JP3782559B2

JP3782559B2 - 原子炉振動監視装置

Info

Publication number: JP3782559B2
Application number: JP29124197A
Authority: JP
Inventors: 哲橋本; 道雄佐藤; 正剛佐久間; 茂兼本
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: JPH11125688A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉などの圧力容器内の構造物の振動を測定する原子炉振動監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、原子炉における炉内構造物の振動を測定するには、測定対象となる機器、例えばジェットポンプ，ジェットポンプ計装配管などに加速度計を取り付けて直接振動を計測したり、炉外に加速度計を取り付けて、その加速度計の出力信号に基づいて炉内の振動振幅や振動周波数の推定を行っている。
【０００３】
また、従来では、炉内に設置された中性子束検出器の出力信号の揺らぎから間接的に炉内構造物の振動を推定する方法が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術において、加速度計により直接振動を計測する場合には、測定対象となる機器、例えばジェットポンプ，ジェットポンプ計装配管に直接加速度計を取り付ける必要があり、測定箇所が多い場合には、加速度計の数が多くなるばかりでなく、加速度計の出力信号を伝送するケーブルの本数も多くなり、コスト高になるという課題、また原子炉から信号を取り出すための信号ぺネトレーション（信号取出口）でのケーブルの本数が増加するという課題があった。
【０００５】
また、加速度計や中性子束検出器の出力信号に基づいて炉外から振動を推定する方法は、間接的な計測であるため、測定精度が低いという課題があった。
【０００６】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、原子炉圧力容器の外側に超音波トランスジューサを設置して、加速度計およびケーブルの数量の削減を図るとともに、炉内構造物の振動を直接計測可能な原子炉振動監視装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１は、原子炉圧力容器の外面に設置され超音波パルス信号の送受信が兼用可能な超音波トランスジューサと、この超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を発生させる超音波送信器と、前記超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を受信する超音波受信器と、前記超音波トランスジューサからの超音波パルス信号を前記原子炉圧力容器を通して原子炉内に入射させる一方、この原子炉内の炉内構造物で反射した超音波パルス信号が再び前記原子炉圧力容器を通して前記超音波トランスジューサを経て前記超音波受信器に受信される超音波パルス信号を処理する信号処理装置と、この信号処理装置により処理された前記炉内構造物の振動情報を表示する表示装置とを備え、前記信号処理装置は、前記炉内構造物から反射して原子炉圧力容器内を伝搬する超音波パルス信号を入力し、前記原子炉圧力容器の超音波速度、炉水の超音波速度、前記原子炉圧力容器板厚、および前記原子炉圧力容器と前記炉内構造物との間の距離をもとに、超音波の伝搬時間の変化分の測定により前記炉内構造物の振動振幅を求めるたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２は、請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波パルス信号が無線周波数パルス信号であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３は、請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサが１次元に複数個配列され、信号処理装置は、これらの超音波トランスジューサの超音波の送信のタイミングを変化させ、これらの超音波トランジューサを設置した各点で受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて振動分布測定することを特徴とする。
【００１０】
