CN104246902B - 用于热交换器检查的管板步行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂管板步行器，其具有通过中心铰链连接的两个导轨，其中该中心铰链可以通过致动装置打开或闭合。在每个导轨上安装有滑架，其中每个滑架可以借助于驱动机构而沿着其相应的导轨朝向或远离中心铰链运动。每个滑架还包括至少两个“夹持器”附接机构，例如凸轮锁，以夹持管板。夹持器插入到管板内的管孔中以将相应的滑架紧固到管板，或者夹持器缩回以脱开。中心铰链还附接有工具支撑固定器，并且该工具支撑固定器附接有联接器，该联接器保持维护或检查工具。

Description

用于热交换器检查的管板步行器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2012年5月10提交的名称为“Tubesheet Walker for Heat ExchangerInspections(用于热交换器检查的管板步行器)”的美国临时申请No.61/645,220的优先权，该专利的公开内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及机械臂系统，具体地，本发明涉及用于核电站的蒸汽发生器中的热交换器管的机械臂。

背景技术

在加压水核动力发电系统中，由核反应产生的热被循环通过反应堆芯的初级冷却剂吸收，并且用来在蒸汽发生器中产生蒸汽。蒸汽发生器通常是竖式的圆柱形压力容器，具有半球形的端部区段。横向板被称为管板，位于圆柱形区段的下端部处，将蒸汽发生器分为初级侧和次级侧，初级侧是下部半球形区段，处于管板下方并且处于从管板的下侧延伸到圆柱形区段中的U形管的内侧，次级侧在这些管的周围位于管板上方。竖直壁将初级侧分为入口区段和出口区段。管板是具有孔阵列的厚碳钢板，U形管的端部插入到这些孔中。蒸汽发生器管板中管的数量在从大约4,000至大约15,000的范围内。每个U形管的一个端部插入到与初级侧的入口区段连通的管板的孔中，另一个端部插入到与出口区段连通的管板的孔中。初级冷却剂在压力下被引入到初级侧的入口区段中，循环通过U形管，并且通过出口区段离开。引入到蒸汽发生器的次级侧中的水围绕U形管循环，并且借助于从初级冷却剂传递的热而被转换为蒸汽。然后，蒸汽用来做有用机械功，例如以操作涡轮机驱动的发电机。

在蒸汽发生器的操作期间可能出现管的劣化。这种劣化是不期望的，除了其它的原因之外，还在于初级冷却剂是放射性的，因此冷却剂的任何泄漏到发生器的次级侧都会污染与涡轮机接触的蒸汽。更换劣化的管通常是不实际的。相反，要周期性地检查蒸汽发生器，并且修复或者在两端堵塞受影响的管。考虑到蒸汽发生器中的数千个管，堵塞少数几个管不会明显影响热传递的效率。

因为在核电站中使用的蒸汽发生器中存在辐射伤害，所以对于大多数部分而言，这种蒸汽发生器的热交换器管必须远程地进行服务，以避免使维护人员暴露于可能有害的辐射。因此，已经提出了多种机械臂系统，以用于在这些热交换器管上远程执行修复和维护操作。这些机械臂系统通常包括某些种类的机械臂递送臂，其与被设计成由机械臂承载的多个专门工具中的任何一个结合。

在最近二十年，核蒸汽发生器的服务发生了戏剧性的变化。在过去，许多较老的蒸汽发生器管变得劣化，并且需要大量的堵塞、入油或整体蒸汽发生器更换。电站服务停机持续时间长，并且对蒸汽发生器的修复需要复杂的机械臂操纵器和工具，其能够执行各种检查和修复，同时避免堵塞的管。

