JP5594858B2 - 圧力容器アクセス穴栓としてのドーム形ダイアフラム／インサート・プレート - Google Patents

Description

関連出願との相互参照

本願は２００９年６月１０日付け仮出願第６１/１８５，７０６号に基づく優先権を主張する。

本発明は広くはアクセス穴を封止する蓋に係わり、特にアクセス穴を封止する蓋を使用する圧力容器に係わる。

原子力発電所において使用される蒸気発生器は原子炉で加熱された一次流体からの熱を二次流体に伝達して水蒸気に変換し、これを利用してタービン発電機を駆動する巨大な熱交換器である。蒸気発生器としての熱交換器は丈の高いほぼ円筒形の鋼製シェルの中に収納される。シェル内には多数のＵ字形伝熱管が収納されたおり、それぞれの端部がシェルの底近くに設けた水平な管板に形成された孔に挿入されている。これらの伝熱管は原子炉で加熱された一次流体の搬送に利用される。蒸気の発生に使用される二次流体または給水は、加熱されている管の外側を流動するように蒸気発生器に導入されて、その大部分が蒸気に変換されるが、この蒸気は鋼製シェルの頂部に設けた出口ノズルを通って蒸気発生器から放出される。

従来、原子力発電所の蒸気発生器の配管は苛酷な運転条件に曝され、応力腐食割れ、機械的摩耗、壁厚減少および孔食が発生し易かった。この問題を解決すべく、蒸気発生器の配管系を故障が発生する前に劣化の有無につき点検することによって、運転停止を余儀なくさせる二次側への放射性一次冷却材の漏れを防止するための数多くの技術が開発されてきた。最も普通のやり方として種々の渦電流法による蒸気発生器の点検があるが、その大部分は蒸気発生器の一次側において管板の下側から管にプローブを挿入する。蒸気発生器の管板下方に位置し半球形の一次冷却材入出口側に設けられた蒸気発生器マンホールからプローブを管板に挿入し、プローブを管内壁に沿って上昇させることによって、対応の管をマッピングする。応力腐食割れ、凹み、壁厚減少を極力少なくするだけでなく、予定された発電所運転停止期間中に蒸気発生器の二次側に対する定期的なメンテナンスを施すことによって、スラッジ、その他の沈積物および遊離物を取り除く。このようなメンテナンスを実施するには、アクセス穴、例えば、蒸気発生器シェルおよびチャンネル・ヘッドに設けられているマンホールを介して蒸気発生器の一次、二次の両側へアクセスしなければならない。これらのアクセス穴は取り外し可能なカバーを有するが、これらのカバーはメンテナンス作業後に再び密閉して、発電所稼動中、蒸気発生器の一次および二次側内部に存在する高圧環境に対するバリヤー機能を回復しなければならない。

現在使用されているアクセス穴の蓋体の多くは、ガスケット蓋または漏れ止め溶接蓋にそれぞれ適応できる平面的なインサート・プレートまたはダイアフラムを採用している。このような構成は蓋がガスケットを使用しているか漏れ止め溶接ダイアフラムを使用しているかに関係なく同様の蓋体およびネジ付固定具を使用している。インサートの目的はガスケットの内径を制約して封止面を形成し、蓋と封止される圧力容器のアクセス・パッド面との間に逃げまたはギャップを形成し、流体と多くはフェライト系の蓋体の材料との間に耐腐食バリヤーを形成することにある。もし稼働中、または運転停止中の定期メンテナンス中にパッドのガスケット接触面に損傷が発見された場合、修理に必要な時間が確保できなければ、漏れ止め溶接されたダイアフラムによって封止することができる。漏れ止め溶接ダイアフラムが使用されるのはガスケット接触面が損傷して、修理を行なうことが現
実的ではないか、穴からのアクセスが頻繁になされることはないと考えられる場合に限られるのが普通である。

