JP4981250B2 - 溶接部の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には原子炉の検査に関し、より具体的には、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内部の溶接部の超音波探傷検査に関する。

典型的な沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、核燃料から熱を除去する循環冷却水に浸された核燃料炉心を収容するＲＰＶを含む。水は沸騰して、発電用の蒸気タービン発電機を駆動する蒸気を発生する。その後、蒸気は復水され、水は閉ループ系の圧力容器に戻される。配管路が、蒸気をタービンに運び、また再循環した水又は給水を核燃料を収容するＲＰＶに運ぶ。ＢＷＲは多数の配管系を有しており、このような配管系は、例えばＲＰＶ全体にわたって水を移送するのに使用される。例えば、炉心スプレー配管を使用して、ＲＰＶ外部からＲＰＶ内部の炉心スパージャに水を供給し、炉心を冷却する。一般的に、炉心スプレー配管は、ＲＰＶノズルに溶接された熱スリーブに結合され、また安全端部がノズルに溶接される。

応力腐食割れ（ＳＣＣ）は、構造部材、配管、固締具及び溶接部のような原子炉構成部品内で起こる可能性がある公知の現象である。原子炉構成部品は、例えば熱膨張差、原子炉冷却水の閉じ込めに必要な運転圧力、並びに溶接による残留応力、冷間加工及び他の不均一な金属処理のような他の原因に関係する様々な応力を受ける。その上に、水の化学的性質、溶接、熱処理及び放射線が、構成部品内の金属がＳＣＣを一層受けやすくする可能性がる。熱スリーブ及び炉心スプレー管路のような原子炉内部配管は、往々にしてＳＣＣの結果として交換する必要があり、交換は、新しいパイプ部材を古いパイプ部材上に溶接することを必要とすることになる。

ＳＣＣについて溶接部を検査する幾つかの公知の方法は、フェーズドアレイ・プローブを使用する。公知のフェーズドアレイは、互いに素子間の相対時間又は位相ずれで用いられる一群のトランスデューサ素子を含む。この複合素子は、空間内の異なる位置に対して方向操作できる単一の器具として働く。一般的に、公知の方法は、３０センチメートルの溶接部を走査するのに平均して１０時間かかる。
米国特許第６，３３２，０１１号公報

１つの態様では、少なくとも２つの材料間の溶接部の一部分を検査する方法を提供する。本方法は、複数の素子を有する少なくとも１つのトランスデューサを備えた少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブをその中に液体を収容したハウジング内部に取付ける段階と、液体が溶接部の一部分の外面に隣接するようにハウジングを溶接部の一部分の外面に隣接させて装着する段階と、少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブを用いて溶接部を走査する段階とを含む。

別の態様では、少なくとも２つの材料間の溶接部の一部分を検査するように構成された装置を提供する。本装置は、液体を収容するハウジングとハウジング内部に取付けられた少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブとを含む。

さらに別の態様では、原子炉圧力容器内部で溶接部によって結合された少なくとも２つのパイプの一部分を検査する方法を提供する。本方法は、複数の素子を有する少なくとも１つのトランスデューサを備えた少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブを、溶接部の所定の位置に少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブを位置決めするように構成された、その中に液体を部分的に収容したハウジング内部に取付ける段階と、検査する溶接部の一部分がその中に位置決めされかつ液体が溶接部の外面に隣接するようにハウジングを少なくとも２つのパイプの外面に隣接させて装着する段階と、方向操作可能な超音波ビームを放射する少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブを用いて溶接部の一部分を走査する段階とを含む。