目前，工厂里的大多数设备已经更换了其蒸汽发生器或者具有堵塞的管较少而需要最少修复的发生器。用于蒸汽发生器管的大多数工作涉及很少或不需要堵塞的涡流检查。用于工厂维护和加燃料的停机时间(其规定了停机的长度)已经减少，从而显著减少用于蒸汽发生器检查和服务的时间。显然，需要改进现有的用于服务蒸汽发生器的机械臂系统，以满足现代维护时间表。当前的维护机械臂通常较重(超过100lbs.)且极为复杂，其需要更多的时间和人员辐射暴露来进行运输、竖立和安装。当前的机械臂还太大而不能够在大多数蒸汽发生器通道头部的给定区段上安装多个单元。

另外，蒸汽发生器机械臂通常具有三个或更多个自由度，以及带位置反馈的多个马达。控制系统连同机械臂的复杂性一起通常购买和维护成本高昂。此外，当安装在蒸汽发生器中时，大多数机械臂锚固就位，并且必须移动以便能够在检查期间触及所有的管。

大多数管板步行器机械臂，例如本发明，在管板中使用孔来将机械臂与多个夹持器(例如凸轮锁)锚固。这些机械臂使用两组凸轮锁，交替地利用一组进行夹持和将另一组移动到新的位置，由此推动机械臂横穿管板。这种设计的典型机械臂可见于专利No.7,314,343，其名称为“Miniature Manipulator for Servicing the Interior of NuclearSteam Generator Tubes(用于服务核蒸汽发生器管内部的微型操纵器)”。参考的设计使用“X”布局，其包括保持工艺特定工具的基部构件、中心旋转接头和线性滑动接头。此外，在中心接头中存在少量的竖向运动，从而在需要时机械臂使得管板向上运动。所参考的设计的问题在于，该机构较为复杂，具有许多错综复杂的部件。另外，一次可能仅仅实现沿一个方向的运动，从而机械臂必须执行多个动作以便沿着除了其当前取向之外的任何方向运动。

鉴于本领域的当前状态，期望一种简单、小型、轻量化的机械臂，其能够方便用于热交换器的管的检查。

发明内容

本发明是一种用于热交换器检查和维护的改进的机械臂管板步行器。其相对于本领域中已知的机械臂具有多个优点：其保持较为容易、制造成本低廉、沿着管板行进速度快，并且是小型且轻量化的。

在一个实施例中，机械臂具有通过中心铰链连接的两个导轨，其中该中心铰链可以通过致动装置打开或闭合。在每个导轨上安装有滑架，其中每个滑架可以借助于驱动机构而沿着其相应的导轨朝向或远离中心铰链运动。每个滑架还包括至少两个“夹持器”附接机构，例如凸轮锁。夹持器插入到管孔中以将机械臂紧固到管板，或者夹持器缩回以脱开。中心铰链还附接有工具支撑固定器，并且该工具支撑固定器附接有联接器，该联接器保持维护或检查工具。

参考附图，在考虑以下说明和所附权利要求的情况下，本发明的这些和其它目的、特征和特性以及相关结构元件和部件组合的操作方法和功能将会变得更加明显，该说明、权利要求和附图均构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各个图中对应的部件。然而，应当明确地理解，附图仅仅是为了举例说明的目的，而不是用来限定对本发明的限制。如说明书和权利要求中所用的，单数形式的“一”和“所述”包括指代复数，除非上下文另有清晰的表示。

附图说明

图1为本发明的操纵器的一个示例性实施例的示意图。

图2为示例性竖直管和外壳蒸汽发生器在部分切除之后的透视图。

图3为管板的半球形区段的示例性部分的简化示意图，下文所述的操纵器从该部分支撑。

具体实施方式

本文所使用的方向性措辞，例如而非限制性地，顶部、底部、左、右、上、下、前、后及其衍生物，涉及附图中所示的元件的定向，而不是限制权利要求，除非有明确的表示。

如本文所用，两个或更多个部件“联接”在一起的表述应当指的是部件直接连接或操作在一起或者通过一个或多个中间部件而连接或操作在一起。

如本文所用，两个或更多个部件彼此“接合”应当指的是部件直接地或者通过一个或多个中间部件而相对于彼此施加力。

图1为根据本发明的一个示例性实施例的改进的机械臂管板步行器的示意图。如以下更详细地描述的，本发明相对于现有技术的改进之处在于，更加容易保持、制造成本更加低廉、能够沿着管板快速行进、并且较为小型且轻量化。