請求項４は、請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサが原子炉圧力容器の外面に沿って移動可能に構成されたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５は、請求項１ないし４のいずれかに記載の原子炉振動監視装置において、信号処理装置が測定した信号の周波数分析を行って炉内構造物の固有振動周波数を算出し、表示装置は前記固有振動周波数の経時変化を表示することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明に係る原子炉振動監視装置の第１実施形態を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の超音波トランスジューサ１は、原子炉圧力容器２の外周面に設置されているとともに、超音波パルスの送受信が兼用可能である。また、超音波トランスジューサ１は、ケーブル３によって原子炉格納容器４の信号取出口４ａを経て原子炉格納容器４外（または原子炉格納容器４内）に設置された超音波信号処理装置５に電気的に接続されている。
【００１４】
この超音波信号処理装置５は、超音波パルス信号を発生させるための超音波送信器６と、反射した超音波パルス信号を受信する超音波受信器７と、この超音波受信器７で受信した超音波パルス信号を処理する信号処理装置８とから構成されている。そして、超音波信号処理装置５は、表示装置９と電気的に接続され、この表示装置９は超音波トランスジューサ１および超音波信号処理装置５によって計測された振動波形や振動のスペクトルなどを表示する。
【００１５】
次に、本実施形態の作用を図２〜図５に基づいて説明する。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態の超音波トランスジューサ１に超音波送信器６から電気パルス信号（ＤＣパルス信号）１０を加えると、超音波トランスジューサ１内で電気パルス信号１０が超音波信号に変換され、原子炉圧力容器２内に超音波パルス信号１１が発生する。
【００１７】
この超音波パルス信号１１は、原子炉圧力容器２内を伝搬し、炉水１２中に放射される。この炉水１２中を伝搬した超音波パルス信号１３は、例えばジェットポンプ，ジェットポンプ計装配管などの原子炉の炉内構造物１４に当たって反射し、再び炉水１２，原子炉圧力容器２内を伝搬して超音波トランスジューサ１に戻ってくる。
【００１８】
この戻ってきた超音波パルス信号１５は、超音波トランスジューサ１内で電気パルス信号に変換された後、超音波受信器７で信号の増幅およびフィルタリングなどの信号処理が行われる。
【００１９】
さらに、超音波受信器７の信号は、例えばマイクロコンピュータや周波数復調器（ＦΜ復調器、ＦΜ：Frequency Modulation）で構成される信号処理装置８で、ディジタル信号に変換され、その信号処理によって振動情報が得られる。
【００２０】
そして、信号処理装置８により処理された炉内構造物１４の振動情報が表示装置９に表示される。すなわち、表示装置９では、このときの振動振幅波形１６，振動の周波数応答や振動振幅、振動位相の変化傾向（トレンド）が表示される。
【００２１】
次に、図３に基づいて超音波パルス信号により振動を測定する方法を説明する。図３に示すように、使用する超音波パルス信号１１は、ＤＣパルス信号１０である。超音波トランスジューサ１から超音波パルス信号１１が原子炉圧力容器２を経由して炉水１２中に放射される。この放射された超音波パルス信号１３は、炉内構造物１４に当たって反射する。
【００２２】
この反射して戻ってきた超音波パルス信号１５は、再び原子炉圧力容器２内を伝搬して超音波トランスジューサ１で検出される。この場合、図４に示すように、送信される超音波パルス信号１１と受信される超音波パルス信号１５は、伝搬距離に応じて分離される。次に、炉内構造物１４が振動している場合、受信された超音波パルス信号１５の検出される時間は、炉内構造物１４の振動振幅に比例して変動する。振動していないときの伝搬時間をＴ（秒）とすると、この伝搬時間Ｔは、次のように表される。すなわち、
【数１】
Ｔ＝２×（Ｄ／Ｖ₁＋Ｌ／Ｖ₂） …（１）
ここで、Ｖ₁は原子炉圧力容器２の超音波の音速度、Ｖ₂は炉水１２の超音波の音速度、Ｄは原子炉圧力容器２の板厚、Ｌは原子炉圧力容器２と炉内構造物１４との間の距離である。
【００２３】
そして、炉内構造物１４が振動して、振動振幅がΔＬの場合、Ｌは（Ｌ＋ΔＬ）になるので、超音波の伝搬時間Ｔの変化分をΔｔとすると、
【数２】

【数３】
ΔＬ＝−２×Ｖ₂×Δｔ …（３）
のように求まることになる。したがって、信号処理装置８で伝搬時間の変化分Δｔを測定すれば、振動振幅ΔＬを測定することができる。
【００２４】
また、超音波パルス信号を発生させる時間間隔をＴｓ（秒）とすると、その時間間隔Ｔｓ（秒）毎に離散的に振動振幅を測定することができるので、測定結果は図５に示したような離散的な信号が得られる。サンプリング定理を使用すれば、周波数ｆ（Ｈｚ）の振動信号を再生するためには、超音波パルス信号を発生させる時間間隔Ｔｓ（秒）が（４）式のようになる。すなわち、
