JP2008216222A - 差圧計測配管の振動監視装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉圧力容器の外側に導出された差圧計測配管の圧力を測定し、この圧力信号から差圧計測配管の振動を推定する。
【解決手段】本発明は、原子炉圧力容器１の冷却材を循環する再循環ポンプ４の圧力脈動を計測する差圧計測配管の振動監視装置１１において、原子炉圧力容器１内に設置されたジェットポンプ１０に接続され原子炉圧力容器１の外部に導出された差圧計測配管５と、原子炉圧力容器１の外部に導出された差圧計測配管５に設置された再循環ポンプ４の周波数に応答する圧力を測定する圧力センサ６と、圧力センサ６から伝達される圧力信号の変動振幅の大きさが算出され表示される算出手段１２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉における再循環ポンプに起因する圧力脈動を監視する差圧計測配管の振動監視装置及びその方法に関する。

沸騰水型原子炉においては、再循環ポンプの回転数に比例する振動数を有する圧力脈動が存在し、羽根切り圧力脈動といわれている。このためポンプの運転状態によっては、この羽根切り圧力脈動の振動数と炉内に据え付けられた構造物の固有振動数が一致して、構造物に高いレベルの振動を引き起こし、構造物の疲労損傷をまねくことがある。代表例としては、ジェットポンプのディフューザに接続し流量計測のための差圧を伝送することを目的として設置されている圧力伝送管（以下、差圧計測配管という。）が羽根切り圧力脈動と共振する事例が知られており（例えば、特許文献１参照）、また、ジェットポンプのディフューザ自体も共振する可能性がある。

このような原子炉内の圧力変動を測定又は監視する方法として、原子炉内に直接圧力センサを設置して測定する方法、再循環配管に圧力測定孔を設け圧力センサを設置して音響解析によって炉内変動圧力を推定する方法、再循環配管の表面のひずみを測定し構造解析によって配管内の脈動を推定する方法又は音響解析により炉内変動圧力を推定する方法等がある。また、原子炉内の構造物の振動を測定又は監視する方法として、原子炉内に直接振動センサを設置して測定する方法又は原子炉外から超音波を照射してこの反射波から振動を推定する方法等がある。
特開平１０−２３９４７９号公報

上述した圧力変動監視方法の内、炉内に圧力センサや振動センサを直接設置する方法は、精度は良いが設置工事に多額の費用が必要である。また、センサやケーブルの原子炉内での耐久年数も限定されるために、長期間の使用には不向きである、という課題があった。

また、再循環配管において圧力や歪を測定する方法は、原子炉内での圧力変動を推定するために音響解析が必要であり、特に、差圧計測配管等の位置する点においては圧力変動推定には３次元解析が必要とされる。このことは、精度の面から３次元解析コードの検証作業等の手続きが必要になりこの作業が煩雑である、という課題があった。

また、超音波を炉外から照射する方法は、対象物が３次元的な引き廻し構造をもつときに、必ずしも振動方向に反射波を返してくれるとは限らないために、対象物が比較的大きいもの又は振動方向が限定されるものに制限される、という課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、原子炉の外部に引き出された差圧計測配管の圧力を測定し、この圧力信号から差圧計測配管の振動を推定する手段を提供する差圧計測配管の振動監視装置及びその方法を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、原子炉圧力容器の冷却材を循環する再循環ポンプの圧力脈動を計測する差圧計測配管の振動監視装置において、前記原子炉圧力容器内に設置されたジェットポンプに接続され前記原子炉圧力容器の外部に導出された差圧計測配管と、この原子炉圧力容器の外部に導出された差圧計測配管に設置された前記再循環ポンプの周波数に応答する圧力を測定する圧力センサと、この圧力センサから伝達される圧力信号の変動振幅の大きさが算出され表示される算出手段と、を有することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、原子炉圧力容器の冷却材を循環する再循環ポンプの圧力脈動を計測する差圧計測配管の振動監視方法において、前記原子炉圧力容器内に設置されたジェットポンプに接続された差圧計測配管を原子炉圧力容器の外部に導出する導出ステップと、この原子炉圧力容器の外部に導出された差圧計測配管に前記再循環ポンプの周波数に応答する圧力が測定される圧力センサを設置する設置ステップと、この圧力センサからの圧力信号の変動振幅の大きさが算出手段により算出され表示される算出ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の差圧計測配管の振動監視装置及びその監視方法によれば、原子炉圧力容器の外側に導出された差圧計測配管の圧力測定孔で圧力を測定し、この圧力信号から差圧計測配管の振動を推定することができる。

