JP2016527470A - 機器搭載された蒸気発生器の防振バー - Google Patents

Abstract

管の複数の列にわたり延在し、複数のセンサのストリングを含む蒸気発生器の防振バー（ＡＶＢ）が開示および特許請求される。機器搭載された防振バーは、複数のセンサを包囲すべく協働するハウジングおよびカバーを含む。複数のセンサはプラント稼働中に蒸気発生器を通過する流体流から生じるデータを補捉する。複数の例示的なセンサは、複数の管により複数のＡＶＢにもたらされた複数の荷重を測定する複数の歪みゲージ、管束内の複数の熱水力条件をサンプリングする複数の温度センサ、管束内の複数の水理条件をサンプリングする複数の圧力検出器およびフロー検出器、平面内および平面外の動きを測定する複数の誘導コイル、および複数の周囲の管によりもたらされるＡＶＢの複数の動きを測定する複数の加速度計を含み得る。捕捉されたデータは、既知の方式で蒸気発生器から伝送される。

Description

［関連出願の相互参照］
この特許出願は、２０１３年７月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／８５８，８４４号および２０１４年７月２４日に出願された米国特許出願第１４／３３９，６４７号の利益を主張するものであり、それらの全てが、本明細書に参照として組み込まれる。

本発明は、振動を防ぐべく蒸気発生器の複数の管を支持するための機構に関し、より具体的には、本発明は蒸気発生器の複数の防振バーのハウジング装備に関し、１次側または２次側の蒸気発生器の複数の状態に負の影響を与えることなく、一連の個々の蒸気発生器の管およびそれらの管同士の複数の状態のオンライン状態監視を提供する。

本発明は様々な産業で用いられ得るが、本明細書においては、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の原子力発電所の環境について例示を目的として説明される。燃料において発生した熱を電力へと変換すべく、ＰＷＲで用いられる２つの主要なシステムが存在する。１次系において、１次冷却材は複数の燃料棒を通って循環され、そこで放射熱を吸収する。１次ループの昇圧に起因して液体状である被加熱流体が複数の蒸気発生器に流れ、そこで熱は２次系に移動する。複数の蒸気発生器を離れた後で、１次冷却材はコアへ送り返され、１次ループを完了する。２次ループにおいて、熱は複数の蒸気発生器の１次側から２次冷却材または給水に移動し、蒸気を生成する。タービンを回転すべく蒸気が用いられ、電力を発生させる。給水がタービンから離れ、残留熱を取り除くべくコンデンサを通過し、液体の給水が複数の蒸気発生器に送り返される。

蒸気発生器の内側において、熱い原子炉冷却材が多くの管の内側を流れ、給水が複数の管の外側の周りを流れる。複数の蒸気発生器には２種類の形態が存在する。複数の管がストレートである貫流式蒸気発生器および、より一般的で複数の管がＵ字型ベンドを含むＵベンド蒸気発生器である。

典型的な熱交換器、特に、原子力産業における複数の蒸気発生器は、配管と熱交換器の複数の管サポートの内部の複数の部分との間の振動に起因した摩耗の影響を受けやすい。振動は、特に流れが軸方向ではなくより多くが直交流となる複数の管のＵベンド領域においては、通常稼働中の配管に作用する流体力に起因する。複数の典型的な蒸気発生器は防振バー（ＡＶＢ）という複数のサポートを含み、それらは複数の管の振動または他の移動を防ぐべく、複数のＵ字型管の隣接する列の間に配置される。従来のＡＶＢシステムを図１に示す。複数の従来のＡＶＢは、蒸気発生器の複数の管カラムの間で延在する、複数のＵまたはＶ字型バー１を含む。複数のＡＶＢの複数の端部は複数のＡＶＢに対して実質的に垂直に延在する保持バーに結合され、複数の保持バーは複数のブリッジ２に結合される。複数のブリッジ２は複数の保持バーに対して実質的に垂直に配置され、蒸気発生器の管束の上部にわたり広がる。ＡＶＢ構造は、シュラウドまたは任意の他の蒸気発生器のコンポーネントに取付けられていない。周辺の複数の管の下に巻き付けられる複数の保持バーは、ＡＶＢ構造が管束から離れることを防ぐのに役立つ。蒸気発生器の複数の管と複数のＡＶＢとの間の摩擦力のみにより、支持構造物が束の上部に固定することを防ぐ。