漏れ止め溶接ダイアフラムの使用が必要となった場合、蒸気発生器内部へのアクセスの必要が生じた時点で、現場で取り除き易いように小さい隅肉溶接を用いることが一般的である。ダイアフラムの構造および採用される溶接方法のため、溶接構成がASME B＆PV Code Section IIIの規則が定める条件を満たすことは不可能であった。Codeの要件を満たす構成を開発する際の主な課題はCodeが定める４０年または６０年という耐用寿命を達成することである。溶接はCodeの規制範囲外であるから、Codeに定められた条件を満たすことは義務付けられていない。しかし、機能的観点から、漏れの原因となる溶接の損傷に対してゆとりのある構成を提供する必要がある。ASME Codeの規定を満たす構成であれば、漏れのない接合を確保するに充分なゆとりが得られる。

従って、本発明の目的は圧力容器の壁とアクセス穴の蓋体との間にASME Codeの条件を満たす封止を行なうことにある。

溶接部に作用する応力を軽減して、封止部の耐用寿命に亘って疲れ破損が発生する可能性を減ずるとともに蓋取り付けハードウェアに加わる曲げ荷重を軽減することも本発明の目的である。

さらには、設置場所である圧力容器の耐用寿命に亘って使用に耐える封止を行なうことも本発明の目的である。

上記の目的は、アクセス穴およびアクセス穴の改良型蓋を備えた圧力容器を提供することによって達成される。改良された蓋はアクセス穴を囲む壁に封止面を有し、アクセス穴の周りの複数個所において封止面から半径方向外方へ壁の上または壁の中に形成した雄および雌ロック装置の一方が形成されている。インサートまたはダイアフラムはアクセス穴を塞ぐように配置され、封止面の少なくとも一部の上に着座する周縁フランジと、フランジの内縁間に画定される連続的丸み部分とを有する。封止面とインサートまたはダイアフラムのフランジとの間に封止部材が形成され、蓋体がアクセス穴およびインサートの上に広がり、雄または雌ロック装置の少なくとも一方に向かって半径方向に延びている。雄および雌ロック装置の他方が雄および雌ロック装置の一方と係合することによって蓋体を壁に連結し、蓋体をインサートまたはダイアフラムのフランジに圧接させる。

１つの実施態様における封止部材はガスケットであり、もう一方の実施態様における封止部材は溶接部、好ましくは隅肉溶接部である。ロック装置は蓋体の穴を貫通して壁に設けたネジ孔に達するネジ付き固定具であることが好ましい。ネジ付き固定具としてはボルトまたはネジ付きスタッド等を採用することができる。

さらに他の実施態様において、インサートまたはダイアフラムの丸み部分がアクセス穴内へ延び、好ましくは半球形または楕円体形を呈する。典型的には、ダイアフラムのフランジは丸み部分よりも厚い。

後述する好ましい実施態様の説明を、添付図面を参照しながら検討することによって、本発明の内容がさらに詳細に亘って理解されるであろう。

図１は本発明のアクセス穴を封止する蓋体を適用できる垂直な蒸気発生器の一部破断斜視図である。 図２はインサートとガスケット・シールを採用する公知の蓋の側断面図である。 図３はダイアフラムと隅肉溶接漏れ止めを採用する公知の蓋の側断面図である。 図４は半球状インサートとガスケット・シールを採用する本発明の蓋の側断面図である。 図５は楕円体形インサートとガスケット・シールを採用する本発明の蓋の側断面図である。 図６は半球状ダイアフラムと隅肉溶接漏れ止めを採用する本発明の蓋の側断面図である。 図７は楕円体形ダイアフラムと隅肉溶接漏れ止めを採用する本発明の蓋の側断面図である。

