CN109689350A - 核用热等静压机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核用热等静压机(HIP)系统，包括高温HIP炉(330)和围绕炉的多壁容器(310)，例如包括同心容器的双壁容器(110)。所述多壁容器包括位于壁之间的至少一个检测器，以检测气体泄漏、容器壁中的裂缝或这两者。所公开的HIP系统还包括位于炉的顶部上或下方的多个头部(175、180)、叉架框架以及用于将HIP罐装载至高温HIP炉以及卸载HIP罐的提升机。还公开了一种使用这种系统以提供维修、操作、去污和停运的简便性的方法。

Description

核用热等静压机

本申请要求享有2018年7月8日提交的美国临时申请No.62/359,766的优先权，该文献在此全文引入以作为参考。

技术领域

公开了能够手动地或远程地处理放射性材料的热等静压机(“HIP”)系统。还公开了使用这种HIP系统以提供维修、操作、去污和停运的简便性的方法。

背景技术

热等静压机是一种用于每天处理数吨材料(包括通过粉末冶金制备的铸件和部件)的成熟技术。这些系统通常在工业设备中操作，并且对于几乎每个步骤依赖于直接操作员干预的能力。例如，HIP系统的装载和卸载、支撑基础设施的维护、检查以及必要时改换HIP容器位置处的关键密封件需要动手处理。此外，对容器进行定时间隔检查以减轻潜在的气体泄漏或容器故障问题是至关重要的。

此外，如果HIP系统在放射性环境中操作，则必须屏蔽操作员免受辐射。因此，根据活动或辐射的水平，HIP系统的远程定位和/或远程操作可能是必要的。因此，操作员手动干预的能力要么实际上不可行，要么必须冒着相当大的风险进行。

为了解决和消除前述问题，公开了一种核用HIP系统，其不仅考虑到了在放射性环境中操作和维修HIP的安全性问题，还缓解了这些问题的大部分。所公开的核用HIP系统旨在克服一个或多个上述问题和/或现有技术的其他问题。

发明内容

在一个方面中，本公开涉及一种核用热等静压机(HIP)系统，所述核用热等静压机(HIP)系统包括：高温HIP炉；围绕炉的多壁容器，其中多壁容器包括容纳在壁之间的至少一个检测器以检测气体泄漏、容器壁裂缝或这两者；位于炉的顶部和下方的多个头部；叉架框架；以及用于将HIP罐装载至高温HIP炉以及卸载HIP罐的提升机。在一个实施例中，所述至少一个检测器包括压力检测器、气流检测器、化学检测器、辐射检测器或声学检测器。

还公开了使用这种系统以提供维修、操作、去污和停运的简便性的方法。

应当理解前述概述和下文详细描述这两者仅是示例性和说明性的，而不限制所要求保护的本发明。

附图说明

图1A-1D是根据本公开的核用HIP系统，该HIP系统包括底部装载式HIP(图1A)、外部的下头部(图1B)以及内部的下头部(图1C)和上头部(图1D)。

图2A-2C是根据本公开的核用HIP系统的不同透视图，包括顶视图(图2A)、端视图(图2B)和前视图(图2C)。

图3是根据本公开的核用HIP系统的类似于图1A的图，但是叉架处于打开位置。

应当理解前述概述和附图这两者仅是示例性和说明性的，而不限制所要求保护的本发明。

具体实施方式

公开了用于有毒和/或核环境的多壁HIP容器以及使用其的方法的实施例。在一个实施例中，多壁容器包括双壁容器，并且包括位于容器壳体之间的泄漏检测系统。通过设有位于容器壳体之间的泄漏检测系统，可以测量气体泄漏(例如从密封件处泄漏)，以提供关于密封件丧失性能并需要更换的早期指示。因而，在一个实施例中，泄漏检测系统重复地位于容器的两端处，以提供关于容器破裂和/或从密封件处泄漏的早期指示，并且由此触发安全系统。

