JP5553953B2 - 原子炉のシュラウドと炉心プレートとの間に形成される環状凹所内部の材料を検査する装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には、特に溶接部、より具体的には断続的に遮蔽されかつ陥凹した周辺溶接部を含む大型円周表面の現場でのかつ非破壊検査に関する。そのような表面及び溶接部は、沸騰水型原子炉で至る所に見出すことができ、特に炉心プレートを支持するリング構造体と該リング構造体の上方に配置された炉心シュラウドとの間の、Ｈ６Ａ溶接部と呼ばれることもある溶接部に見出すことができる。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）は、典型的にはほぼ円筒形状を有し、両端部において例えば底部ヘッドと取外し可能な上部ヘッドとによって閉じられる。グリッドと呼ばれることもある上部ガイドは、ＲＰＶ内部で炉心プレートの上方に間隔を置いて配置される。炉心シュラウド又はシュラウドは、炉心プレートを囲み、シュラウド支持構造体によって支持される。炉心シュラウドは、原子炉冷却材流の隔壁でありかつ炉心構成部品に対する構造的支持体である。殆どの場合、炉心シュラウドは、ほぼ円筒形状を有し、炉心プレートと上部ガイドとの両方を囲む。取外し可能なシュラウドヘッドは、シュラウドの上部においてシュラウドヘッドフランジに結合される。

Ｈ６Ａ溶接部の上方で、炉心プレートは、一般的に炉心プレートとシュラウドの内表面との間に形成された狭い環状開口内に取付けられた一連の不規則に間隔を置いて配置された炉心プレートウエッジを用いて、シュラウドから間隔を置いて配置される。炉心プレートウエッジは、環状開口内部の溶接部及び表面へのアクセスを妨げ(遮蔽し)、炉心プレートウエッジ間の不規則な間隔は、アクセスをさらに困難にする。しかしながら、円周方向溶接継手は、原子炉の運転期間中に、溶接熱影響部において粒界応力腐食割れ（ＩＧＳＣＣ）及び放射線誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）を生じる可能性があり、これらの応力腐食割れにより溶接部の構造健全性を損なうおそれがある。具体的には、横方向の地震性／動的荷重が溶接部の割れ部位に相対移動を引き起こすおそれがあり、安全性及び性能を損なうおそれがある原子炉構成部品の漏洩及びずれを発生させる可能性がある。しかしながら、シュラウドと炉心プレートとの間の取付けが複雑な構成である場合には、現場での溶接部の検査は非常に困難であることが判った。

従って、シュラウド及び炉心プレートを該炉心プレートの下方に配置された支持リングに取付けるのに用いる溶接部を検査するための、信頼性がありかつそのような溶接部及び関連表面の円周部の大部分を検査可能である装置及び対応する方法を提供することが望ましい。超音波センサを使用して溶接部を検査する時に、超音波ビームの焦点、方向及び周波数は、溶接部と取付け構造体との間の所定の融解線と整合するように選択することができる。次に超音波ビームは、溶接融解線に沿って約０．２５ｍｍ〜約１２．７ｍｍ（約０．０１〜約０．５インチ）の離散的増分で焦点を移動させるように繰返し集束し直すことができる。そのような増分スキャニングの１つの方法が、特許文献１に開示されており、この特許の内容は、本明細書に参考文献として組入れられる。

溶接部の検査、特にＲＰＶの内部のような苛酷な環境で使用するための様々な機構が、これまで工夫されてきた。そのような装置の１つは、特許文献２に開示されており、この特許の内容は本明細書に参考文献として組入れられているが、カバープレートに対するＴ−ｂｏｘ取付け溶接部及び熱スリーブに対するＴ−ｂｏｘ取付け溶接部を含む特定の炉心スプレー「Ｔ−ｂｏｘ」溶接部上に超音波変換器をスキャンさせるための固定、摺動、回転及びセンサ機構を有する遠隔操作装置を構成している。
米国特許第４２９９６５６ 号 １９８１年１１月発行 米国特許第４４０４８５３ 号 １９８３年９月発行 米国特許第５５７１９６８ 号 １９９６年１１月発行 米国特許第５５８６１５５ 号 １９９６年１２月発行 米国特許第６３３２０１１ 号 ２００１年１２月発行 米国特許第６４１４４５８ 号 ２００２年７月発行 米国特許出願第２００３−００４７５８５ 号 ２００３年３月公開 米国特許出願第２００５−００５６１０５ 号 ２００５年３月公開

