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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung einer Wandfläche eines insbesondere rohrförmigen Hohlkörpers im oberflächennahen Bereich, insbesondere beim Rückbau kerntechnischer Anlagen, die eine Fokussieroptik mit zumindest einem Ablenkelement zur Fokussierung einer zugeführten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere einer Laserstrahlung, auf einen punktförmigen Bereich der Wandfläche aufweist.
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Beim Abbau und im Betrieb kerntechnischer Anlagen fällt in großem Umfang kontaminierter metallischer Schrott an, der beseitigt oder verwertet werden muss. Es ist üblich, diesen Schrott der sogenannten Schmelzdekontamination zu untererziehen. Dabei wird das Metall aufgeschmolzen. Einige die Kontamination verursachenden radioaktiven Stoffe, die sich vor dem Aufschmelzen auf der Oberfläche der Metallteile befunden haben, werden während des Schmelzdekontaminationsprozesses in die sich bildende Schlacke eingebunden. Die radioaktiven Elemente, wie beispielsweise Uran, Neptunium und Plutonium, sammeln sich in der Schlacke an. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 33 18 377 A1 bekannt. Bei der
DE 692 19 114 T2 wird die kontaminierte Oberfläche mit einem Laser aufgeschmolzen. Dabei werden die Kontaminationsstoffe in die Oberfläche eingeschmolzen und so fixiert. Zum sicheren Einschmelzen wird die Oberfläche mit einem gut schmelzbaren Material, wie beispielsweise Glas, beschichtet.
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Aus dem Stand der Technik sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, mit denen im Umfeld von kerntechnischen Anlagen Trennprozesse durchgeführt werden können. So offenbart beispielsweise die
DE 22 63 143 A1 eine Inspektions- und Reparatureinrichtung für Dampferzeuger, durch die verschiedene Mess- und Reparatureinrichtungen sowie Werkzeuge in Längsrichtung in die Rohre des Dampferzeugers eines Druckwasserreaktors geführt werden können.
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Bei der
DE 20 2018 100 057 U1 wird ein Hohlkörper in einer geschützten Atmosphäre mittels eines Laserbearbeitungswerkzeuges geöffnet, indem der Laserstrahl entlang der Außenwandfläche in Längsrichtung geführt wird, sodass Halbschalen entstehen. Die durch das thermische Trennverfahren mittels der Laserstrahlung entstehenden Emissionen werden durch eine Absaugung entfernt.
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Die
DE 44 45 171 C2 beschreibt ein Verfahren zum Zerlegen von Druckbehälter-Einbauten einer kerntechnischen Anlage durch Plasmaschneiden und das Trennen in transportfähige Teile.
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Aus der
DE 34 27 377 C2 ist ein Rohrtrennschergerät zum fernbedienbaren Trennen von Rohrleitungen, beispielsweise in Prozesszellen der kerntechnischen Wiederaufarbeitung mittels Schneidrollen bekannt.
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Die
EP 2 898 975 A1 betrifft ein Erodierverfahren zum Bearbeiten hohlzylindrischer Werkstücke, beispielsweise Rohre oder Leitungen, in einer kerntechnischen Anlage oder Reaktoranlage, die im eingebauten Zustand getrennt oder abgeschnitten werden können.
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Vor dem Hintergrund der Schonung knapper werdender Ressourcen entsteht ein Anreiz für das Recycling von metallischen Reststoffen und deren Verwendung als Sekundärrohstoff in der Neuproduktion.