在双壁/壳体容器的一些实施例中，可以在容器壳体中机加工小的螺旋凹槽，使得螺旋凹槽位于同心的容器之间。这样，螺旋凹槽可以机加工在内部容器的外侧上或外部容器的内径内侧上。当经由冷缩配合而组装两个同心容器并且各容器在一起时，凹槽形成了从容器的顶部通向底部的通道或路径。通过使用这种设计，申请人已经发现如果在容器的第一壁上产生了贯穿裂缝，则HIP中所容纳的气体将在容器壁之间泄漏，并且气体将行进通过最小阻力路径并流入凹槽状通道中。此外，凹槽状通道形成路径以允许泄漏的气体行进至容器的端部并且维持包含于其中。

在一个实施例中，多壁容器包括桥接多个同心容器壳体的界面的端板，这可以允许气体进一步经由管道工程导向检测装置以感测泄漏。

在一个实施例中，可以使用一种或多种技术实现对气体泄漏的感测，包括测量容器壁之间的压力增加、气流改变、或者化学检测器(例如气体检测器)。因而，在各个实施例中，在多壁HIP容器的容器壁之间容纳以下中的至少一者：压力传感器、流动传感器、气体分析仪、辐射检测器、Geiger计数器、或其组合。

在例如通过使用前述方法中的一种检测到不需要的气体时，所公开的系统构造成打开HIP的排气口以快速降低压力，防止裂缝进一步增长。此外，控制系统可以关闭供应至炉的电力，以进一步防止经由气体热膨胀而导致的任何压力增大。

除了检测相关联的同心容器之间的气体泄漏和/或容器壁的裂口之外，本发明还描述了一种检测容器裂缝的方法。在一个实施例中，通过在容器上装配听测容器壁中的裂缝形成的声学传感器和/或振动传感器，可以完成容器裂缝检测。在一个实施例中，通过首先确定容器在加应力(最大压力)状态和无应力(大气压)状态下的指纹信号来完成该检测。还可以确定容器的声学信号，用于系统的加压和加热循环的其他中间处理。通过将声波传递至容器壁并且在记录传感器上记录响应或传递，可以确定声学指纹信号。

通过使用前述规定以确定容器的基线声学“指纹”，不仅可以确定在负载下是否形成了任何裂缝，而且还可以确定裂缝的尺寸。在其中检测得的裂缝比容器设计的临界裂缝长度更长的那些情况下，可以采取行动以安全地关闭HIP。这样，所公开的裂缝检测系统与气体检测系统一样，构造成在HIP循环期间提供实时数据。

除了所述气体检测和裂缝检测系统之外，所述系统还使用可计量的数据实时监视叉架的状况。例如，在一些实施例中，使用应变仪以确定由于裂缝增长引起的额外变形，并且任何大于正常值的更大拉伸将导致控制系统通风并关闭HIP，如在声学监控期间的情况一样。该系统能够实时监控，从而在会发生安全问题之前可以立即采取迅速行动。在一些实施例中，所公开的系统包括多个独立的检测和警报控制系统。结果，所公开的系统通过各种不同的技术和设备而提供温度和压力控制的多样性以及变化水平和冗余类型。

在一个实施例中，HIP控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)或其它类似的可编程控制器来控制加热和加压速率，其中通过控制自动通风口来控制气压。独立的“硬接线”警报控制系统确保如果PLC发生故障，则其不可能导致将损坏HIP系统的不安全的温度和/或压力状况，因为炉或产品过热会导致这两者融化。结果，HIP系统构造成手动或远程地装载所公开的系统。

参考附图，图1A示出了根据本公开的一个实施例的底部装载式HIP系统的总体布置。图1A的示例性实施例包括多壁容器。在这种情况下，示出了双壁容器110。双壁容器110具有“爆炸前泄漏”设计以减少灾难性故障。在示例性的实施例中，外部容器容纳任何可能的碎屑，防止其成为对安全壳结构(热单元)或人员造成损伤的发射物。容器材料可以包括美国机械工程师学会(ASME)标准合规性材料，其是加有涂层(例如Ni涂层/镀层)以在从正处理的产品释放放射性材料的情况下易于去污以及耐腐蚀的ASME标准认可的合金或不锈钢。特别地，容器材料可以根据ASME标准的规定基于其韧性断裂模式而选择。结构的材料可以是不锈钢或电镀材料，以消除腐蚀和/或应力腐蚀开裂的风险。