【数４】
ｆ＝１／（２×Ｔｓ） …（４）
例えば、１００Ηｚの振動振幅を再生するためには、２００Ｈｚ（Ｔｓ＝５０ｍsec ）間隔で超音波を発生させればよいことになる。
【００２５】
このように本実施形態によれば、超音波トランスジューサ１が原子炉圧力容器２の外周面に設置されたことにより、従来のように炉内構造物１４に直接加速度計を設置する必要がなくなる。そのため、原子炉圧力容器２から信号を取り出すためのケーブルや信号取出口が不要となる。その結果、ケーブル数を削減することが可能となり、安価な監視装置を提供することができる。
【００２６】
図６は本発明に係る原子炉振動監視装置の第２実施形態を示す構成図、図７（Ａ），（Ｂ）は第２実施形態において送信ＲＦパルスと受信ＲＦパルスの時間関係および周波数関係を示すタイミングチャートである。なお、前記第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明する。以下の各実施形態も同様である。
【００２７】
第２実施形態では、超音波送信器６から発生する超音波パルス信号として、図６および図７（Ａ）に示すようなＲＦ（無線周波数）パルス信号１７が使用される。すなわち、超音波トランスジューサ１に図７（Ａ）に示すＲＦパルス信号１７を加えると、その結果として発生する超音波パルス信号もＲＦパルス信号となる。この時のＲＦパルス信号の搬送波（キャリア）の周波数をｆ（Ｈｚ）とする。このＲＦパルス信号１７が炉水１２中を伝搬し、炉内構造物１４に当たって反射してくると、再び超音波トランスジューサ１で受信される。
【００２８】
この受信されたＲＦパルス信号１８は、図４に示すように送信される超音波パルス信号１１および受信される超音波パルス信号１５と同様に、伝搬時間Ｔまたは（Ｔ＋Δｔ）の時間間隔で観測される。炉内構造物１４の振動によって、反射するＲＦパルス信号１８はドップラシフトを起こすため、反射するＲＦパルス信号１８の周波数は変化している。この場合の周波数変化量をΔｆとすると、周波数変化量Δｆは、（５）式で計算される。
【００２９】
【数５】
Δｆ＝２×ｖ×ｆ／Ｖ₂ …（５）
ここで、ｖ（ｍ／sec ）は、炉内構造物１４の振動速度である。周波数変化量Δｆの測定方法は、例えば、信号処理装置８内において、周波数復調回路を使用して測定される。
【００３０】
（５）式において、周波数変化量Δｆを測定すれば、振動速度ｖ（ｍ／sec ）を逆算することができる。この場合も振動速度は離散的に測定されるので、図５に示した方法と同様に、測定値を信号処理装置８に取り込み、サンプリング定理を利用して振動速度波形を合成する。
【００３１】
このデータを利用することにより、振動振幅波形１６や振動の加速度波形に変換され、これらが表示装置９に表示される。
【００３２】
このように本実施形態によれば、前記第１実施形態で用いたＤＣパルス信号の代わりに、ＲＦパルス信号１６を使用したことにより、炉内構造物１４の振動に伴って発生する超音波パルス信号のドップラシフトを検出することができ、振動振幅および振動速度を同時に測定することができ、測定精度を向上することができる。
【００３３】
図８は本発明に係る原子炉振動監視装置の第３実施形態を示す構成図である。この第３実施形態では、図８に示すように複数個の超音波トランスジューサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，…１ｎを原子炉圧力容器２の外周面に対して１次元に配列し、信号処理装置８によりこれらの超音波トランスジューサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，…１ｎの超音波パルス信号１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，…１３ｎの送信タイミングを変化させるとともに、受信される超音波パルス信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，…１５ｎを時間的に遅延させて加算して超音波反射パルスを測定する。
【００３４】
したがって、第３実施形態では、超音波トランスジューサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，…１ｎを設置した各点での振動振幅または振動速度が測定することができるので、振動分布を測定することができる。この振動分布を信号処理装置８で処理して表示装置９に表示することにより、監視員に分かり易い情報を提供することができる。
【００３５】