以下、本発明に係る差圧計測配管の振動監視装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態の差圧計測配管の振動監視装置の構成を示す縦断面図である。

本図に示すように、原子炉圧力容器１の外部には、冷却材を循環する再循環ポンプ４の圧力脈動を計測するための差圧計測配管の振動監視装置１１が設置されている。

この振動監視装置１１の構成についてまず説明する。

この再循環ポンプ４からの冷却材である駆動水は、原子炉圧力容器１内のジェットポンプ１０に供給される。このジェットポンプ１０は、原子炉圧力容器１の内壁面とシュラウド２の外壁面によっては包囲された二重円筒流路内に複数設置されている。このジェットポンプ１０の出口側のジェットポンプディフューザ３には差圧計測配管５が接続されている。この差圧計測配管５は原子炉圧力容器１の内壁を貫通して原子炉圧力容器１の外部へ導出されている。この外部に導出された差圧計測配管５の配管部の圧力測定孔６ａには、再循環ポンプ４の回転数と羽枚数の積である周波数に応答できる圧力を測定する圧力センサ６が設置されている。また、この圧力センサ６からの圧力信号の入力を受けて圧力信号の変動振幅の大きさが表示されあるいは記録される算出手段１２が、原子炉圧力容器１の外部に設置されている。

なお、ここでは算出手段１２が圧力信号の変動振幅の大きさを表示する手段および記録する手段のうち少なくとも一方を含んでいるものとする。

このように構成された本実施の形態において、上記再循環ポンプ４で発生する圧力脈動はこの差圧計測配管５の内側と外側で伝播する。差圧計測配管５の内側を伝播する圧力変動は同期しているために、差圧計測配管５が振動されることは少ない。しかし、差圧計測配管５の外側を伝播する圧力変動は、圧力脈動の空間内分布の差によって差圧計測配管５を振動させる。差圧計測配管５が振動しているときは、差圧計測配管５自身の振動によって差圧計測配管５内に圧力変動が生じる。したがって、圧力測定孔６ａを経由して差圧計測配管５内の圧力を測定する圧力センサ６は、差圧計測配管５の振動が大きいほど大きな振幅の圧力変動を指示することになる。上述のように差圧計測配管５内の圧力を測定することによって、差圧計測配管５の振動の傾向を知ることが可能である。

本実施の形態によれば、原子炉圧力容器１の外側に導出された差圧計測配管５の圧力測定孔６ａを経由して圧力センサ６で圧力を測定し、この圧力センサ６から伝達される圧力信号の変動振幅の大きさが算出手段によって表示され、差圧計測配管５の振動を推定することができる。

図２は、図１の原子炉圧力容器１のＩＩ部を拡大して示す横断面図であり、図３は、図２のジェットポンプディフューザ３の振動特性を示す説明図で、（ａ）はジェットポンプディフューザ（Ａ）３ａの圧力振幅変化を示すグラフ、（ｂ）はジェットポンプディフューザ（Ｂ）３ｂの圧力振幅変化を示すグラフである。図２は、図１のジェットポンプディフューザ３の横断面を示すものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、複数のジェットポンプディフューザ３からの差圧計測配管５が原子炉圧力容器１の外部へ導出され、この外部に導出された差圧計測配管５の配管部の圧力測定孔６ａには、図１に示す圧力センサ６が設置され、各圧力センサ６の圧力信号が振動監視装置１１の算出手段１２に導かれている。また、同一の再循環ポンプ４から冷却材である流体を供給され、かつ、算出手段１２によって、原子炉圧力容器１の周方向において同等な位置にあるジェットポンプディフューザ（Ａ）３ａ及びジェットポンプディフューザ（Ｂ）３ｂの２個からの差圧計測配管５の圧力信号を比較できるように構成されている。

このように構成された本実施の形態において、ジェットポンプディフューザ（Ａ）３ａ及びジェットポンプディフューザ（Ｂ）３ｂの２個からの差圧計測配管５は、原子炉圧力容器１及びシュラウド２で形成される二重円筒流路において振動の観点から同等な位置に存在するために、ほぼ同じ変動圧力が加振力として伝達されることになる。