机械臂管板步行器包括与中心铰链3联接的两个导轨1和2。滑架4安装在导轨1上，并且滑架5安装在导轨2上。作为非限制性例子，每个滑架可以利用C形滑动支承件32连接到其相应的导轨，该C形滑动支承件限制滑架的除了沿着导轨的长度之外的任何方向的运动。滑架4和5包括至少两个“夹持器”6，夹持器接合管板以将机械臂保持就位。中心铰链3附接有工具支撑固定器7。联接器8附接到工具支撑固定器7，该联接器被设计成用以保持多种分析或维护工具9。这样的工具可以包括例如涡流探针引导管或堵塞工具。图1所示的管道34是探针递送管。

每个夹持器6可以插入到管板的孔中，并且可以使夹持器指状物伸展以将对应的滑架保持就位。作为另外一种选择，每个夹持器6可以从孔缩回，以将对应的滑架从管板脱开。在一个实施例中，夹持器是美国专利No.7,314,343中公开的凸轮锁。夹持器6可以通过缆线10远程地操作。在另一个实施例中，滑架上的夹持器可以成对地操作。

中心铰链3能够通过致动装置进行运动，该致动装置为例如伺服马达或气动式致动器，打开或闭合中心铰链。致动装置也可以通过缆线10远程地操作。在一个实施例中，工具支撑结构7接合中心铰链3，使得其总是定位在第一导轨1和第二导轨2之间的一半角度处。

滑架4和5能够借助于驱动机构独立地平移，这些驱动机构允许滑架沿着它们各自的导轨运动。驱动机构可以例如是线性驱动马达或旋转马达，其使得小齿轮旋转，该小齿轮操作性地连接到大致横跨对应导轨的长度的齿条。作为另外一种选择，其它驱动机构(例如螺杆或带驱动器)可以用来将滑架沿着对应导轨朝向或远离中心铰链推动。滑架驱动机构也可以通过缆线10远程地操作。

本发明还包括每个滑架和中心铰链的位置读取器(例如编码器33)，使得远程操作者可以了解滑架和中心铰链相对于管板的对准，以便正确地定位本发明并且使本发明沿着管板运动。该实施例的机械臂的各个机构的远程操作通过缆线10进行控制。

图2示出了示例性的蒸汽发生器11，其采用多个U形管13，这些U形管形成管束12，以提供将热从初级流体(例如反应器冷却剂)进行传递所需的加热表面，从而使次级流体(例如水)蒸发或沸腾。蒸汽发生器11包括容器，该容器具有竖直地取向的管状外壳部分14，以及封闭上端部的顶部封闭件或蝶形头部16和封闭下端部的大致半球形通道头部17。下部外壳部分14的直径小于上部外壳部分15，并且截锥形过渡部18连接上部和下部部分。管板19附接到通道头部17，并且具有设置在其中的多个孔20，以接纳U形管13的端部。分隔板21居中地设置在通道头部17中，以将通道头部分为两个隔室22和23，这两个隔室用作管束12的集管。隔室23是初级流体入口隔室，并且具有与其流体连通的初级流体入口喷嘴24。隔室22是初级流体出口隔室，并且具有与其流体连通的初级流体出口喷嘴25。初级流体流过管束12，并且通过出口喷嘴25流出。

将次级流体引入到发生器中的给水入口结构包括具有被称为给水环30的大致水平部分的给水入口喷嘴29以及升高超过给水环的排放喷嘴31。通过给水入口喷嘴29供应的给水穿过给水环30，并且通过排放喷嘴31离开，在一个现有技术的实施例中，给水与从蒸汽分离的水混合并进行再循环以沿着管束的环形外侧流动。然后，水从管板正上方进入管束12，并且在管束之间和管束之上流动，在这里水被加热以产生蒸汽。在流过初级离心分离器26，蒸汽在到达居中地设置在蝶形头部16中的蒸汽出口喷嘴28之前穿过次级分离器27。