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Als problematisch hat es sich erwiesen, dass bei Hohlkörpern, insbesondere bei Rohrleitungen mit kleinen Innendurchmessern, eine Beurteilung hinsichtlich ihres Kontaminationsgrads messtechnisch derzeit nicht zuverlässig möglich ist. Infolgedessen werden die Hohlkörper üblicherweise eingeschmolzen. Dabei ist die Minimierung des kontaminierten Abfallvolumens, insbesondere auch der zusätzlichen, durch den erforderlichen Trennprozess anfallenden losen Reststoffe und Partikel, im Hinblick auf die daraus folgende Kosteneinsparungen für das Recycling von entscheidender Bedeutung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den Trennprozess eines Hohlkörpers wesentlich effizienter durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine in den Hohlkörper einführbare Lanze als Träger des Ablenkelements auf, welches zum Einbringen einer umlaufenden Durchbrechung in die Wandfläche und zum Trennen des Hohlkörpers in mehrere Abschnitte, insbesondere um die Längsachse der Lanze relativ zu dem Hohlkörper mittels eines Antriebs rotatorisch oder oszillierend beweglich antreibbar ist. In überraschend einfacher Weise wird mittels der elektromagnetischen Strahlung, die vorzugsweise entlang einer Querschnittsebene des Hohlkörpers durch die Bewegung des Ablenkelements zu einem Durchtrennen der Wandfläche des Hohlkörpers führt, nicht nur eine sehr schnelle und vor allem weitestgehend partikelfreie Trennung erreicht. Vielmehr werden zugleich mögliche Anhaftungen an der Wandfläche, die sich gegebenenfalls infolge des Trennprozesses lösen könnten, zuverlässig dekontaminiert und können daher ohne Risiko für die Umwelt aufgefangen und entsorgt werden. Erstmals wird so ein Trennprozess geschaffen, welcher zu einer effizienten Reduzierung des kontaminierten Abfallvolumens führt. Im Gegensatz zu den üblichen Trennverfahren mit thermischer oder spanender Bearbeitung, erfolgt erfindungsgemäß die Bearbeitung von innen nach außen, sodass der energiereiche Strahl zunächst auf die Ablagerungen an der Wandfläche trifft und diese dekontaminiert, bevor es zu einer anschließenden Durchbrechung der Wandfläche kommt, durch die ungebundene Partikel nach außen dringen könnten.
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Dabei wird erstmals auch die Möglichkeit geschaffen, Hohlkörper mit sehr geringen Innendurchmessern im Bereich ab ca. 9 mm zuverlässig von innen nach außen zu durchtrennen und somit den Hohlkörper einem Recycling zuzuführen, ohne diesen zuvor öffnen zu müssen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient eine Lanze als Träger der Fokussieroptik, die so problemlos selbst unter beengten Platzverhältnissen in den Hohlkörper eingeführt werden kann, wobei die Lanze gegebenenfalls auch flexibel oder quer zur Haupterstreckung auslenkbar sein kann.
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Zur Positionierung wird die Lanze manuell in den Hohlkörper eingeführt, wobei vor allem bei sehr langen bzw. großen Hohlkörpern ein beispielsweise elektrischer oder auch pneumatischer Antrieb zur translatorischen Bewegung der Lanze in dem Hohlkörper vorgesehen sein kann.
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Die rotatorische oder oszillierende Drehbewegung des Ablenkelements, vorzugsweise in Verbindung mit der Fokussieroptik, wird aktiviert, sobald die Trennstelle in dem Hohlkörper erreicht ist.
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Obwohl insbesondere bei kreisförmigen Rohrquerschnitten die translatorische Bewegung parallel zu der Längsachse des Hohlkörpers ausreicht, kann die Vorrichtung zusätzlich weitere Bewegungsfreiheitsgrade quer zur Längsachse aufweisen, um so einen im Wesentlichen konstanten Abstand des Ablenkelements von der Wandfläche durch eine Querbewegung der Lanze einstellen zu können.
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Obwohl die Erfindung grundsätzlich von einer rotatorischen Bewegung der Lanze bzw. des Ablenkelements ausgeht, kann selbstverständlich auch in einer kinematischen Umkehr der Hohlkörper entsprechend bewegt werden, indem der Hohlkörper mittels der Vorrichtung in eine entsprechende Bewegung um die Lanze versetzt wird.
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Die Größe des punktförmigen Bereichs der Laserstrahlung auf der Wandfläche folgt dabei der erforderlichen Intensität der Behandlung und ist grundsätzlich von geringer flächiger Ausdehnung, jedoch wesentlich größer als null.
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Die elektromagnetische Strahlung kann eine ultraviolette, sichtbare oder infrarote Wellenlänge haben und entweder gepulst oder kontinuierlich sein. Die elektromagnetische Strahlung kann von einem Laser erzeugt werden, beispielsweise von einem Gaslaser, beispielsweise einem CO2-Gaslaser, einem Festkörperlaser, beispielsweise einem Nd-YAG-Laser, einem Excimer-Laser, einem Farbstofflaser, einem Freie-Elektronen-Laser oder einem Halbleiter-Laser.
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Zur Strahlablenkung könnten verschiedene, an sich bekannte Elemente einschließlich akustooptischer oder elektrooptischer Modulatoren verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird hingegen dadurch realisiert, dass das Ablenkelement einen Reflektor und/oder ein Prisma aufweist.