添付図面の図１は複数のＵ字形管を利用するスチームまたは蒸気発生器１０であって、Ｕ字形管が配管内を流動する一次流体からの熱を伝達することによって配管の外側を囲む二次流体を気化または沸騰させるのに必要な加熱面を提供するのに管束１２を形成する蒸気発生器を示す。蒸気発生器１０は直立円筒状シェルを有する容器から成り、該円筒状シェルは縮径下方部分１４、円錐状中央部分２０および拡径上方部分１５を含み、上方部分１５はその上端を覆う頂部筐体または皿型ヘッド１６によって閉鎖され、下方部分の下端はほぼ半球状のチャンネル・ヘッド１８によって閉鎖されている。チャンネル・ヘッド１８には管板２２が取り付けられ、管板２２にはＵ字形管の端部を挿着するための複数の孔が形成されている。チャンネル・ヘッド１８内の中央に設けられた仕切り板２６は、チャンネル・ヘッドを管束１２のヘッダーとして機能する２つのコンパートメント２８、３０に分割する。コンパートメント３０は一次流体流入コンパートメントであり、これと流体連通する１次流体入口ノズル３２を有する。コンパートメント２８は一次流体排出コンパートメントであり、これと流体連通する一次流体出口ノズル３４を有する。こうして、一次流体コンパートメント３０に流入する一次流体、即ち、原子炉冷却材は管束１２内を流動した後、出口ノズル３４から排出される。

管束１２はラッパ管３６に囲まれており、ラッパ管３６とシェル下方部分および円錐状部分１４、２０との間にはそれぞれ管状流路３８が形成される。ラッパ管３６の頂部は下方デッキ・プレート４０によって覆われ、デッキ・プレート４０には複数のライザー管４４と流体連通する複数の開口４２が形成されている。ライザー管内には、蒸気が一次遠心分離機を通過する際、蒸気と同伴する水分の一部を回転させ、遠心分離するための旋回羽根４６が設けられている。この一次遠心分離機で蒸気から分離された水は下方デッキ・プレートの頂面へ戻される。一次遠心分離機を通過した後、蒸気は二次分離器４８を通過し、皿型ヘッド１６の中心に配置された蒸気出口５０に達する。

この発生器の給水入口構造はフィードリングと呼称されるほぼ水平な部分と、フィードリングから上方へ突出する放出ノズル５６とを有する給水入口ノズル５２を含む。給水入口ノズル５２から供給された給水はフィードリング５４を通って放出ノズル５６から放出され、蒸気から分離されて再循環している水と混合される。混合された流体は下方デッキ・プレート４０の上方から管状流路３８へ流下する。次いで、水はラッパ管３６の下方部分において管束に沿って上方へ流動し、加熱されて蒸気を発生する。

管束中の液圧水流は二次側給水の液体から蒸気への相変化と相俟って管束１２の管体を有意に振動させる。管束１２に沿って上下方向に間隔を置いて支持プレート６２が配置されるが、これらの支持プレートにはそれぞれ対応の管体を挿通し、支持するための孔が形成されている。稼動中、二次側給水の相変化に伴って管束１２、管板２２および支持プレート６２に多数の沈積物が形成される。支持プレート上の沈積物は冷却材が支持プレート６２の支持孔を通過するのを妨げ、熱伝達プロセスの効率を低下させる恐れがある。加え
て、管板２２の底や管体の管板貫通部に形成されるこれらの沈積物は管体の腐食につながる環境を発生させて管体を腐食させ、遂には蒸気発生器の一次側と二次側との間のバリヤーを破ることになりかねない。

詳しくは本願の譲受人に譲渡された２００８年１０月１４日付け米国特許第７，４３４，５４６号に記載されている遊離物回収堰６０を下方デッキ・プレート４０に採用することもできる。遊離物回収堰６０はほぼ円筒状の壁構造であり、上方ドラム、即ち、蒸気発生器１０の下方デッキ・プレートの上方の内部空間に配置され、遊離物を給水出口ノズル５６から管束１２への通路に沿うところに保持する。

また、現在稼働中の蒸気発生器の幾つかは下方デッキ・プレート４０と一体化したスラッジ回収手段６４を備えている。スラッジ回収手段は湿分分離器からの再循環冷却材に同伴する固形物を沈殿させることができる沈殿池を形成する。