图3为图2所示的管板19的简化示意图。在图1中上述操纵器的下侧示出为处于管板上一个示例性位置中，其中两个滑架中的夹持器已经在管内延伸(隐藏而看不到)，以将管板步行器锚固到管板。

在本发明的一种操作模式中，中心铰链3设定在大于零的角度下，该角度将两个导轨与管板上预先选择的各排管对准，使得滑架上的夹持器可以沿着相应的管排接合管孔。各排选择成设定出用以将工具支撑固定器7放置在待服务的管之上的路径。利用夹持器，一个滑架夹持管板，同时另一个滑架脱开并沿着其对应的导轨运动。作为另外一种选择，夹持管的滑架可以沿着其导轨运动，以便使与管脱开的另一个滑架沿着与夹持管的滑架相关的导轨的取向而运动。通过这种操作模式，能够移动和对准工具、夹持器缩回的滑架，或者将这两者与特定的管或管排对准。在到达期望位置的情况下，夹持器缩回的滑架可以使其夹持器延伸以接合管板，并且首先附接的滑架可以通过缩回其对应的夹持器并运动到新的位置而脱开。从而，通过滑架沿着导轨的交替的接合和运动，机械臂能够在管板上“步行”以将工具递送到期望的管板位置。此外，通过选择哪一个滑架夹持管板并且通过打开或闭合中心铰链，管板步行器的取向和运动可以在与管板平行的平面中改变到任何期望的方向，顺时针或逆时针。

除了上述基本操作模式之外，机械臂可以闭合其中心铰链，以沿相同的方向对准滑架，由此允许滑架通过夹持器接合两排平行的管。在这种操作模式中，在不打开中心铰链的情况下，通过滑架交替地进行滑动运动和夹持器附接，能够快速地平移机械臂。例如，如果第一滑架利用夹持器附接到管板，那么第二滑架可以沿着其相应的导轨朝向或远离中心铰链平移。然后，第二滑架可以利用夹持器附接到管板，并且第一滑架可以通过缩回其夹持器而从管板拆下。然后，第一滑架可以朝向或远离中心铰链平移以重新定位其夹持器，从而用于附接到管板。通过这种操作模式，管板步行器能够沿着两个导轨的方向向前或向后快速地运动。

尽管为了图示说明的目的基于当前被认为最实际且优选的实施例详细描述了本发明，但是应当理解，这样的细节仅仅指示示例性的，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖处于所附权利要求范围内的修改和等同布置。例如，应当理解，本发明可以想到的是，在尽可能的程度上，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其它实施例的一个或多个特征组合。

Claims (14)

1.一种用于热交换器检查和维护的机械臂管板步行器，其包括：

a)第一导轨和第二导轨；

b)中心铰链，所述中心铰链将所述第一导轨连接到所述第二导轨，所述中心铰链被构造成使得所述第一导轨或所述第二导轨中的一者或两者能够在来自远程位置的命令下至少部分地绕所述中心铰链旋转；

c)第一滑架和第二滑架，所述第一滑架安装到所述第一导轨并被构造成用以沿着所述第一导轨运动，所述第二滑架安装到所述第二导轨并被构造成用以沿着所述第二导轨运动，每个这样的运动都是在来自远程位置的命令下远程地致动的；

d)处于第一滑架上的第一附接机构，所述第一附接机构在来自远程位置的命令下远程地致动以便通过接合管板的表面中的沿着所述第一导轨的第一长度间隔开的两个管开口而将所述第一滑架紧固到管板的表面；

e)处于第二滑架上的第二附接机构，所述第二附接机构在来自远程位置的命令下远程地致动以便通过接合管板的表面中的沿着所述第二导轨的第二长度间隔开的两个管开口而将所述第二滑架紧固到管板的表面；