例示的な実施形態では、シュラウド及び炉心プレートを支持構造体に取付けるのに用いる１つ又はそれ以上の断続遮蔽された溶接部の長さの大部分を検査するための装置を提供する。本例示的な装置は、ある範囲の構成で具体化されるが、どちらかといえば、支持体、一体形保持手段を含むことができるフレーム、コネクタ、台車及びセンサを含むことになる。例示的な実施形態では、開示した装置は、炉心プレート近くでシュラウドの内表面の一部に隣接して位置決めされ、所定位置に一時的に保持される。センサを関心のある溶接部又は表面に十分近接して位置決めし、かつフレームに沿って台車を連続的或いは段階又は増分的な方式のいずれかで移動させて１つ又は複数のセンサをスキャン対象形状部に沿って移動させながらセンサを連続的又は断続的な方式のいずれかで作動させて、スキャン対象形状部の特性及び品質に対応するデータを収集する。

本発明を実施するのに利用できる装置及び方法の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。

これらの図は、本明細書で本発明の実施形態を説明する目的で、そのような例示的な実施形態の方法及び材料の全体的な特徴を示すことを意図するものであることに留意されたい。しかしながら、これらの図面は、任意の特定の実施形態の特徴を縮尺したものでも正確に反映したものでもなく、本発明の技術的範囲内に属する実施形態の数値又は特性の範囲を定める又は限定するものとして解釈してはならない。具体的には、様々な要素の相対寸法及び位置は、解り易くするために縮小又は誇張している場合がある。

図１Ａは、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）圧力容器（ＲＰＶ）の一部の部分断面図である。ＲＰＶは、一般的に一端部を底部ヘッドでまたその他端部を取外し可能な上部ヘッドで閉じられかつ底部及び上部ヘッド間で延びる側壁を備えたほぼ円筒形状を有する。ＲＰＶ内部には、炉心を囲むほぼ円筒形状の炉心シュラウド１００が配置され、炉心内において、上部表面上に配置された受入れ凹部１０６を有する炉心プレート１０２によって燃料集合体が支持されるようになる。シュラウド１００は、一端部をシュラウド支持体１０４によって支持され、一般的に他端部に取外し可能なシュラウドヘッドを含む。シュラウド１００と炉心プレート１０２との間に環状ギャップ１１０が形成され、この環状ギャップ内に操作ループ１０８ａを含むことができる一連の炉心プレートウエッジ１０８が部分的に挿入されて、シュラウドと炉心プレートとの相対的位置決めを制御する。

炉心内で発生する熱量は、例えばハフニウムのような中性子吸収物質の制御棒を挿入及び引出すことによって調整される。燃料集合体内に制御棒が挿入される程度に応じて、制御棒は、そうでなければ原子炉心内で熱を発生する連鎖反応を促進するのに利用できる筈であった中性子を吸収することになる。制御棒ガイドチューブは、挿入及び引出しの間に制御棒の垂直方向の動きを維持するのに使用し、また制御棒駆動装置は、原子炉の運転中に制御棒を選択的に挿入及び引出すために使用することができる。燃料集合体は、炉心プレート１０２と受入れ凹部１０６又は他の位置合せ構造とを使用して整列させて、間隔を制御しかつ該燃料集合体を安定させることができる。上部ガイドプレートはまた、燃料集合体を原子炉心内に降下させる時に該燃料集合体を整列させるのに使用することができる。

シュラウド、シュラウド支持体及び炉心プレート間の溶接部は、特定のＢＷＲの世代、装置ベンダ及び建設業者に応じて多様な異なる「標準」構成を含む可能性がある。特定のＢＷＲの据付では、シュラウド１００及び炉心プレート１０２の両方が、図１Ｂに示すようにシュラウドと炉心プレートと間に形成された環状ギャップ１１０の下端部に位置する溶接部１１２によって、シュラウド支持体１０４に溶接される。