図１は、沸騰水型原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１０の一部を破断した断面図である。ＲＰＶ１０は、ほぼ円筒形状を有し、一端を下部ヘッド１２によって閉じられ、またその他端を着脱可能な上部ヘッド１４によって閉じられる。側壁１６は、下部ヘッド１２から上部ヘッド１４まで延びる。側壁１６は、上部フランジ１８を含む。上部ヘッド１４は、上部フランジ１８に取付けられる。円筒形状炉心シュラウド２０が炉心２２を囲む。シュラウド２０は、一端をシュラウド支持体２４によって支持され、他端に着脱可能なシュラウドヘッド２６を備える。環状空間２８が、シュラウド２０と側壁１６との間に形成される。リング形状を有するポンプデッキ３０が、シュラウド支持体２４とＲＰＶ側壁１６との間で延びる。ポンプデッキ３０は、複数の円形開口３２を含み、各開口はジェットポンプ３４を収納する。ジェットポンプ３４は、炉心シュラウド２０の周りで円周方向に分散配置される。入口上昇管３６が、移行組立体３８によって２つのジェットポンプ３４に結合される。各ジェットポンプ３４は、入口ミキサー４０及びディフューザ４２を含む。入口上昇管３６及び２つの結合したジェットポンプ３４は、ジェットポンプ組立体４４を形成する。

核分裂性物質の燃料集合体４６を含む炉心２２内部で熱を発生させる。炉心２２を通って上に向かって循環する水が、少なくとも部分的に蒸気に変換される。氣水分離器４８が、水から蒸気を分離し、その水は再循環される。蒸気乾燥器５０が、蒸気から残留水を除去する。蒸気は、容器上部ヘッド１４付近の蒸気出口５２を通してＲＰＶ１０から流出する。

炉心２２内で発生する熱の量は、例えばハフニウムのような中性子吸収材料の制御棒５４を挿入及び引出すことによって調整される。制御棒５４が燃料集合体４６中に挿入される程度に応じて、制御棒は、そうでなければ炉心２２内で熱を発生させる連鎖反応を促進するのに利用可能になる中性子を吸収する。制御棒ガイドチューブ５６が、挿入及び引出しの間に制御棒５４の垂直方向の動きを支持する。制御棒駆動装置５８が、制御棒５４の挿入及び引出しを行う。制御棒駆動装置５８は、下部ヘッド１２を貫通して延びる。

燃料集合体４６は、炉心２２の基部に設置された炉心プレート６０によって整列される。燃料集合体４６が炉心２２内に下ろされる時に、上部ガイド６２が燃料集合体を整列させる。炉心プレート６０及び上部ガイド６２は、炉心シュラウド２０によって支持される。

図２は、容器壁１６とシュラウド２０との間に形成された環状空間２８を含むＲＰＶ１０の平面断面図である。環状空間２８内に設置された最大量の原子炉支持配管が、環状空間２８内部の空間を占める。冷却材喪失事故の間に、冷却水は、それぞれ下降管７４及び７６に結合された炉心スプレー分配ヘッダパイプ７０及び７２を通して原子炉炉心に供給される。下降管７４及び７６は、それぞれシュラウド２０及び内部スパージャ８２に取付けられた下部Ｔ形ボックス７８及び８０を介してシュラウド２０に結合される。分配ヘッダパイプ７０及び７２は、上部Ｔ形ボックス組立体８４から分岐する。具体的には、Ｔ形ボックス組立体８４は、熱スリーブ（図３に示す）によって炉心スプレーノズル８６に結合される。炉心スプレーノズル８６は、安全端部８８に結合される。

図３は、Ｔ形ボックス組立体８４の一部分を破断した側面断面図である。Ｔ形ボックス組立体８４は、炉心スプレーノズル８６内部の熱スリーブ９２に溶接されたＴ形ボックスハウジング９０を含む。炉心スプレーノズル８６は、時として炉心スプレー安全端部対ノズル間（ＳＥ−Ｎｏｚ）溶接部と呼ばれることもある溶接部１００によって安全端部８８に結合される。

図４は、安全端部８８と炉心スプレーノズル８６との間に配置されたＳＥ−Ｎｏｚ溶接部１００の一部を破断した側面断面図である。別の実施形態では、溶接部１００は、再循環ノズル対安全端部間溶接部である。さらに別の実施形態では、溶接部１００は、安全端部熱スリーブ溶接部である。溶接部１００は、円周溶接部である。この例示的な実施形態では、ＳＥ−Ｎｏｚ溶接部１００は、ＳＳ３０４で製造された新しい安全端部８８をＳＡ５０８で製造された既存の炉心スプレーノズル８６に結合する。１つの実施形態では、溶接部１００は、異種金属溶接部である。別の実施形態では、溶接部１００は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００シリーズ系材料合金８２及び１８２溶接バターを含む。Ｉｎｃｏｎｅｌは、ウェストバージニア州ハンチントンに所在のＳｐｅｃｉａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓの登録商標である。この例示的な実施形態では、溶接部１００は、全てＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）バター１０８間に配置された新しいＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）溶接部１０２と、古いＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）溶接部１０４と、古いＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）安全端部溶接部１０６の一部分とを含む。溶接部１００は、溶接幅１１４及び溶接厚さ１１６を有する。溶接幅１１４は、およそ１５センチメートル〜２０センチメートルである。溶接厚さ１１６は、およそ１．７５センチメートル〜６．２５センチメートルである。

