二机器人将在分隔板26的另一侧抓住本发明的自由飞行的探头系统，下载数据，对电子装置模块的电源再充电(如果需要的话)，移动探头到下一个要检查的管，并且发射自由飞行的探头回到第一机器人。这种循环可以根据需要重复许多次，以执行所需要的检查。在多次时，无损检查探头系统58可以被移到一个维护区域，在这里探头头部64可以被替换，例如如果它已经磨损了的话。
如上所述和如图2中所示，在电子装置模块70上的接触轮90能够被用来对本系统增加拖拉以控制探头头部64的速度，如在2009年10月20日提交的同样未决的申请系列No.12/582,196中所教导的那样。接触轮90也能够被用来驱动检查探头系统58通过管道60，作为采用压缩空气或其它气体来建立管道一端与另一端之间压力差的一种替换选择。此外，在另一种可选择的实施例中，在通道头18中分隔板26的每一侧都如上面讨论的那样采用机械臂74，并且多个无损检查探头系统被相继地引入通道头的相同侧上的不同管中和通过在通道头第二侧上的第二机器人相继地取出并且相继地重新插入其他的管中，以加速检查过程。
此外，电子装置模块70可以包括编码器92，用于测定检查探头系统的位置。由此测定的位置与存储在电子装置模块70中的数据相关联，使得被检测到的缺陷的位置能够被识别。
在又一个实施例中，蒸汽发生器中的每个管都具有一个唯一的标识符，该标识符被电子装置模块70读取，因此对于各管测定的数据与该管相关联。唯一的标识符可以是特定的标记或者射频识别标签或者任何其它的唯一手段，其识别与从本发明无损检查探头系统穿过相应路径中所取得的数据相对应的管。
尽管已经详细描述了本发明的特定实施例，但本领域普通技术人员将会理解，可以根据本公开的总教导来形成那些细节不同的变型和替换。例如，代替使用压缩气体来建立压差(该压差推动本发明的无损检查探头系统穿过管)，可以对管的下游端使用真空来实现相同的目的。因此，所公开的特定实施例只是示意性的而不是限制本发明的范围，本发明的范围是要由所附权利要求书的整个范围和其任何及所有等同物给定。

Claims (15)

1.一种无损检查探头系统(58)，用于检查管道(60)的延伸长度的内部，包括：
无损检查传感器(62)，所述无损检查传感器(62)的尺寸确定为可移动地配合在管道(60)内，所述无损检查传感器(62)具有阳式或阴式可拆卸接头(68)中的一个接头；和
电子装置模块(70)，所述电子装置模块的尺寸确定为可移动地配合在管道(60)内，所述电子装置模块具有所述阳式或阴式可拆卸接头(68)中的另一个接头，所述另一个接头适合于连接于所述阳式或阴式可拆卸接头(68)中的所述一个接头并且当这样连接时与无损检查传感器(62)电通信，所述电子装置模块(70)被配置为在管道(60)内与无损检查传感器(62)一起移动，同时在没有任何在管道(60)内部的外面延伸的线缆的情况下从无损检查传感器(62)接收数据。
2.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)包括存储器，用于存储来自无损检查传感器(62)的数据。
3.如权利要求2所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，所述数据从电子装置模块的存储器被传送到位于管道(60)的检查的端部处的数据收集中心(78)。
4.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)包括控制器(78)，用于调节无损检查传感器(62)在管道(60)内的移动速度。
5.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)包括数据通信协议，用于把数据从无损检查传感器(62)传送到远程的数据收集中心(78)，以及数据通信协议是无线数据传输方法。
6.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，包括驱动系统(76)，用于移动无损检查传感器(62)穿过管道(60)。
7.如权利要求6所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，管道(60)具有第一端和第二端，以及驱动系统(76)形成第一端与第二端之间的压力差。
8.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)提供激励信号给无损检查传感器(62)并且控制激励信号的频率和激励信号的定时。
9.如权利要求8所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)提供基准信号，该基准信号相当于无损检查传感器(62)处在清洁的管道(60)中的响应。
10.如权利要求8所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)测量无损检查传感器(62)对激励信号的阻抗。
11.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，电子装置模块(70)与远程的数据中心(78)通信无损检查传感器(62)的位置并且提供故障通知。
12.如权利要求1所述的无损检查探头系统(58)，其特征在于，管道(60)具有唯一的标识符，并且电子装置模块(70)具有监视器，所述监视器读取所述唯一的标识符并存储所述唯一的标识符与数据。
13.一种通过与电子装置模块(70)连接的检查探头来检查管道(60)的方法，所述管道具有第一端和第二端，其中，检查探头和电子装置模块(70)的尺寸都确定为可移动地配合在管道(60)内，而没有任何在管道(60)外面延伸的线缆，所述方法包括以下的步骤：
采用第一机器人来把与电子装置模块(70)连接的检查探头引入管道(60)的第一端；
吹动或吸动与电子装置模块(70)连接的检查探头从管道(60)的第一端穿过管道(60)到管道(60)的第二端；
当检查探头移动穿过管道(60)时检查管道(60)；以及
采用第二机器人来把与电子装置模块(70)连接的检查探头从管道(60)的第二端取出。
14.如权利要求13所述的检查管道(60)的方法，其特征在于，管道(60)包括并行地支撑在管束中的第一管和第二管，包括以下的步骤：
相继地采用第一机器人来把所述检查探头引入第一管和把第二检查探头引入第二管以及同时吹动或吸动所述检查探头穿过第一管和所述第二检查探头穿过第二管，使得第二机器人能够相继地从第一管取出所述检查探头和从第二管取出所述第二检查探头。
15.如权利要求13所述的检查管道(60)的方法，其特征在于，管道(60)包括并行地支撑在管束中的第一管和第二管，包括以下的步骤：
使用第二机器人来把与电子装置模块(70)连接的检查探头引入第二管的第二端；
吹动或吸动与电子装置模块(70)连接的检查探头从第二管的第二端穿过第二管到第二管的第一端；和
采用第一机器人来从第二管(60)的第一端取出与电子装置模块(70)连接的检查探头。
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