図１Ａ〜図１Ｃに示すように、シュラウドと炉心プレートと間に形成された環状スペース又はギャップ１１０は、その幅が僅か約１３ｍｍ（０．５インチ）しかないほど小さいことと炉心プレートウエッジ１０８が存在することとにより、溶接部１１２へのアクセスが妨げられ、必要な据付及び整備中の溶接部の検査が極めて困難なものになる。

図２Ａ〜図２Ｃは、本発明による例示的な装置の基本構成部品の幾つかの作動を示す。図示するように、軌道サポート２００はアーチ形軌道２０２を支持し、次に軌道２０２は、台車２０４と、センサ支持体２０６と、センサ２０８と、様々な要素（図示せず）の相対運動を可能にする機構とを含むスキャニング組立体をその外面上に支持する。図２Ｂに示すように、軌道サポート２００は、アーチ形軌道を該軌道サポートに対してオフセット又は片持ち位置に位置決めし直すように配置されかつ構成されることができる。同様に図２Ｃに示すように、スキャニング組立体は、スキャニングのためにセンサ２０８を位置決めしかつスキャンを実施するためにアーチ形軌道２０２に沿って移動することができる。

図２Ａ〜図２Ｃに示しかつ上記に説明した基本構成部品の作動は、図３Ａ〜図３Ｃにおいてもほぼ同じである。しかしながら、図３Ｄに示すように、センサ２０８を環状ギャップ１１０内に挿入しかつセンサ２０８を溶接部１１２に或いはシュラウド１００又は炉心プレート１０２の側表面の１つに十分近接させて位置決めして所望のスキャニング動作を実施するのを可能にする目的で、センサ支持体２０６はさらに、軌道又はガイド２１０を使用してアーチ形軌道２０２に対して垂直方向に移動することができる。

例示的なスキャニング動作を図４Ａ〜図４Ｃに示す（シュラウドを取外した状態で）。図４Ａに示すように、本装置は、アーチ形軌道２０２が炉心プレート１０２の上部表面にほぼ平行になった状態で、シュラウド１００の内表面に隣接して位置決めされることになる。台車２０４は、炉心プレートウエッジ１０８によって妨げられていない環状ギャップ１１０の部分の上方に位置決めされることになる。次に本装置のセンサ２０８部分が、環状ギャップ１１０内に降下されて、関心のある溶接部又は表面に隣接して位置決めされることになる。次にセンサをスキャン対象形状部に沿って移動させながら、センサ２０８内に設けられた１つ又は複数のセンサエレメントが作動して、区域３００で全体を示す区域をスキャンし、所望のスキャンデータを生成する。次にこのデータを分析してスキャン対象形状部の状態を評価し、必要な場合にはタイムリーな方法で是正措置を取ることができるようになる。センサ支持体内に付加的なガイド及び／又は弾性要素（図示せず）を組み込んで、制限した度合の受動的「浮動」によりセンサを損傷させずにかつセンサ支持体の垂直方向の能動的な再位置決めを必要とせずにスキャン対象形状部における小さな不規則性に対処することを可能にする。

明らかなように、本装置のスキャンニング部分は、広範な様々な構成で具体化することができるが、一般的にはシュラウド１００の内表面の曲率半径とほぼ同一の曲率半径を有するように構成されたアーチ形軌道２０２を含むことになる。また、環状ギャップ内に挿入されることになるセンサ支持体２０６の下方部分とセンサ２０８の表面の１つ又はそれ以上とは、環状ギャップ１１０の寸法次第では、同じ曲率で構成することができる。これらの要素を環状ギャップ１１０に良好に対応するようにすることによって、環状ギャップ内への挿入及び該環状ギャップに沿った移動時における機械的干渉の可能性を減少させることができ、また位置決め機構を簡略化することができる。本装置はまた、シュラウドの内表面に接触しかつ該シュラウドに対するアーチ形軌道２０２の既知のオフセット量を積極的に設定することになる１つ又はそれ以上のスタンドオフ要素２１６を含むことができる。