上述の溶接部位置、材料、幅１１４及び厚さ１１６は、溶接部１００の実施例である。本発明は、同種の又は異種の材料間の任意の溶接部に対してだけでなく、結合する材料と同種又は異種である任意の溶接材料に対しても適用することができることを理解されたい。その上に、この用途は、種々の厚さ、幅及び位置の溶接部に対しても適用される。

図５は、本発明の例示的な実施形態による、溶接部１００の外面１２２に隣接するフェーズドアレイ・プローブ組立体１２０の側面図である。プローブ組立体１２０は、その中にプローブを受けて支持するように構成された固定具又はハウジング１２４を含む。ハウジング１２４は、公知の方法によって公知の不透水性材料で製作される。ハウジング１２４は、ほぼ長方形状であり、空洞１２８を囲む。ハウジング１２４は、第１の壁１３０と、第２の壁１３２と、第１の壁１３０及び第２の壁１３２に対してほぼ垂直にかつそれらに隣接して延びる一対の側壁（図示せず）とを含む。ハウジング１２４は、幅１３４及び長さ（図示せず）を有する。さらに、ハウジングの幅１３４は、溶接部の幅１１４（図４に示す）よりも大きい寸法にされる。

第１の壁１３０、第２の壁１３２及び一対の側壁の各々は、上端部１４０、下端部１４２及びそれらの間で延びる本体１４４を含む。ハウジング上端部１４０は、ハウジング空洞１２８内部に液体１４６を配置することができるように開口している。ハウジング下端部１４２は、溶接部１００に向けての放射の間に超音波ビーム１４８が妨げられないように開口している。さらに、各ハウジング下端部１４２は、検査する部品又は材料の幾何学的形状と協働するような形状にされる。１つの実施形態では、下端部１４２はほぼ凹形である。別の実施形態では、下端部１４２はほぼ平坦である。

ハウジング空洞１２８は、液体１４６で満たされる。１つの実施形態では、液体１４６は水である。別の１つの実施形態では、液体１４６は、超音波音響ビーム１４８を送信しかつ受信するのを可能にする液体の組み合わせである。

ハウジング１２８は、シール１５２によって外面１２２に対して離脱可能に装着される。ハウジング１２８は、外面１２２に沿って軸方向又は円周方向に少しずつ（増分的に）動かすことができる。１つの実施形態では、ハウジング１２８は、表面１２２に沿って軸方向又は円周方向に所定の増分間隔で連続して動かされる。シール１５２は、液体１４６がハウジング空洞１２８から外に流出することができないように、水密になっている。１つの実施形態では、シール１５２はエラストマーである。別の１つの実施形態では、シール１５２は、ゴム、シリコン及びブチルを含むグループから選択された材料である。

図６は、図５に示すアレイ・トランスデューサ１６０の概略平面図である。図５及び図６を参照すると、プローブ１２６は、超音波ビーム１４８を放射する複数の素子１６２を有する少なくとも１つのアレイ・トランスデューサ１６０を含む。プローブ１２６の使用の重要な態様は、超音波ビーム１４８を自動的に合成し、個々の素子の全体的なビームの開きの範囲内の任意の角度の「仮想プローブ」を形成する能力である。作動中に、ビーム１４８は、各素子１６２を順次に放射状態にすることによって生成され、所要の角度１６４に沿った波面１６６を形成する。角度１６４は、アクチュエータ１６８を制御する制御装置（図示せず）によって電子的に選択かつ設定され、必要に応じて、パルス毎に変えることが可能である。この「仮想プローブ」はまた、大きなアレイの形態で素子のグループを放射状態にすることによって溶接部１００を通して掃引することもできる。プローブの放射順序及びパルス遅れを選択することによって、この作用を用いて超音波ビーム１４８を自動集束させるか又は「電子的に方向操作する」ことができる。このことをパルス毎ベースで変化させて、溶接部１００を通して焦点を効果的に「掃引する」ことができる。ビームを方向操作することと自動集束させることを組合せて、得られたビーム１４８を所定の増分間隔で集束させること及び傾斜させることの両方が可能になる。超音波フェーズドアレイ・プローブ１２６は、ペンシルバニア州リューイスタウンに所在のＫｒａｕｔｋｒａｍｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｇｒｏｕｐ ｏｆ Ａｇｆａ ＮＤＴ，Ｉｎｃ．から購入可能である。