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Eine besonders praxisgerechte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Lanze eine Einlassöffnung für eine Gasströmung, insbesondere Luftströmung, und eine den Strahlengang der Strahlung einschließende Öffnung für die in die Lanze eingekoppelte Gasströmung aufweist. Hierdurch kann ein unerwünschtes Anhaften von Partikeln oder ein Niederschlag gasförmiger Substanzen auf dem Ablenkelement zuverlässig vermieden werden, indem der austretende elektromagnetische Strahl von einer Gasströmung eingeschlossen ist.
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Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die an der Lanze zumindest einen um die Längsachse der Lanze drehbeweglich angeordneten Führungskörper zur Anlage an die Wandfläche des Hohlkörpers aufweist, wobei mehrere Führungskörper in axialer Richtung beiderseits der Öffnung für die elektromagnetische Strahlung vorgesehen sein können. Diese dienen als Widerlager bei der Drehbewegung des Ablenkelements und können beispielsweise abschnittsweise elastische Eigenschaften aufweisen. Besonders bevorzugt weist der Führungskörper eine polygonale Querschnittsform auf, um so eine unerwünschte axiale Verlagerung während der Drehbewegung zu vermeiden.
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Darüber hinaus kann zumindest ein Führungskörper auch mit einem Spreizkörper zur vorübergehenden kraftschlüssigen Fixierung an der Innenwandfläche des Hohlkörpers ausgestattet sein.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Lanze ein Lichtleitelement, beispielsweise einen Lichtwellenleiter auf, durch welchen die elektromagnetische Strahlung der Fokussieroptik oder dem Ablenkelement zuführbar ist. Hierdurch ist die Vorrichtung nicht auf die Anwendung bei gestreckten Formen des Hohlkörpers beschränkt, sondern gestattet darüber hinaus die Anwendung bei einem bogenförmigen Verlauf des Hohlkörpers einschließlich Rohrbögen mit engen Radien. Hierzu hat die Lanze beispielsweise einen flexiblen oder aus mehreren beweglich verbundenen Segmenten aufgebauten Grundkörper, welcher dem Rohrverlauf problemlos folgen kann, wobei sich bereits eine selbsttätig in die gerade bzw. gestreckte Form zurückkehrende, elastisch verformbare Konstruktion als sinnvoll erwiesen hat. Das Lichtleitelement ist seinerseits flexibel und ist zweckmäßigerweise von dem Grundkörper eingeschlossen. Beispielsweise eignet sich hierzu eine Schraubenfeder oder ein Gittergeflecht als Grundkörper, der einen Lichtwellenleiter aufnimmt.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Lanze mit einem Signalgeber zur Erfassung der axialen Position oder der relativen Winkellage der Lanze gegenüber dem Hohlkörper ausgestattet ist, um so einer vollständiger Umlauf der Durchbrechung in der Wandfläche in der gewünschten axialen Position und der entsprechenden Länge des Reststücks des Hohlkörpers zu gewährleisten.
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Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung auch mit einem Längenanschlag zur Begrenzung der axialen Einschubtiefe der Lanze in den Hohlkörper ausgestattet sein, um so in einfacher Weise eine konstante Einschubtiefe bei einer Vielzahl von zu trennenden Hohlkörpern sicherzustellen.