f)工具支撑固定器，所述工具支撑固定器连接到所述机械臂管板步行器；以及

g)其中当所述机械臂管板步行器运动穿过至少若干排延伸穿过所述管板的管时，通过第一附接机构或第二附接机构中的一者仅仅从所述管板支撑所述机械臂管板步行器。

2.根据权利要求1所述的机械臂管板步行器，其中所述第一滑架可滑动地安装在所述第一导轨上，所述第二滑架可滑动地安装在所述第二导轨上。

3.根据权利要求2所述的机械臂管板步行器，其还包括第一驱动机构，所述第一驱动机构连接到所述第一滑架和所述第一导轨，使得所述第一滑架能够在所述第一驱动机构的动力下沿着所述第一导轨朝向或远离所述中心铰链滑动。

4.根据权利要求3所述的机械臂管板步行器，其还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构连接到所述第二滑架和所述第二导轨，使得所述第二滑架能够在所述第二驱动机构的动力下沿着所述第二导轨朝向或远离所述中心铰链滑动。

5.根据权利要求1所述的机械臂管板步行器，其中所述第一导轨和所述第二导轨绕所述中心铰链旋转，其中所述第一导轨和所述第二导轨之间的相对角度在0至180度的范围内。

6.根据权利要求1所述的机械臂管板步行器，其中所述工具支撑固定器在所述第一导轨和所述第二导轨所延伸的平面中从所述中心铰链沿侧向延伸，所述工具支撑固定器以为所述第一导轨和所述第二导轨之间的相对角度的一半的角位移连接到所述中心铰链，并且其中当所述第一导轨和所述第二导轨之间的角度变化时，所述工具支撑固定器保持所述角位移。

7.根据权利要求1所述的机械臂管板步行器，其中所述第一附接机构和第二附接机构是夹持器。

8.根据权利要求7所述的机械臂管板步行器，其中所述夹持器是远程地可动的指状物。

9.根据权利要求7所述的机械臂管板步行器，其中所述夹持器是凸轮锁。

10.根据权利要求1所述的机械臂管板步行器，其中所述工具支撑固定器连接到所述中心铰链。

11.一种操作根据权利要求1所述的机械臂管板步行器的方法，其包括：将所述第一滑架通过所述第一附接机构与所述管板接合，同时将所述第二滑架与所述管板脱开，并且使所述第二滑架沿着所述第二导轨运动到第一期望位置或者使所述第一滑架沿着所述第一导轨运动以使所述第二滑架运动到所述第一期望位置，然后，将所述第二滑架通过所述第二附接机构与所述管板接合，同时将所述第一滑架通过所述第一附接机构与所述管板脱开，并且使所述第一滑架沿着所述第一导轨运动到第二期望位置或者使所述第二滑架沿着所述第二导轨运动以使所述第一滑架运动到所述第二期望位置。

12.一种选择根据权利要求1所述的机械臂管板步行器在与所述管板平行的平面中的取向的方法，其包括：将所述第一滑架通过所述第一附接机构与所述管板接合，同时将所述第二滑架中的所述第二附接机构与所述管板脱开，并且使所述第二滑架绕所述中心铰链旋转。

13.一种选择根据权利要求1所述的机械臂管板步行器在与所述管板平行的平面中的取向的方法，其包括：将所述第二滑架通过所述第二附接机构与所述管板接合，同时将所述第一滑架中的所述第一附接机构缩回，并且使所述第一滑架绕所述中心铰链旋转。

14.一种操作根据权利要求1所述的机械臂管板步行器的方法，其包括：使所述中心铰链旋转，使得所述第一导轨和所述第二导轨大致平行，其中所述第一滑架通过所述第一附接机构与所述管板接合，同时所述第二滑架沿着所述第二导轨重新定位或者所述第一滑架沿着所述第一导轨重新定位到第一期望位置，然后，所述第二滑架通过所述第二附接机构与所述管板接合，同时所述第一滑架与所述管板脱开并重新定位到第二期望位置。