図５Ａ〜図５Ｄに示すように、本装置は、燃料集合体組立体に対応するように構成されたケーシング又はフレーム２１２の内部に配置することができ、フレームは、上部ガイドに設けられた開口とフレーム２１２ａ及び炉心プレート１０２上に設けられた対応する位置合せ構造とを使用して炉心内に挿入されて、シュラウドの内表面に対して該フレームの位置を設定することができるようになる。フレーム２１２の挿入及び位置決めの間には、保護又は後退位置においてスキャンニング装置をフレーム内部に保持して、上部ガイドを通しての挿入を容易にしかつ装置のより傷つき易い要素を保護することの両方を行うことができる。一旦フレームが炉心内部に配置されると、一般的には周辺の燃料集合体位置を使用して、スキャンニング装置は、フレーム２１２からシュラウドの内表面に向かって延びるように再構成されることができる。

図５Ｂのようにフレーム２１２内部に嵌合するようにほぼ垂直方向に配向することができるアーチ形軌道２０２は、次に軸線２１８の周りで回転させて、図５Ｃのようにスキャニング動作の前準備としてほぼ水平な構成に、即ち炉心プレートの上部表面にほぼ平行に配置することができる。スキャンニング装置の延長部分は、図５Ｄに示すようにシュラウド１００の内表面に隣接しかつ環状ギャップ１１０の上方にスキャンニング装置を位置決めするように選択されかつ構成されることができる、例えば油圧ピストン、空気ピストン、ステッパモータ、４棒リンケージを含む様々な機械要素２１４及び位置決め要素を使用して、フレーム２１２に結合されることができる。

図６Ａ〜図６Ｄに示すように、センサ支持体は、該センサ支持体の１つ又は複数の延長部分上にセンサ２０８、２０８ａ及び２０８ｂが設けられた状態の「Ｔ」形状２０６ａ又は「Ｌ」形状２０６ｂの形態に構成することができる。図４Ａ〜図４Ｄに示したスキャンニング動作においてこのような改良型センサ支持体を使用することによって、１つ又は複数のセンサヘッドをセンサ支持体の上方部分の水平方向の移動を制限する炉心プレートウエッジの下方に位置決めすることが可能になり、例示的な装置を使用してスキャンできる円周方向区域を増加させることが可能となる。さらに、図６Ｂ及び図６Ｄに示すように、センサ支持体２０６ａ、２０６ｂ及び／又はセンサ２０８、２０８ａ、２０８ｂは、相対寸法次第で、環状ギャップ１１０の曲率半径に対応するように構成することもできる。

図８に示すように、センサ２０８は、センサ支持体に締結されるように配置され、また異なる構成を有することができかつ／又はスキャン対象形状部又は表面の異なる特性を分析するのに適した複数のセンサ３０４、３０６を保持するように配置されたフレーム又は本体３０２を含むことができる。例えば、センサ２０８は、異なる周波数範囲を発生しかつフレーム位置に対して異なる領域に集束するように構成された一連の超音波変換器を含むことができる。例えば、例示的なセンサにおける個々のセンサは、２．２５ＭＨｚで作動する４５度せん断型変換器、２．２５ＭＨｚで作動する６０度屈折縦型（ＲＬ）変換器、２．２５ＭＨｚで作動する外径（ＯＤ）クリーパ型変換器及び５ＭＨｚで作動する０度縦型変換器を含むことができる。環状ギャップ１１０の相対的に狭い間隔に対処するためには、これらの変換器は、一般的に５ｍｍ〜２１ｍｍ程度の寸法を有することになるが、十分理解されているように、実際の寸法は、特定の用途とセンサヘッドで利用する特定のセンサに適合するようにすることができかつそれらによって定まることになる。センサは超音波装置に限定されるものではなく、それらセンサがスペース要件に適合するように構成可能なものであれば、必要に応じて渦電流、電気抵抗、光学及び他のセンサを含むことができる。フレーム３０２はまた、一般的に電源と、導線又はケーブル及び光学ファイバ線の両方を含むことができる検知、通信又はデータ線との両方のための複数の接続部又はポート３０８を含む。