在图1A所示的示例性实施例中，该系统还包括HIP框架160和叉架130(多元件)。该实施例中所示的叉架130包括三个元件。在一个实施例中，叉架130设计成覆盖端盖开口的整个范围。多元件式叉架130设计的一个优点是：叉架130组件的一个元件可以发生故障，而其他元件能够保持处于封闭中，从而允许压力释放，但仍然容纳可能导致对安全壳结构(热单元)或人员造成损伤的部件。

图1A还描述了位于叉架130的元件上的一系列应变仪150。应变仪150可以收集并提供HIP运转期间的实时应力数据。应变仪150装配至叉架130，这进而提供了在线监视能力，例如叉架变形的状况。因而，在示例性的实施例中，提供了对可能故障的早期指示。在一些实施例中，早期指示可以帮助触发预防性安全系统(压力排放)。

在图1A的示例性实施例中是底部装载式HIP系统。示例性的实施例允许将要被按压的部件从底部装载在HIP罐(由HIP罐区域140表示)中。HIP罐区域140可以使用各种机构170而升高，所述机构170的非限制性示例包括电动提升机、液压缸、气压缸或机器螺杆、或所有这三者的组合。

在另一实施例中，可以具有双底部封壳。该设计允许炉和热障位于容器中的合适位置处，并且工件装载头部独立地降低。例如，组件能够从容器下方移出，以允许将部件装载在平台上。然后，已装载的平台可以移回至容器下方，并且由机构170上升进入炉中。

参考图1B，示出了系统的外部的下头部175。炉和热障(隔热)层可以支撑在该外部的下头部175上。此外，用于炉的电力和信号数据可以通过外部的下头部175。外部的下头部175可以维持在容器中，而内部的下头部180降低以接收要被热等静压的部件。在一个实施例中，该构件可以经由在收到信号命令后可以自动锁定或释放的锁定销而锁定在合适的位置处。

参考图1C，示出了系统的内部的下头部180。内部的下头部180保持负载支架，在所述负载支架上放置要被热等静压的构件(由HIP罐区域140表示)。内部的下头部180或其部分的尺寸适于装配在外部的下头部175的内径中。而且，内部的下头部180具有在插入外部的下头部175的孔中时接合的密封元件。进而，外部的下头部175针对容器的孔被密封。此外，当装载和卸载要被按压的部件时，内部的下头部180将炉和热障保持处于合适的位置处。该实施例的优点是内部的下头部180延长了炉和热障的使用寿命。

内部的下头部180具有将其附加至外部的下头部175的自动(气压)销/缸182。例如，外部的下头部175的大小、尺寸和/或构造设计成经由销/缸182而可操作地与内部的下头部180联接和分离。在本实施例中，内部的下头部180在升高时与外部的下头部175接合，并且销锁定至外部的下头部。随后，活塞可以降低，以允许叉架跨越系统120的上头部(图1D中所示)和容器110的下头部175、180移动的路径。

参考图2A-2C，示出了根据本公开的核用HIP系统的不同透视图，包括顶视图(图2A)、端视图(图2B)和前视图(图2C)。参考图2A，示出了容器110和系统的顶视图，应当注意到，对于部件装载引导件210，如果部件由高架起重机装载，则其居中以放置在内部的下头部的装载平台上。