本発明は、複数の管の複数の列全域にわたり延在し、複数のセンサのストリングを含む、蒸気発生器の防振バーに関する。機器搭載された防振バー（ＩＡＶＢ）は、ハウジングとカバーとを含み、それらは協働して複数のセンサを包囲する。ＩＡＶＢの複数のセンサは、プラント稼働中に蒸気発生器の管の状態（振動など）についてのデータおよび２次側の複数の環境状態（局所温度、圧力、流量など、等）についてのデータを捕捉し得る。複数の例示的なセンサは、複数の管により複数のＡＶＢにもたらされた複数の荷重を測定する複数の歪みゲージと、管束内の複数の熱水力条件をサンプリングする複数の温度センサと、管束内の複数の水理条件をサンプリングする複数の圧力検出器およびフロー検出器と、平面内および平面外の動きを測定する複数の誘導コイルと、複数の周囲の管によりもたらされるＡＶＢの複数の動きを測定する複数の加速度計とを含み得る。捕捉されたデータは、オンライン監視システム上の処理および表示のため、および／または今後の解析のために記録されるべく、既知の方式で蒸気発生器の２次側から伝送される。

本発明は、流力弾性不安定性に起因する平面内の管の動き、およびそれに寄与する熱水力条件を検出可能とする要望により着想されている。しかしながら、本発明はフローティング構造あるいはその反対で蒸気発生器の複数の内部に固定された構造において構成された、複数の防振バーを有する任意の蒸気発生器に適用可能である。複数の再循環蒸気発生器に最も適用可能であるが、本発明はまた複数の貫流式蒸気発生器にも用いられ得る。

本発明は複数の添付図面を参照しながら説明される。複数の添付図面は複数の例示的な実施形態を示し、同様の参照符号は同様の要素を指す。本明細書に開示の複数の実施形態および複数の図面は限定的なものではなく、例示的なものであるとみなされることを目的としている。

従来の防振バーのシステムの断面図を示す。 本発明の防振装置を示す。 図２の装置に機器搭載された防振バーを示す。 図２の装置の機器搭載された防振バーの複数のセンサストリングを示す。 図２の装置の機器搭載された防振バーの複数のセンサストリングを示す。 伝熱デバイスの上方の位置にある図２の装置を示す。 図３の機器搭載された防振バーの近接端部の詳細図を示す。

本発明は、振動を防ぐべく蒸気発生器の複数の管を支持するための機構に関し、より具体的には、本発明は蒸気発生器の防振バーのハウジング装備に関し、１次側または２次側の蒸気発生器の複数の状態に負の影響を与えることなく、一連の個々の蒸気発生器の複数の管およびそれらの管同士の状態のオンライン状態監視を提供する。

図２は、本発明の装置１０を示す。装置１０は、加圧水型原子炉の蒸気発生器等の伝熱デバイスの管束内にある複数の管を安定化させる。複数のＡＶＢ１は、複数の管の流体励起振動に耐えられるように、管束の管のＵベンド部の外側から複数の隣接する管の間の複数の管レーンへと延在する。複数のＡＶＢの複数の端部は、複数のＡＶＢに実質的に垂直に延在する複数の保持バー３により接続される。複数の保持バー３は複数のブリッジ２に結合される。複数のブリッジ２は複数の保持バーに実質的に垂直に配置され、蒸気発生器の管束の上部にわたって広がる。

装置は、機器搭載されたＡＶＢ（ＩＡＶＢ）２０を更に含む。ＩＡＶＢ２０は、ブリッジ２から管レーンへと延在する細長いアームである。好ましくは、ＩＡＶＢは所与のＡＶＢ構造における他のＡＶＢと同じ外形を有し、機器搭載されていないＡＶＢが代わりに用いられた場合に存在する蒸気発生器の複数の状態を検出する。好ましい実施形態において、ＩＡＶＢ２０は、取付面２３を画定するハウジング２２を含む。カバー２５はハウジング２２に接続し、取付面２３を含む包囲領域を画定する。ハウジング２２およびカバー２５は、溶接によって、または接着材の使用を介する等、既知の方法において結合され得る。ＩＡＶＢ２０は伝熱デバイスの稼働状態データを測定するための１つまたは複数のセンサ３０を含む。好ましくは、複数のセンサ３０は取付面２３に結合される。複数のセンサ３０およびそれらの複数の電気接続を保護すべく、パッキン（図示せず）がＩＡＶＢ内に含まれ得る。使用にあたり、蒸気発生器の稼働状態データを測定すべく、ＩＡＶＢ２０は複数のセンサ３０を蒸気発生器の管束の複数の標的領域に位置づける。そのような稼働状態データとして、例えば、平面内および平面外の管の動き、蒸気発生器の複数の管に起因するＡＶＢの複数の加速度、複数の熱水力条件、管束の領域における２次側の複数の熱水力条件、蒸気発生器の複数の管により複数のＡＶＢにもたらされた荷重、および他の類似データを含み得る。