本発明による装置の他の例示的な実施形態を、図７Ａ〜図７Ｃに示す。図７Ａに示すように、アーチ形軌道２０２には、軌道の端部近くに配置された保持装置を設けることができる。保持装置の１つの実施形態は、ウエッジ２２２、弾性部材（図示せず）、カム（図示せず）又は他の要素のような位置決め装置を延ばすのに使用することができるシリンダ２２０又は他のアクチュエータを含む。図７Ｂに示すように、１つ又は複数の位置決め装置は、環状ギャップの側壁、シュラウド１００の内表面及び炉心プレートウエッジ１０８（図示せず）の１つ又はそれ以上と接触することによって環状ギャップ１１０に対して軌道２０２の位置を一時的に固定するように構成しかつ位置決めすることができる。一旦スキャニング動作が完了すると、位置決め装置２２２が開放されるか又は引込まれて、シュラウド１００の内面の異なる円周方向部分に隣接してスキャニング装置を位置決めし直すのが可能になる。

図７Ｃに示すように、スキャニング装置は、フレーム又は組立体２２４を支持しかつ炉心内部でのより広い移動範囲を可能にするポール２２６上に設けることができる。フレーム２２４にはまた、炉心プレート上の燃料集合体位置に位置決めするための位置合せ構造体２２４ａを設けることができ、或いはシュラウド１００の内表面に対してスキャニング装置の位置を一時的に固定するための他の組立体（図示せず）を含むことができる。他の組立体は、他のハードポイント又は定期的メンテナンスを実施するために一般的に原子炉容器内部の様々な位置に設けられた取付け固定具に結合するように配置されかつ構成されることができる。それに代えて、他の組立体は、一般的に炉心プレートの周辺部近くに配置された他の構造体と相互作用させて、それによってスキャニング装置をシュラウドの内表面に対して一時的に所定位置に固定することができるように構成することができる。例えば、装置を所定位置に保持するに十分な差圧を形成することによって、スキャニング装置をシュラウド１００又は炉心プレート１０２に固定するような真空組立体を設けることができる。

本発明をその例示的な実施形態を参照して具体的に示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本発明において形態及び細部の様々な変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

Ａは、典型的な沸騰水型原子炉（ＢＲＷ）圧力容器のシュラウドと炉心プレートとの接合部の領域の断面図、Ｂは、シュラウド、炉心プレート及び支持部材間の取付け部を拡大して示す領域Ｂの断面図、Ｃは、Ａ及びＢに示す領域の平面図。 Ａ乃至Ｃは、本発明の例示的な実施形態の特定の要素の作動を示す平面図。 Ａ乃至Ｄは、本発明の例示的な実施形態の特定の要素の作動を示す図。 Ａ乃至Ｃは、本発明の例示的な実施形態の特定の要素のスキャニング動作中の作動を示す図。 Ａ乃至Ｄは、本発明の例示的な実施形態の特定の要素の作動を示す図。 Ａ乃至Ｄは、本発明の例示的な実施形態で用いることができるセンサアーム及びセンサヘッドの別の特定の構成を示す図。 Ａ乃至Ｃは、本発明の別の例示的な実施形態の特定の要素の作動を示す図。 本発明を実施するのに用いることができる例示的な多機能センサヘッドを示す図。

符号の説明

１００ 炉心シュラウド
１０２ 炉心プレート
１０４ シュラウド支持体
１０６ 凹部
１０８ ウエッジ
１１０ 環状凹所
１１２ 溶接部
２００ 軌道サポート
２０２ アーチ形軌道
２０４ 台車
２０６ センサ支持体
２０８ センサ
２１２ ハウジング
２１４ 展開機構
２１６ スタンドオフ要素
２２０、２２２ 保持機構

Claims (9)