図６を参照すると、トランスデューサ１６０の基本パラメータは、周波数、開口度Ａ、素子のサイズＸ、素子の幅Ｙ、ピッチＰ及び素子１６２の数として定義される。好適な周波数は、この溶接部１００の材料タイプ及び厚さ１１６の場合には１．０〜５．０ＭＨｚである。しかしながら、他の材料で製造されたパイプ及びパイプ溶接部に対しては、他のトランスデューサ周波数を用いることができる。

素子ピッチＰは、所要の音響経路でビーム１４８を集束させるのに必要な音響開口度Ａを計算し、この値を素子１６２の合計数及び所要の角度を生じさせるのに必要な方向操作量で除算することによって決定される。素子１６２のサイズＸは、可能最大ピッチとして設定される。素子１６２の幅Ｙは、１５センチメートルの近視野がｙ平面内で最小ビーム輪郭を生じる場合の有効直径を計算することによって決定される。さらに、走査表面の物理的制約条件も、プローブ１２６の基本パラメータ値を決定する際に考慮されなければならない。

図７は、溶接部１００の一部分を検査する方法２００の例示的な実施形態を示すフローチャートであり、本方法は、少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブ１２６をその中に液体１４６を収容したハウジング１２４内部に、プローブ１２６の少なくとも一部分が液体１４６に接触するように取付ける段階２１０を含む。プローブ１２６は、アクチュエータ１６８を用いて複数の角度１６４の周りで回転するように構成される。

ハウジング１２４を溶接部１００の外面１２２に隣接させて装着する段階２００により、溶接部１００の検査が可能になる。水密シール１５２がハウジング１２４と表面１２２との間に存在するようにして、液体１４６は溶接部１００の外面１２２に隣接して配置される。１つの実施形態では、シール１５２は、着脱可能に取付けられる。別の１つの実施形態では、シール５２は、固定状態に取付けられる。ハウジング１２４は、該ハウジング１２４が溶接部１００の周りで円周方向に増分的に回転できるように、表面１２２に対して移動可能に装着されるように構成される。

プローブ１２６は、ノズル８６及び安全端部８８の少なくとも２つの異種材料間で溶接部１００を走査するように構成される。別の実施形態では、プローブ１２６は、少なくとも２つの同種材料間で溶接部１００を走査するように構成される。具体的には、ハウジング１２４を外面１２２に装着する段階２２０とプローブ１２６を用いて溶接部１００を走査する段階２３０とにより、例えば外面１７０、本体１７２及び内面１７４、さらに溶接部１００のような、ノズル８６及び安全端部８８の材料の超音波検査が可能になる。図５に示すように、ビーム１４８により検査されるボリューム１７６には、外面１７０から内面１７４に向かって延びる溶接部１００及びノズル８６が含まれる。上述のように、ローブ１２６をまさに複数の角度１６４で配向できるように、ビーム１４８は、複数の角度１６４に配向又は方向操向することができる。１つの実施形態では、ビーム１４８は、溶接部１００を通るほぼ軸方向の経路に沿って該溶接部１００の配向に垂直な線形経路で方向操作することができる。別の１つの実施形態では、ビーム１４８は、溶接部１００を通るほぼ軸方向の経路に沿って所定の増分間隔で該溶接部１００の配向に垂直な線形経路で方向操作することができる。さらに別の実施形態では、ビーム１４８は、溶接部１００を通るほぼ円形経路に沿って方向操向することができる。