複数の例示的センサ３０は、複数の誘導センサ、複数のサーモカップル、複数の加速度計、複数の圧力トランスデューサ、および複数の歪みゲージを含み得る。ＩＡＶＢ２０の内側の複数の誘導センサはＩＡＶＢ２０に隣接する複数の管の相対運動を検出する。蒸気発生器の外側で生成された振動信号は、ＩＡＶＢ２０の内側に実装されたコイル付近に電磁場を形成するのに使用されるであろう。電磁場付近にある金属の蒸気発生器の複数の管の動きは振動振幅を変化させ、管の動きの周波数および振幅に比例する信号を提供する。蒸気発生器の外側の機器でその信号の解析が行われ、それによりＩＡＶＢ２０の誘導センサの位置における管の動きの周波数および振幅についての情報が提供される。

ＩＡＶＢ２０の内側の複数のサーモカップル温度センサは、センサの位置における複数の温度変化に比例する複数の電圧変動の形で局所の蒸気発生器の２次側の温度についてのデータを提供する。蒸気発生器の外側の機器はこれらの変動を検出し、それらを蒸気発生器のオペレータのための情報に変換する。複数のサーモカップルを有する複数のＩＡＶＢ２０のアレイは、管束にわたる局所温度をマップすべく用いられ、これらの領域における複数の状態が管への損傷をもたらす前に、蒸気発生器のオペレータが複数のホットスポットを検出可能とする。

ＩＡＶＢ２０の内側に実装された複数の加速度計は、それぞれの加速度計の位置における動的加速量を感知することにより、蒸気発生器の管束の局所領域における相対運動を検出する手段を提供する。複数の加速度計を有する複数のＩＡＶＢ２０のアレイは、検出された動きが管束の特定の領域において、または管束のアセンブリ全域にわたり発生しているかどうかを決定すべく用いられ得る。

複数の圧力トランスデューサは、センサの弾性膜コンポーネントを蒸気発生器の２次側の環境に直接露出する形でＩＡＶＢ２０に設置される。抵抗性、誘導性または容量性を備え得るセンサの電子デバイスのコンポーネントは、膜の形状の変化に比例する複数の電気信号を生成する。蒸気発生器の２次側内の局所的環境圧力を決定すべく、これらの信号は蒸気発生器の外側で測定および解析される。

ＩＡＶＢ２０の内側に実装された複数の歪みゲージは、蒸気発生器の複数の隣接する管によりＩＡＶＢ２０にもたらされた複数の荷重を検出する手段を提供する。ＩＡＶＢ２０が中性の歪みのない形状を有するとき、歪みゲージはＩＡＶＢ２０に組み立てられる。設置された歪みゲージは所与の電気抵抗を有する。当該ＩＡＶＢ２０が蒸気発生器の管束に設置されるとき、ＩＡＶＢ２０に隣接する複数の管からの複数の荷重はそのハウジング２２およびカバー２５に歪みをもたらす。歪みゲージが実装されるＩＡＶＢ２０のハウジング２２またはカバー２５における複数の歪みは、歪みゲージの電気抵抗において比例的変化をもたらす。電気抵抗におけるこれらの変化は、蒸気発生器の外側の機器で測定および処理される。

複数のＩＡＶＢ２０に対する蒸気発生器の管の複数の荷重の大きさは、蒸気発生器の稼働中に測定された歪みゲージの電気抵抗の複数の値を、ＩＡＶＢ２０が中性状態にあるときに測定された複数の値と比較することによって決定され得る。