1. 原子炉のシュラウド（１００）と炉心プレート（１０２）との間に形成される環状凹所（１１０）内部の材料を検査するための装置であって、
   前記環状凹所に近接して位置決めすることができる軌道サポート（２００）と、
   前記軌道サポート（２００）上に設けられかつ前記環状凹所の曲率半径と同一の曲率半径を有するアーチ形の軌道（２０２）と、
   前記環状凹所に隣接しかつ該環状凹所の上方において、前記シュラウド（１００）と前記炉心プレート（１０２）との相対的位置決めを制御する炉心プレートウエッジ（１０８）に隣接して固定されるウエッジ（２２２）を備える保持機構（２２０、２２２）と、
   前記軌道に沿って第１の方向に移動するように配置されかつ構成された台車（２０４）と、
   前記台車上に設けられかつ前記第１の方向に対して垂直な軸線に沿って移動するように構成されたセンサ支持体（２０６）と、
   前記センサ支持体上に設けられかつ前記環状凹所内に挿入されるように構成されたセンサ（２０８）と、
   格納構成において、前記軌道サポート（２００）、アーチ形の軌道（２０２）、保持機構（２２０、２２２）、台車（２０４）、センサ支持体（２０６）及びセンサ（２０８）を収容するように配置されかつ構成されたハウジング（２１２）と、
   を含み、
   前記保持機構（２２０、２２２）の前記ウエッジ（２２２）は、前記シュラウド（１００）の内表面及び、前記環状凹所の側壁と接触することによって前記軌道の位置を一時的に固定し、
   前記台車の移動によって前記センサを前記環状凹所の表面の一部に沿って移動させる、環状凹所内部の材料を検査するための装置。
2. 前記保持機構が、
   前記環状凹所の外側壁から延びる表面に接触して前記軌道と該表面との間に所定の間隔を維持するように配置されたスタンドオフ要素（２１６）と、
   前記軌道の両端部に近接して配置されて前記環状凹所内部に前記ウエッジを位置決めするようになった第１及び第２のアクチュエータ（２２０）と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
3. 前記ウエッジが、
   前記第１の方向に対して垂直な挿入方向に前記環状凹所内に部分的に挿入されて前記環状凹所に対してこの検査装置の位置を一時的に固定するように構成されたウエッジ形状の要素（２２２）と、
   前記環状凹所内に挿入された時に圧縮構成を呈する弾性要素と、
   拡大構成と縮小構成との間で選択的に移行して前記環状凹所に対してスキャニング装置の位置を一時的に固定するように構成された要素と、
   からなる群から選ばれた１つ又はそれ以上の要素を含むことを特徴とする請求項２記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
4. 前記ハウジング（２１２）は、前記炉心プレート（１０２）の上方に配置された上部ガイドに設けられた開口を使用して炉心内に挿入され、前記シュラウド（１００）の内表面に対して前記ハウジング（２１２）の位置を設定することを特徴とする請求項１記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
5. 前記ハウジング（２１２）は、格納構成にある時に、前記軌道サポート（２００）、アーチ形の軌道（２０２）、台車（２０４）、センサ支持体（２０６）及びセンサ（２０８）を収容しかつ保護するように配置されかつ構成され、
   展開構成にある時に、前記軌道サポート、アーチ形の軌道、台車、センサ支持体及びセンサを前記ハウジングから選択的に延ばしかつ格納構成に選択的に戻るように配置された展開機構（２１４）と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
6. 前記展開機構（２１４）が、前記アーチ形の軌道（２０２）が前記ハウジング（２１２）内部に嵌合することができる垂直方向の配向と、前記アーチ形の軌道（２０２）がスキャニング動作を行うことができる水平方向の配向との間で前記軌道を選択的に回転させるように配置されていることを特徴とする請求項５記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
7. 前記軌道サポート（２００）の配向が、格納及び展開構成の両方において同一であることを特徴とする請求項４記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
8. 前記展開機構（２１４）が、格納構成と展開構成との間で移動する時に前記軌道サポートの配向を維持するための４棒リンケージを含むことを特徴とする請求項７記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。
9. 前記センサ支持体（２０６ａ、２０６ｂ）が上部結合部分と下部センサ支持部分とを含み、前記支持部分が、該結合部分の水平方向延長部分を超える水平方向展延性を有することを特徴とする請求項１記載の環状凹所内部の材料を検査するための装置。

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