一方、差圧計測配管５の原子炉圧力容器１からの差圧計測配管取り出し口７は、これらの２個のジェットポンプディフューザ（Ａ）３ａ及びジェットポンプディフューザ（Ｂ）３ｂの中心には存在しなのいで、差圧計測配管５の全長には差があり固有振動数にも差が生じる。

このために、図３に示すように再循環ポンプ４の回転数に対してそれぞれの差圧計測配管５に設置した圧力センサ６は異なる変化を示す。すなわち、図３（ａ）に示すジェットポンプディフューザ（Ａ）３ａの圧力振幅変化及び図３（ｂ）に示すジェットポンプディフューザ（Ｂ）３ｂの圧力振幅変化において、圧力変動自体のピークをもつ回転数は大幅に相違している。

図３（ａ）及び図３（ｂ）において、同一の再循環ポンプ４の回転数を計測しながら、ピークが生じている回転数に相違があるのは、差圧計測配管５が受ける加振力が相違するからである。一方で、異なる回転数においてピークが生じているのは、これに対応する羽根切り圧力脈動の周波数のそれぞれが固有振動数を持っているからである。従って、再循環ポンプ４の回転数を変化させて圧力振幅変化を測定することにより、差圧計測配管５の固有振動数を同定することができる。

本実施の形態によれば、原子炉圧力容器１の外側に導出された差圧計測配管５の圧力測定孔６ａで圧力を測定し、原子炉圧力容器１の周方向において同等な位置にあるジェットポンプディフューザ（Ａ）３ａ及びジェットポンプディフューザ（Ｂ）３ｂの２個からの差圧計測配管５の圧力信号を比較することで、、差圧計測配管５の固有振動数を同定することができる。また、この圧力信号から差圧計測配管５の振動を推定することができる。

本発明に係る差圧計測配管の振動監視装置の他の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図４は、圧力信号の周波数分析結果を示す説明図で、（ａ）は圧力信号の周波数分析結果を示すグラフ、（ｂ）は回転数の整数倍の周波数の変動の周波数分析結果を示すグラフ、（ｃ）は（ａ）の圧力信号の周波数分析結果から（ｂ）の回転数の整数倍の周波数の変動の周波数分析結果を差し引いた周波数分析結果を示すグラフである。

図１に示すように、圧力センサ６からの圧力信号は算出手段１２として機能するである周波数分析器に入力される。この周波数分析器において、再循環ポンプ４のポンプ回転数の信号に基づいて回転数の整数倍の周波数の信号のみを周波数分析結果から抜き出す処理手順と、これら周波数分析結果の差を算出する処理手順を経由して表示される。さらに、この周波数分析器において、設計データから構造振動解析によって予め算出された固有振動数を記憶しておく手順によっても処理される。

このように構成された本実施の形態において、圧力センサ６からの圧力信号に基づく算出手段１２の周波数分析結果は、図４（ａ）のように表示することができる。また同様に、再循環ポンプ４の回転数の整数倍の周波数の信号のみの周波数分析結果は、図４（ｂ）のように表示することができる。上述の図４（ａ）の圧力センサ６からの圧力信号の周波数分析結果から、図４（ｂ）の再循環ポンプ４の回転数の整数倍の周波数の信号のみの周波数分析結果を差し引くことにより、図４（ｃ）に示すように、再循環ポンプ４のポンプ回転数の整数倍以外の周波数のピークを抜き出すことができる。こうして、算出手段１２により、図４（ｃ）における（１）〜（３）のピークを、予め解析により算出された固有振動数（４）とそれぞれ比較することにより、図４の場合において、図中の（３）が実際の固有振動数であることが分る。

すなわち、再循環ポンプ４の回転数の整数倍の周波数以外の抜き出されたピークの周波数及び差圧計測配管５の設計データから構造振動解析によって予め算出された差圧計測配管５の固有振動数（４）を比較し、振動数差が最小となるピークの周波数が差圧計測配管５の測定固有振動数として、図中において（３）が表示される。

本実施の形態によれば、再循環ポンプ４の回転数における測定結果だけで差圧計測配管５の固有振動数を同定することができる。さらに、この圧力信号から差圧計測配管５の振動を推定することができる。