管の振動は、歪みゲージにより検出された複数の歪みの周波数を測定することによって、検出され得る。

管束アセンブリの動きは、歪みゲージの複数の大きさおよびＡＶＢのアレイにわたる信号の複数の周波数を測定および比較することにより検出され得る。

このデバイスは三角ピッチおよび四角ピッチ両方の蒸気発生器の管の複数の構成において作用する。このデバイスは、蒸気発生器が冷たいとき（製造中または停止のとき）および熱いとき（稼働中）の管束の複数の荷重についての経験的データを提供し得る。この種の情報は、渦電流または他の既存ＮＤＥ、複数のギャップ測定に関連して用いられ得、プラントの停止中に収集されたＮＤＥデータがどのように稼働中（ＮＤＥ機器が用いられないとき）の発生器の内側の複数の状態に関連するかについて新たな見解を提供する。

好ましい実施形態において、複数のセンサ３０は（単一の管の測定とは対照的に）複数の管列にわたる複数のセンサのストリングとして提供される。好ましくは、ＩＡＶＢ２０はまたＡＶＢとして機能する。複数のＩＡＶＢ２０は複数のセンサのアレイを確立すべく設置され得る。例示的なセンサストリング３５が図４および図５に示される。複数のセンサ３０は、管束内の様々な位置および深さからデータを収集すべく、ＩＡＶＢ２０のスパンに沿って位置づけられる。好ましくは、ＩＡＶＢは所与のＡＶＢ構造における他のＡＶＢと等しい形態と適合度とを有し、ＩＡＶＢが管束の重要な領域へと延在し、機器搭載されていない複数のＡＶＢと異なる方法で環境を修正することなく豊富な量の稼働状態データを提供することを可能とする。

図６は、蒸気発生器の管束５の上方の位置にある図２の装置を示す。使用にあたり、ＩＡＶＢは管束５のＵベンド部の上方または外側から２つの隣接する管の間の管レーンへと延在する。ＩＡＶＢは所与のＡＶＢ構造へと組み込まれ得、機器搭載されていないＡＶＢの代わりとなり得る。代替的には、ＩＡＶＢ保持バー４は複数の隣接するブリッジ２の間に提供され、ＩＡＶＢを支持し得る。図２に示すように、ＩＡＶＢ２０の遠位端はＡＶＢに隣接してまたは結合して位置づけられ得る。管束５内で延在することにより、ＩＡＶＢ２０は複数のＡＶＢと同じ流体流および他の稼働状態に従う。したがって、ＩＡＶＢ２０は、複数のＡＶＢの複数の荷重および複数の反応を含む、蒸気発生器内の稼働状態のリアルタイムの測定を提供する。

図７に示されるように、ＩＡＶＢ２０は複数のセンサ３０により収集されたデータを伝送するための伝送線２７を更に含む。このことは、様々な既知の方法において実現され得る。例えば、センサデータ伝送線２７は２次側の貫通を介して蒸気発生器から出て、捕捉されたデータを解析するための、または評価のために原子炉格納建造物の外側に捕捉されたデータを伝送するためのツール等、さらなる機器に接続され得る。

複数の図面に示されたＩＡＶＢ２０の形態は本質的に例示的であることに留意されたい。長さに対して等、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得る。

本発明は、蒸気発生器における複数の特定の管の状態に関する情報を提供する蒸気発生器の管束の複数の位置に複数のセンサを配置するが、それらの管は未だに稼働中である。同様に、複数のＩＡＶＢのアレイとして設置されるとき、本発明は蒸気発生器の内側で極めて特定の領域における２次側の熱水力条件を決定するための手段を提供する。このことが、蒸気発生器オペレータに、管の振動をもたらす管束の内側の複数の局所状態についての情報を与える。現時点で、これらの種の状態は、十分長く存在して複数の管に損傷をもたらした後に検出されるのみである。本発明はそのような複数の不利な状態の早期の検出を提供し、損傷が発生する前に措置を講じることを可能とする。

ＩＡＶＢはまた通常のＡＶＢとして機能するため、ＩＡＶＢにおける複数のセンサが機能しているかどうかに関わらず、蒸気発生器の管束内に存在し得る。この特徴は、２次側の複数の温度において耐用年数が限られる複数の集積回路を含み得る最新のセンサ技術が用いられることを可能とする。そのような複数のデバイスは、ＩＡＶＢが設置された直後の修復の有効性、および最初に稼働するときの蒸気発生器の内側の複数の状態等の情報を提供し得る。