图2C示出了内部的下头部180(参见图1C)可以在轨道或引导件220上推动、拉动或驱动。当内部的下头部在容器孔下方移动至对应于容器孔中心线的区域时，内部的下头部180可以通过机构170(参见图1A)(例如构造成向上驱动进入容器110中的缸或马达螺杆)而升高。一旦处于合适的位置中，则销/缸182将头部锁定在合适的位置处并且升降机活塞(ram)或驱动器缩回，并且叉架在与HIP容器的中心线相对应的区域上移动。图2C还示出了叉架130位于闭合位置230A和打开位置230B。在示例性实施例中，机构170(提升缸)从地面中的凹坑向上升起。然而，机构170替代地可以与容器110成直线地安装，并且向上拉动/推动头部，并且清扫叉架130的通路以便跨越地移动。

图3示出了位于支架上的容器，并且主要有附加特征和/或元件。这些特征/元件可以包括双壁容器310，在容器315的两端上具有泄漏检测板。示例性的实施例还示出了围绕炉330的热障层，例如隔热层320。装载平台340可以保持、装载和卸载HIP罐。在示例性的实施例中，叉架处于打开位置230B状态。

图3中示出的其他元件包括位于头部载体370的顶部上的内部的下头部180(从图1C中可见)、以及外部的下头部175(从图1B中可见)。此外，示出了举起外部的下头部175(炉头部)的销/致动器350。最后，示出了外部的下头部推动/拉动设备360，所述设备360构造成可移除地联接至内部的下头部180，并且在内部的下头部180处于下部位置时在与机构170的升/降方向垂直的方向上推动/拉动内部的下头部180。这可能是尤为有利的，例如当为了维修或修理而将下部炉/热障下降至外部位置处时。在示例性的实施例中，当内部的下头部进入接触位置并且准备要升高时，外部的下头部推动/拉动设备360可以脱离。联接/脱离可以以各种方式进行。例如，当销脱离时，内部的下头部180可以下降，由此使炉头部同时下降。内部的下头部180和/或炉头部可以从下降位置移动至系统的外部位置，由此允许进入以进行维护。

工业实用性

如图所示，描述了一种核用热等静压机(HIP)系统，包括：高温HIP炉；围绕炉的多壁容器，其中多壁容器包括容纳在壁之间的至少一个检测器，以检测气体泄漏、容器壁中的裂缝或这两者。所述至少一个检测器可以包括压力检测器、气流检测器、气体分析仪、辐射检测器或声学检测器。

还描述了一种系统，所述系统包括位于炉的顶部和下方的多个头部，包括上头部、外部的下头部和内部的下头部。在一个实施例中，外部的下头部构造成允许炉坐落于其上。外部的下头部还可以锁定至容器，而内部的下头部可以降低以接收要被热等静压的部件。在一个实施例中，内部的下头部构造成保持其上放置要被热等静压的部件的支架，并且构造成允许其装配在外部的下头部的内径中。内部的下头部还可以包含至少一个密封件以与外部的下头部形成密封，和/或在装载和卸载要被按压的部件时将炉和热障保持在合适的位置处。内部的下头部还可以包括将其联接至外部的下头部的至少一个气动销、缸或夹具。同样地，上头部通常位于炉的顶部上，并且坐落于容器的孔内。

在一个实施例中，所述的核用HIP系统包括叉架和叉架框架。叉架可以包括多个元件，并且构造成在叉架的一个元件发生故障时允许叉架框架维持操作。在另一实施例中包括位于叉架上的至少一个应变仪，所述应变仪构造成在HIP运行期间收集并提供实时应力数据。

所述的核用热等静压机(HIP)系统还包括构造成将HIP罐装载至高温HIP炉和卸载HIP罐的提升机构。装载元件的非限制性示例包括将HIP罐从HIP系统外侧装载至HIP炉以及卸载HIP罐的电动提升机、液压缸、气压缸、机器螺杆或其组合。

在一个实施例中，装载元件包括底部装载式设计，并且该系统还可以包括双底部封壳设计，以在从系统移除已被热等静压的部件时允许炉和热障停留在容器内的合适位置处。

在一个实施例中，多壁容器包括两个同心的容器。该实施例还可以包含位于容器之间的至少一个凹槽，其中所述凹槽包含在内部容器的外侧中或者外部容器的内侧上或这两者上，并且形成一条或多条通路以供位于容器壁之间的气体行进。