ノズル８６及び安全端部８８の少なくとも２つの異種材料間の溶接部１００の一部分を検査する上述の方法２００は、より少ない人員で、より少ない照射でかつより少ない時間で検査することを可能にする。その上に、この検査により、異種又は同種の材料間の溶接部のより完全なかつより信頼性のある検査結果が得られる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が本発明の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めようとするものではなくそれらを容易に理解することを意図するものである。

沸騰水型原子炉圧力容器の一部を破断した断面図。 図１に示す沸騰水型原子炉圧力容器の上部断面図。 図２に示すＴ形ボックス組立体及びノズル／安全端部構成の一部を破断した断面図。 図３に示すＳＥ−Ｎｏｚ溶接部の側面図。 本発明の実施形態による、図４に示す溶接部の表面上に取付けられた超音波フェーズドアレイ組立体を示しまたパイプの断面図を示す側面図。 図５に示す超音波フェーズドアレイ・トランスデューサの概略平面図。 本発明の実施形態による、少なくとも２つの異種材料間の溶接部の一部分を検査する方法のフローチャート。

符号の説明

１０ 原子炉圧力容器（ＲＰＶ）
１６ 容器壁
２０ シュラウド
２８ 環状空間
７０、７２ スプレー分配ヘッダパイプ
７４、７６ 下降管
７８、８０ 下部Ｔ形ボックス
８２ 内部スパージャ
８４ 上部Ｔ形ボックス組立体
８６ 炉心スプレーノズル
８８ 安全端部
１００ 溶接部
１２０ プローブ組立体
１２２ 溶接部の外面
１２４ ハウジング
１２６ フェーズドアレイ・プローブ
１２８ ハウジング空洞
１４６ 液体
１４８ 超音波音響ビーム
１５２ シール
１６０ トランスデューサ
１６２ 素子
１６８ アクチュエータ

Claims (5)

1. 溶接された少なくとも２つの部材間にある溶接部（１００）の一部分を検査する検査方法であって、
   複数の素子（１６２）からなるトランスデューサを少なくとも１つ有する少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブ（１２６）を、複数の側部、開口上端部（１４０）、開口下端部（１４２）、前記複数の側部により画定されたハウジング空洞（１２８）を有するプローブハウジング（１２４）の前記ハウジング空洞内で、前記少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブ（１２６）が回動可能となるように取り付けるプローブ取り付け段階（２１０）と、
   前記プローブハウジング（１２４）の前記開口下端部（１４２）を、前記溶接部（１００）の前記一部分の外面（１２２）に、この外面（１２２）が前記ハウジング空洞（１２８）の下端となるように取り付けるハウジング取り付け段階（２２０）と、
   前記ハウジング空洞（１２８）の少なくとも一部を液体（１４６）により、前記液体が前記外面（１２２）に接触するように、満たす段階と、
   前記溶接部（１００）を、前記少なくとも１つの超音波フェーズドアレイ・プローブでスキャンするスキャン段階、
   とを具備することを特徴とする溶接部検査方法。
2. 前記少なくとも２つの部材は、原子炉圧力容器の２本のパイプ（７０，７２）であり、前記溶接部（１００）は前記２本のパイプ（７０，７２）間に形成された溶接部であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プローブ取り付け段階は、前記少なくとも１つのフェーズドアレイ・プローブを、アクチュエータ（１６８）により、前記プローブハウジング内で複数の角度位置で回動させる段階をさらに備えることを特徴とする請求項１の検査方法。
4. 前記プローブ取り付け段階（２１０）は、前記ハウジングの前記側部の下方端にシール（１５２）を取り付ける段階をさらに備え、
   前記ハウジング取り付け段階（２２０）は、前記プローブハウジングを、このハウジングと前記溶接部の前記一部分の前記外面（１２２）との間で前記シール（１５２）を介して水密性が得られるように、着脱可能に取り付ける段階をさらに備えることを特徴とする請求項１の検査方法。
5. 前記スキャン段階は、前記フェーズドアレイ・プローブの前記素子の少なくとも１つを、超音波ビームが複数の所望の方向角に向けて照射されるように、電子的に方向操作することを特徴とする請求項１の検査方法。

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