本発明の複数の好ましい実施形態は上述したとおりだが、それらは単なる例のみとして示され、限定ではないことを理解されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で形態や詳細における様々な変更を行うことが可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、蒸気発生器について上記で説明したが、本発明は他の複数の伝熱デバイスにも適用可能である。したがって、本発明は上述した複数の例示的な実施形態により限定されるべきではなく、以下の請求項およびそれらの複数の均等物に従ってのみ定義されるべきである。更に、本明細書で本発明の幾つかの利点が説明されているが、そのような利点の全てが必ずしも本発明の任意の特定の実施形態に従って実現され得るのではないことが理解されよう。したがって、例えば、本明細書に教示または示唆され得るような他の複数の利点を必ずしも実現しなくとも、本明細書で教示されたようにある利点または一群の利点を実現または最適化する方法で本発明が具現化または実行されうることを、当業者は認識するであろう。

Claims (18)

1. 伝熱デバイス内の複数の管の周りの流体流により発生する振動から前記複数の管を安定化させるための装置であって、前記複数の管は、複数のＵベンド部により共に結合された複数のストレート部分を含み、その間に複数の管レーンを伴い複数の列状に配置され、前記装置は
   ２つの隣接する管の流体励起振動に耐えられるように前記管の複数のＵベンド部の上方から前記２つの隣接する管の間の管レーンへと延在する細長いアームを備え、
   前記細長いアームは前記伝熱デバイスの稼働状態データを測定するためのセンサを含む、
   装置。
2. 前記センサは、前記複数の管に関する稼働状態データを測定し提供する、請求項１に記載の装置。
3. 前記センサは、前記流体流に関する稼働状態データを測定し提供する、請求項１に記載の装置。
4. 前記伝熱デバイスは、前記管の複数のＵベンド部上から前記複数の管レーンへと延在する複数の防振バーを含み、
   前記センサは、前記複数の管により前記複数の防振バーにもたらされた複数の荷重を測定する歪みゲージである、請求項１または２に記載の装置。
5. 前記センサは、管束内の複数の熱水力条件をサンプリングする温度センサである、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記センサは、管束内の複数の水理条件をサンプリングする圧力検出器である、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記センサは、管束内の複数の水理条件をサンプリングするフロー検出器である、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記センサは、管束内の１つまたは複数の管の平面内および平面外の動きを測定する誘導コイルである、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記センサは、前記複数の管の隣接するもの同士によりもたらされた防振バーの動きを測定する加速度計である、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記伝熱デバイスの稼働状態データを測定するための複数のセンサを更に備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記測定された稼働状態データを伝送するためのトランスミッタを更に備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記細長いアームは、
    取付面を画定するハウジングと、
    包囲領域を画定するように前記ハウジングに結合し、前記取付面を前記包囲領域内に画定するカバーと
    を含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記センサは実装面に結合される、請求項１２に記載の装置。
14. 実装面に結合された複数のセンサを更に備える、請求項１２または１３に記載の装置。
15. 前記複数のセンサは、歪みゲージ、温度センサ、圧力検出器、フロー検出器、誘導コイル、および加速度計のうち１つまたは複数を含む、請求項１４に記載の装置。
16. 伝熱デバイスの管束内の複数の管を安定化させるための装置であって、前記複数の管は、複数のＵベンド部により共に結合された複数のストレート部分を含み、その間に複数の管レーンを伴い複数の列状に配置され、前記デバイスは、
    前記複数の管の流体励起振動に耐えられるように、前記管の複数のＵベンド部の外側から複数の隣接する管の間の複数の管レーンへと延在する複数の防振バーと、
    前記複数の防振バーのそれぞれの端部を接続する複数の保持バーと、
    前記複数の保持バーを接続するブリッジと、
    前記ブリッジから２つの隣接する管の間の管レーンへと延在する細長いアームとを有し、
    前記細長いアームは、前記伝熱デバイスの稼働状態データを測定するための１つまたは複数のセンサを含む、
    装置。
17. 前記１つまたは複数のセンサは、歪みゲージ、温度センサ、圧力検出器、フロー検出器、誘導コイル、および加速度計のうちの１つまたは複数を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記細長いアームは、
    前記１つまたは複数のセンサが結合された取付面を画定するハウジングと、
    包囲領域を画定するように前記ハウジングに結合し、前記取付面を前記包囲領域内に画定するカバーと
    を含む、請求項１６または１７に記載の装置。

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