このように第３実施形態によれば、複数個の超音波トランスジューサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，…１ｎの送信のタイミングを制御し、炉内に入射する超音波の伝搬方向を高速で制御することができるようになるので、測定対象物を高精度に選定することができるばかりでなく、炉内構造物１４の振動分布の位相も測定可能となり、測定精度を向上させることができる。
【００３６】
また、受信される超音波パルス信号１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，…１５ｎを時間的に遅延させて加算するので、白色雑音は打ち消されて減少し、信号は加算され大きくなるので、超音波信号のＳＮ比も向上し、測定精度を向上させることができる。
【００３７】
図９は本発明に係る原子炉振動監視装置の第４実施形態を示す構成図である。この第４実施形態では、図９に示すように超音波トランスジューサ１が原子炉圧力容器２の外周面に沿って移動可能に構成されている。この超音波トランスジューサ１を移動させるには、例えば原子炉圧力容器２の外周面にレールなどを敷設し、このレールに沿って超音波トランスジューサ１を電動または手動により移動させる。
【００３８】
このように第４実施形態によれば、超音波トランスジューサ１を原子炉圧力容器２の外周面に沿って移動可能に構成したことにより、超音波トランスジューサ１の移動した各点での振動振幅または振動速度を測定することができるので、測定対象物を高精度に選定できるばかりでなく、炉内構造物１４の振動分布を測定することができる。この振動分布を信号処理装置８により処理して表示装置９で表示することによって、監視員に分かりやすい情報を提供することができる。
【００３９】
図１０（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る原子炉振動監視装置の第５実施形態において固有振動数の表示方法を示す説明図，しきい値の設定方法を示す説明図である。
【００４０】
この第５実施形態では、信号処理装置８内で、測定した振動振幅，振動速度の信号の周波数分析を行い、炉内構造物１４の固有振動数を算出して、この固有振動数（Ｆ）１９ａの経時変化（ΔＦ）１９ｂのように表示装置９に表示すれば、長期間の振動の変化を容易に認識することができるので、炉内の振動異常を早期に検出することができる。
【００４１】
このように第５実施形態によれば、信号処理装置８で図１０（Ａ）に示すように出力信号を周波数分析を行い、表示装置９で図１０（Ｂ）に示すように炉内構造物１４の固有振動周波数の経時変化を表示させることにより、測定した振動信号に基づいて振動の変化傾向（トレンド）を表示することができるので、振動異常の把握が容易になり、炉内構造物１４の信頼性を向上させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１によれば、超音波トランスジューサが原子炉圧力容器の外面に設置されたことにより、原子炉圧力容器の外側から炉内構造物の振動を測定することができる。これにより、振動測定対象物の変更が容易となるばかりでなく、測定の準備が容易となるため、作業工数を削減することができる。また、原子炉圧力容器内にケーブルを設置する必要がないため、ケーブルの物量の削減が可能となる。
【００４３】
請求項２によれば、請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波パルス信号が無線周波数パルス信号であることから、炉内構造物の振動に伴って発生する超音波パルス信号のドップラシフトを検出することができ、振動振幅および振動速度を同時に測定することができ、測定精度を向上することができる。
【００４４】
請求項３によれば、請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサは、１次元に複数個配列され、信号処理装置は、これらの超音波トランスジューサの超音波の送信のタイミングを変化させ、これらの超音波トランジューサを設置した各点で受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて振動分布を測定することにより、複数個の超音波トランスジューサの送信のタイミングを制御し、炉内に入射する超音波の伝搬方向を高速で制御することができるようになるので、測定対象物を高精度に選定できるばかりでなく、炉内構造物の振動分布の位相も測定可能となり、測定精度を向上させることができる。
【００４５】
また、受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて加算するので、白色雑音は打ち消されて減少し、信号は加算され大きくなるので、超音波信号のＳＮ比も向上し、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