本発明に係る差圧計測配管の振動監視装置１１のさらに他の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図５は、帯域フィルタの説明図で、（ａ）は帯域フィルタの帯域特性を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）により分離した固有振動数に係る振動変位に対応する圧力信号の変動振幅を示すグラフである。

図１に示すように、圧力センサ６からの圧力信号は算出手段１２として機能する周波数分析器に入力される。この周波数分析器において、再循環ポンプ４のポンプ回転数の信号に基づいて回転数の整数倍の周波数の信号のみを周波数分析結果から抜出す処理手順と、これら周波数分析結果の差を計算する処理手順を経由して処理される。さらに、この周波数分析器は、設計データに基づいて構造振動解析によって予め算出された固有振動数を記憶しておく手順によっても処理される。

さらに、差圧計測配管の振動監視装置１１は、上述の手順で同定された固有振動数を中心周波数とする帯域フィルタを有している。また、構造振動解析により予め算出された振動変位と変動圧力の比及び振動変位と最大ひずみ振幅の比を記憶する手順と、この構造物の疲労限界に対応する歪を記憶して両者を比較する手順によって処理される。

このように構成された本実施の形態において、図５（ａ）のような帯域特性を有する帯域フィルタによって固有振動数に対応する圧力変動のみを分離することができる。この分離した固有振動数に対応する圧力変動を用いて、図５（ｂ）に示すように、再循環ポンプ４のポンプ回転数に係る振動変位に対応する圧力変動に対応する圧力信号の変動振幅を測定することができる。

また、差圧計測配管５の測定振動変位より算出される差圧計測配管５の最大ひずみ振幅及び差圧計測配管５を構成する材料の疲労限度から算出される許容ひずみ振幅を比較し、最大ひずみ振幅が許容ひずみ振幅を超えたときに視覚的又は聴覚的な警告を発する警告手段を有する。

本実施の形態において、差圧計測配管５の設計データから構造振動解析によって予め算出された差圧計測配管の振動変位に対する最大ひずみ振幅量の比と差圧計測配管５の測定振動変位との積を、差圧計測配管５の最大ひずみ振幅として算出することができる。また、この運転温度と差圧計測配管５を構成する材料の疲労限度から算出される許容ひずみ振幅量を算出することができる。この最大ひずみ振幅が許容ひずみ振幅を超えた場合に監視員または運転員に視覚的または聴覚的な警告を発することができる。

本実施の形態によれば、各運転状態においてこれらの圧力変動から振動変位又は最大ひずみ振幅を算出し、疲労限界と比較することにより、視覚的又は聴覚的な手段により構造物の疲労損傷の警告を運転員に発することが可能となる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、例えば、各実施の形態における圧力センサ６としては、原子炉圧力容器１を格納する図示しない原子炉格納容器の外部まで圧力信号を伝達する光ファイバ式圧力センサが好適であるが、これに限定されず、また圧力信号の入力を受け付ける算出手段１２の配置場所も適宜設定可能である。

本発明の実施の形態の差圧計測配管の振動監視装置の構成を示す縦断面図。 図１の原子炉圧力容器のＩＩ部を拡大して示す横断面図。 図２のジェットポンプディフューザの振動特性を示す説明図で、（ａ）はジェットポンプディフューザ（Ａ）の圧力振幅変化を示すグラフ、（ｂ）はジェットポンプディフューザ（Ｂ）の圧力振幅変化を示すグラフ。 圧力信号の周波数分析結果を示す説明図で、（ａ）は圧力信号の周波数分析結果を示すグラフ、（ｂ）は回転数の整数倍の周波数の変動の周波数分析結果を示すグラフ、（ｃ）は（ａ）の圧力信号の周波数分析結果から（ｂ）の回転数の整数倍の周波数の変動の周波数分析結果を差し引いた周波数分析結果を示すグラフ。 帯域フィルタの説明図で、（ａ）は帯域フィルタの帯域特性を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）により分離した固有振動数に係る振動変位に対応する圧力信号の変動振幅を示すグラフ。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…シュラウド、３…ジェットポンプディフューザ、３ａ…ジェットポンプディフューザ（Ａ）、３ｂ…ジェットポンプディフューザ（Ｂ）、４…再循環ポンプ、５…差圧計測配管、６…圧力センサ、６ａ…圧力測定孔、７…差圧計測配管取り出し口、１０…ジェットポンプ、１１…差圧計測配管の振動監視装置、１２…算出手段。