核用HIP系统还可以包括位于炉和多壁容器之间的至少一个热障层。

在一个实施例中，使用弹簧加载的插锁将HIP系统的炉锁定在合适的位置处以进行正常操作。插锁可以手动或自动地启动。

在另一实施例中，公开了一种使用本文所述的核用HIP系统来热等静压材料的方法，所述材料包含至少一种重金属、有毒物质或放射性同位素。这种材料的非限制性示例包括所有已知成分，包括废核燃料、汞、镉、钌、铯、镁、钚、铝、石墨、铀以及其他核电厂退役废料、沸石材料和污染土壤。

通过考虑本文公开的说明书并实践本发明，本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和示例仅旨在被理解为示例性的，并且本发明的真正范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种核用热等静压机(HIP)系统，包括：

高温HIP炉；

围绕炉的多壁容器，其中多壁容器包括容纳在壁之间的至少一个检测器，以检测气体泄漏、容器壁中的裂缝或这两者；

位于炉的顶部和下方的多个头部；

叉架和叉架框架；以及

提升机构，所述提升机构构造成将HIP罐装载至高温HIP炉以及卸载HIP罐。

2.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，所述至少一个检测器包括压力检测器、气流检测器、气体分析仪、辐射检测器或声学检测器。

3.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，多壁容器包括两个同心容器。

4.根据权利要求3所述的核用HIP系统，其中，两个同心容器包含位于容器之间的至少一个凹槽，其中所述凹槽包含在内部容器的外侧中或者外部容器的内侧上或这两者中，并且形成一条或多条通路以供位于容器壁之间的气体行进。

5.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，叉架包括多个元件并且构造成在叉架的一个元件发生故障时允许叉架框架维持操作。

6.根据权利要求1所述的核用HIP系统，还包括位于叉架上的至少一个应变仪，所述应变仪构造成在HIP运行期间收集并提供实时应力数据。

7.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，多个头部包括上头部、外部的下头部和内部的下头部。

8.根据权利要求7所述的核用HIP系统，其中，外部的下头部构造成允许炉坐落于其上。

9.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，外部的下头部能够锁定至容器，而内部的下头部能够下降以接收要被热等静压的部件。

10.根据权利要求7所述的核用HIP系统，其中，内部的下头部构造成保持其上放置要被热等静压的部件的支架，并且构造成允许内部的下头部装配在外部的下头部的内径中。

11.根据权利要求7所述的核用HIP系统，其中，内部的下头部包含至少一个密封件，以与外部的下头部形成密封，和/或在装载和卸载要被按压的部件时将炉和热障保持在合适的位置处。

12.根据权利要求7所述的核用HIP系统，其中，内部的下头部包括将内部的下头部联接至外部的下头部的至少一个气动销、缸或夹具。

13.根据权利要求7所述的核用HIP系统，其中，上头部位于炉的顶部上并且坐落于容器的孔中。

14.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，所述核用HIP系统包括包含电动提升机、液压缸、气压缸、机器螺杆或其组合的装载元件，以将HIP罐从HIP系统外侧装载至HIP炉以及卸载HIP罐。

15.根据权利要求14所述的核用HIP系统，其中，装载元件包括底部装载式设计。

16.根据权利要求15所述的核用HIP系统，其中，所述核用HIP系统还包括双底部封壳设计，以便在从核用HIP系统中移除已被热等静压的部件时允许炉和热障停留在容器内的合适位置处。

17.根据权利要求1所述的核用HIP系统，其中，使用弹簧加载的插锁将炉锁定在合适的位置处，以进行正常操作。

18.根据权利要求17所述的核用HIP系统，其中，插锁可以手动或自动地致动。

19.根据权利要求1所述的核用HIP系统，还包括位于炉和多壁容器之间的至少一个热障层。

20.一种使用根据权利要求1所述的核用HIP系统来热等静压材料的方法，所述材料包含至少一种重金属或放射性同位素。