請求項４によれば、超音波トランスジューサを原子炉圧力容器の外面に沿って移動させて振動測定を行うので、測定対象物を高精度に選定できるばかりでなく、炉内構造物の振動分布の測定も可能となり、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００４７】
請求項５によれば、信号処理装置は測定した信号の周波数分析を行って炉内構造物の固有振動周波数を算出し、表示装置は固有振動周波数の変化を表示することにより、測定した振動信号に基づいて振動の変化傾向（トレンド）を表示することができるので、振動異常の把握が容易になり、炉内構造物の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る原子炉振動監視装置の第１実施形態を示す構成図。
【図２】第１実施形態において超音波信号の伝搬状態を示す構成図。
【図３】第１実施形態において反射超音波信号を利用して振動測定を行う方法を示す説明図。
【図４】第１実施形態において送信される超音波パルス信号と受信される超音波パルス信号を示すタイミングチャート。
【図５】第１実施形態において離散的な振動振幅の測定値から実際の振動波形を再構成する方法を示す図。
【図６】本発明に係る原子炉振動監視装置の第２実施形態を示す構成図。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は第２実施形態において送信ＲＦパルスと受信ＲＦパルスの時間関係および周波数関係を示すタイミングチャート。
【図８】本発明に係る原子炉振動監視装置の第３実施形態を示す構成図。
【図９】本発明に係る原子炉振動監視装置の第４実施形態を示す構成図。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る原子炉振動監視装置の第５実施形態において固有振動数の表示方法を示す説明図，しきい値の設定方法を示す説明図。
【符号の説明】
１超音波トランスジューサ
２原子炉圧力容器
３ケーブル
４原子炉格納容器
４ａ信号取出口
５超音波信号処理装置
６超音波送信器
７超音波受信器
８信号処理装置
９表示装置
１０電気パルス信号（ＤＣパルス信号）
１１超音波パルス信号
１２炉水
１３超音波パルス信号
１４炉内構造物
１５超音波パルス信号
１６振動振幅波形
１７ＲＦパルス信号
１８ＲＦパルス信号
１９ａ固有振動数
１９ｂ経時変化

Claims

原子炉圧力容器の外面に設置され超音波パルス信号の送受信が兼用可能な超音波トランスジューサと、この超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を発生させる超音波送信器と、前記超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を受信する超音波受信器と、前記超音波トランスジューサからの超音波パルス信号を前記原子炉圧力容器を通して原子炉内に入射させる一方、この原子炉内の炉内構造物で反射した超音波パルス信号が再び前記原子炉圧力容器を通して前記超音波トランスジューサを経て前記超音波受信器に受信される超音波パルス信号を処理する信号処理装置と、この信号処理装置により処理された前記炉内構造物の振動情報を表示する表示装置とを備え、前記信号処理装置は、前記炉内構造物から反射して原子炉圧力容器内を伝搬する超音波パルス信号を入力し、前記原子炉圧力容器の超音波速度、炉水の超音波速度、前記原子炉圧力容器板厚、および前記原子炉圧力容器と前記炉内構造物との間の距離をもとに、超音波の伝搬時間の変化分の測定により前記炉内構造物の振動振幅を求めることを特徴とする原子炉振動監視装置。
請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波パルス信号は、無線周波数パルス信号であることを特徴とする原子炉振動監視装置。
請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサは、１次元に複数個配列され、信号処理装置は、これらの超音波トランスジューサの超音波の送信のタイミングを変化させ、これらの超音波トランジューサを設置した各点で受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて振動分布を測定することを特徴とする原子炉振動監視装置。
請求項１記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサは、原子炉圧力容器の外面に沿って移動可能に構成されたことを特徴とする原子炉振動監視装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の原子炉振動監視装置において、信号処理装置は、測定した信号の周波数分析を行って炉内構造物の固有振動周波数を算出し、表示装置は前記固有振動周波数の経時変化を表示することを特徴とする原子炉振動監視装置。