管の周りに沈積するスラッジや管束にまたがる遊離物は、管束の管体が応力腐食割れ、機械的摩耗、壁厚減少および孔食を起こし易い由々しい運転環境を発生させる。この問題を解決すべく、蒸気発生器の配管系を故障が発生する前に劣化の有無につき点検することによって、運転停止を余儀なくさせる二次側への放射性一次冷却材の漏れを防止するための数多くの技術が開発されてきた。最も普通のやり方として種々の渦電流法による蒸気発生器の点検があるが、その大部分は蒸気発生器の一次側において管板２２の下側から管にプローブを挿入する。蒸気発生器の管板２２の下方に位置し半球形の一次冷却材入出口側に設けられた蒸気発生器マンホールからプローブを管板に挿入し、プローブを管内壁に沿って上昇させることによって、対応の管をマッピングする。

一次側の管体を欠陥の有無につき検査するだけでなく、発電所の運転停止期間中に蒸気発生器の下方デッキ・プレート４０やその他の領域、例えば、管板２２に沈積した遊離物やスラッジを除去して伝熱管の管体のさらなる劣化を最小限に抑制するように蒸気発生器の保守を行う。そのための蒸気発生器内部へのアクセスはマンホールまたは上方スチーム・ドラムに設けられているアクセス穴６６のようなアクセス穴から行なわれる。これらのアクセス穴は蒸気発生器の稼働中、発生器内の高圧雰囲気と原子炉建屋の環境との間のバリヤーを維持するため密閉されている。ガスケット蓋にも漏れ止め溶接蓋にも対応できる蓋構成を提供する必要がある場合には、（ダイアフラムまたはダイアフラム・プレートとも呼称される）インサート・プレートをアクセス穴のための蓋集合体の一部として利用する。このような構成は蓋がガスケットを使用しているか漏れ止め溶接ダイアフラムを使用しているかに関係なく同様の蓋体およびネジ付固定具を使用している。インサートの目的はガスケットの内径を制約して封止面を形成し、蓋体と封止される圧力容器のアクセス・パッド面との間に逃げまたはギャップを形成し、流体と多くはフェライト系の蓋体材料との間に耐腐食バリヤーを形成することにある。もし稼働中、または運転停止中の定期メンテナンス時にパッドのガスケット接触面に損傷が発見された場合、修理に必要な時間が確保できなければ、漏れ止め溶接されたダイアフラムによって封止することができる。漏れ止め溶接ダイアフラムが使用されるのはガスケット接触面が損傷して、修理を行なうのが現実的ではないか、穴からのアクセスが頻繁になされることはないと考えられる場合に限られるのが普通である。漏れ止め溶接ダイアフラムを利用する必要が生じた場合、蒸気発生器内部へアクセスする必要があれば、その場で取り除き易いように小さい隅肉溶接を使用することが多い。ダイアフラムの構造および採用される溶接法のため、溶接構成がASME
B＆PV Code Section IIIの規則が定める必要条件を満たすことは不可能であった。Codeの要件を満たす構成を開発する際の課題はCodeが定める４０年または６０年という耐用寿命を達成することである。溶接はCodeの規制範囲外であるから、Codeに定められた条件を満たすことは義務付けられていない。しかし、機能的観点から、漏れの原因となる溶接の損傷に対してゆとりのある構成を提供する必要がある。ASME Codeの規定を満たす構成で
あれば、漏れのない接合を確保するに充分なゆとりが得られる。