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Selbstverständlich kann im Bereich der Austrittsöffnung der elektromagnetischen Strahlung auch ein Sensor, insbesondere ein beispielsweise als Kamera ausgeführter Bildsensor angeordnet sein, um so dem Bediener mittels eines Displays der Vorrichtung einen schnellen visuellen Eindruck der Bearbeitungszone zu verschaffen. Dadurch eignet sich die Vorrichtung besonders bevorzugt auch als eine mobil mitführbare Handvorrichtung zur manuellen Betätigung.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch mit einem Verfahren zur Bearbeitung zumindest eines insbesondere rohrförmigen Hohlkörpers, bei dem ein elektromagnetischer Strahl auf einen Bereich der Wandfläche abgelenkt wird, dadurch gelöst, dass das Ablenkelement und der Hohlkörper rotatorisch und/oder oszillierend bezogen auf die Hauptachse des Hohlkörpers relativ zueinander bewegt werden. Durch die relative Drehbewegung zwischen dem Hohlkörper und dem Ablenkelement folgt der Fokus einer geschlossenen Umfangslinie entlang der Wandfläche, wobei sich in der Praxis eine kreisringförmige Trennlinie ergibt. Durch geeignete Sensoren, insbesondere auch Bildsensoren, kann der Trennprozess überwacht und die Bewegung entsprechend angepasst werden. Dadurch ergibt sich ein erheblich optimierter Bearbeitungsfortschritt. In Verbindung mit einer Absaugung werden gasförmige, feste und gegebenenfalls auch flüssige Abtragsbestandteile zuverlässig abgeführt.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung mit einer in einen rohrförmigen Hohlkörper einführbaren Lanze;
- 2 eine vergrößerte Detaildarstellung eines Kopfbereichs der Lanze;
- 3 eine perspektivische Darstellung der in 2 gezeigten Kopfbereichs.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Durchtrennen einer Wandfläche 2, eines lediglich andeutungsweise dargestellten rohrförmigen Hohlkörpers 3 wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Die Vorrichtung 1 hat ein Bedienelement 4, welches eine in den Hohlkörper 3 einführbare Lanze 5 auswechselbar aufnimmt. Mit ihrem einem Bearbeitungskopf 6 der Lanze 5 abgewandten stirnseitigen Ende ist die Lanze 5 mit einem Anschluss 7 für eine nicht gezeigte Strahlungsquelle verbunden. Die Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt, sobald das Bedienelement 4 mittels einer Leitung 8 mit einem nicht gezeigten Steuergerät verbunden ist und ein Schaltelement 9 betätigt wird. Durch die Betätigung des Schaltelements 9 wird einerseits die Zuführung der elektromagnetischen Strahlung, andererseits ein als Stellmotor ausgeführter elektrischer Antrieb 10 aktiviert, welcher die Lanze 5 in eine Rotation versetzt. Indem die Lanze 5 um ihre Längsachse 11 relativ zu dem Hohlkörper 3 in Pfeilrichtung 12 rotatorisch angetrieben wird, folgt der mittels einer Fokussieroptik 18 einstellbare und mittels eines in 2 näher dargestellten, als Prisma ausgeführten Ablenkelements 17 auf die Wandfläche 2 des Hohlkörpers 3 abgelenkte Fokuspunkt einer Kreisbahn, sodass sich eine in der Querschnittsebene des Hohlkörpers 3 umlaufende Bearbeitungslinie auf der Wandfläche 2 des Hohlkörpers 3 ergibt. Die Intensität der Strahlung ist dabei so bemessen, dass es zu einer vollständigen Durchbrechung der Wandfläche 2 und schließlich zur Durchtrennung des Hohlkörpers 3 kommt. Während der Drehung liegen zwei gegenüber der Lanze 5 drehbewegliche Führungskörper 13 gegen die Wandfläche 2 an und verhindern dadurch eine unerwünschte seitliche Auslenkung während der Drehbewegung. Zugleich ist die axiale Position durch einen Längenanschlag 14 an dem Bedienelement 4 festgelegt, gegen dessen konkave Anlagefläche der Hohlkörper 3 während des Trennprozesses anliegt, wobei auch eine nicht gezeigte Fixierung vorgesehen sein kann. Um eine unerwünschte Ablagerung von Partikeln auf dem Ablenkelement 17 zu vermeiden, ist die Vorrichtung 1 mit einem Druckluftanschluss 15 ausgestattet, durch den im Inneren der Lanze 5 ein Überdruck sichergestellt ist. Die zugeführt Druckluft tritt gemeinsam mit der Strahlung durch eine Öffnung 16 in der Lanze 5 aus und wird durch eine nicht gezeigte Absaugung zusammen mit gelösten Partikeln einer Entsorgung zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Wandfläche
- 3
- Hohlkörper
- 4
- Bedienelement
- 5
- Lanze
- 6
- Bearbeitungskopf
- 7
- Anschluss
- 8
- Leitung
- 9
- Schaltelement
- 10
- Antrieb
- 11
- Längsachse
- 12
- Pfeilrichtung
- 13
- Führungskörper
- 14
- Längenanschlag
- 15
- Druckluftanschluss
- 16
- Öffnung
- 17
- Ablenkelement
- 18
- Fokussieroptik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3318377 A1 [0002]
- DE 69219114 T2 [0002]
- DE 2263143 A1 [0003]
- DE 202018100057 U1 [0004]
- DE 4445171 C2 [0005]
- DE 3427377 C2 [0006]
- EP 2898975 A1 [0007]