Claims (11)

1. 原子炉圧力容器の冷却材を循環する再循環ポンプの圧力脈動を計測する差圧計測配管の振動監視装置において、
   前記原子炉圧力容器内に設置されたジェットポンプに接続され前記原子炉圧力容器の外部に導出された差圧計測配管と、
   この原子炉圧力容器の外部に導出された差圧計測配管に設置された前記再循環ポンプの周波数に応答する圧力を測定する圧力センサと、
   この圧力センサから伝達される圧力信号の変動振幅の大きさを算出する算出手段と、
   を有することを特徴とする差圧計測配管の振動監視装置。
2. 前記算出手段は、複数の前記差圧計測配管に設置されたそれぞれの前記圧力センサからの圧力信号の変動振幅を算出すること、を特徴とする請求項１記載の差圧計測配管の振動監視装置。
3. 前記算出手段は、同一の前記再循環ポンプから冷却材が供給されかつ前記原子炉圧力容器の周方向において同等な位置に設置されている２台のジェットポンプの前記差圧計測配管に設置された圧力センサからの圧力信号の変動振幅の差を算出すること、を特徴とする請求項２記載の差圧計測配管の振動監視装置。
4. 前記算出手段は、前記圧力センサからの圧力信号が入力され前記周波数及びその周波数における変動振幅を表示する周波数分析器を具備すること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の差圧計測配管の振動監視装置。
5. 前記算出手段は、前記再循環ポンプの回転数信号が入力されこの回転数の整数倍の周波数における変動振幅を算出すること、を特徴とする請求項４記載の差圧計測配管の振動監視装置。
6. 前記算出手段は、前記圧力信号の周波数分析結果から前記回転数の整数倍の周波数以外に存在するピークの周波数及びこの周波数の変動振幅を抜き出して表示する機能を有すること、を特徴とする請求項５記載の差圧計測配管の振動監視装置。
7. 前記算出手段は、前記回転数の整数倍の周波数以外の抜き出されたピークの周波数及び前記差圧計測配管の設計データから構造振動解析によって予め算出された差圧計測配管の固有振動数を比較し、この振動数差が最小となるピークの周波数を差圧計測配管の測定固有振動数として算出すること、を特徴とする請求項６記載の差圧計測配管の振動監視装置。
8. 前記算出手段は、前記差圧計測配管の測定固有振動数を中心周波数とする帯域フィルタを有し、この帯域フィルタに前記圧力信号が入力され、この帯域フィルタにより前記出力信号の変動振幅の大きさを算出すること、を特徴とする請求項７記載の差圧計測配管の振動監視装置。
9. 前記算出手段は、前記差圧計測配管の設計データ及び測定時の温度データから構造振動解析によって予め算出された差圧計測配管の振動変位に対する前記差圧計測配管内の流体圧力の変動振幅の比により、前記帯域フィルタから出力される圧力変動の振幅を差し引いた値を前記差圧計測配管の測定振動変位として算出すること、を特徴とする請求項８記載の差圧計測配管の振動監視装置。
10. 前記差圧計測配管の測定振動変位より算出される前記差圧計測配管の最大ひずみ振幅及び前記差圧計測配管を構成する材料の疲労限度から算出される許容ひずみ振幅を比較し最大ひずみ振幅が許容ひずみ振幅を超えたときに視覚的又は聴覚的な警告を発する警告手段をさらに有すること、を特徴とする請求項９記載の差圧計測配管の振動監視装置。
11. 原子炉圧力容器の冷却材を循環する再循環ポンプの圧力脈動を計測する差圧計測配管の振動監視方法において、
    前記原子炉圧力容器内に設置されたジェットポンプに接続された差圧計測配管を原子炉圧力容器の外部に導出する導出ステップと、
    この原子炉圧力容器の外部に導出された差圧計測配管に前記再循環ポンプの周波数に応答する圧力が測定される圧力センサを設置する設置ステップと、
    この圧力センサからの圧力信号の変動振幅の大きさが算出手段により算出され表示される算出ステップと、
    を有することを特徴とする差圧計測配管の振動監視方法。

Images