本発明による改良を理解する上で、現在採用されている公知のアクセス穴の蓋システムを理解することが有用であると考えられる。図２は、この公知の蓋システム９０を、圧力容器の壁７０に設けられたアクセス穴６８の上に配置した状態で示す。図示の実施態様において、圧力容器の壁７０には環状凹部５８が形成されているが、この凹部５８には耐食溶接パッド７２が埋め込まれて封止面を形成している。但し、封止面は圧力容器の壁７０を機械加工してその壁に直接設けることもできる。溶接パッド７２の封止面には寸法を環状フレキシタリック（Flexitalic)ガスケット７４に合わせた凹部７６が形成されている。環状突起９２を有する扁平なインサート・プレート７８が封止面７２およびガスケット７４の上に配置されている。環状突起９２はパッドの封止面７２の凹部７６にガスケットを着座状態に維持するように機能する。ネジ付きスタッド８０が蓋体８８の孔９４を貫通して圧力容器の壁７０のネジ付き凹部８６にまで達している。補完的なネジ付きナット８２を座金８４に向かって螺合降下させることにより蓋体８８をアクセス穴６８に固定し、インサート・プレート７８をガスケット７４に圧接させることによって圧密シールを形成する。

図３は、図２のガスケット着座面が損傷し、修理を行なうのが現実的でないか、または穴６８からのアクセスが頻繁には行なわれない場合に、扁平なインサート・プレートの代わりに使用可能な溶接漏れ止めを示す。複数の図において、同じ構成部分には同じ参照符号を付し、それぞれをダッシュ記号の数で識別した。図３に示すシールでは、アクセス穴６８にまたがる扁平なプレート・インサート７８'は本明細書においてダイアフラムと呼称することがあり、その周縁に封止パッド面７２の凹部７６に嵌合する環状突起９２'を有する。隅肉溶接９６はダイアフラム７８'の周面が封止面７２に固定されて圧密シールを確立する。図２に示すネジ付きスタッド固定具８０の代わりに、ネジまたはボルト固定具８０'が座金８４、蓋体８８を貫通して圧力容器の壁７０のネジ付き凹部８６と螺合している。但し、スタッド８０とネジ付き固定具８０'は互に交換可能であり、双方共に使用することができる。

図３に示すダイアフラム７８'からパッドの封止面７２へは主として２通りの応力が加わる。第１に、ダイアフラムからパッド隅肉溶接９６までを湾曲させる内部圧力の作用下で生じる蓋体およびダイアフラム・プレート７８'の湾曲と、第２に、ダイアフラム７８'をパッド７２の隅肉溶接９６に引っ張る内圧の作用下で生じるアクセス穴の拡張によるものである。溶接に作用する応力は穴６８のサイズによってさらに複雑化する。初期の蒸気発生器では溶接されたダイアフラムを内径２インチ（５．１ｃｍ）の点検用ポートに適用していた。その後及び将来の蒸気発生器では４インチ（１０．２ｃｍ）、６インチ（１５．２ｃｍ）など、さらに大きい穴に溶接ダイアフラムを設ける傾向にあり、不可能とは言わないまでも、疲労の点で必要条件を満たすことは極めて困難である。

溶接部への上記応力、従って累積疲労を軽減し、ASME Code の条件を満たし、現場で容易に取り外すことができる本発明の漏れ止め溶接ダイアフラムの構成を図４−７に示す。この構成はサイズに関係なく如何なる圧力容器アクセス穴とも併用できる。図４は本発明の１実施態様として構成されたインサート７８''を除き図２に示したものと実質的に同じガスケット蓋を示す。アクセス穴６８を覆うように配置されたインサート７８''は、封止面７２の少なくとも一部の上に載置される周縁フランジ１００と、フランジ内縁間の連続的丸み部分とを有する。典型的には、フランジ１００は丸み部分９８よりもやや厚いが、このことは本発明の必須条件ではない。

図５はガスケット・シール７４と併用される本発明の第２実施態様を示す。図５に示す実施態様はインサート７８'''が封止面７２の少なくとも一部の上に載置される周縁フラ
ンジと、フランジ１００の内縁間に広がる連続的丸み部分９８'とを有する点で図４に示す実施態様と実質的に同一であるが、丸み部分９８'は図４に符号９８を付した半球形ではなく符号９８'で示すように楕円体形である。

図６に示す実施態様はインサート７８''''を除いて図３に示す漏れ止め溶接蓋と実質的に同一である。インサート７８''''は、フランジが比較的短く、ガスケット７４ではなく封止面に形成された凹部７６に嵌入していることを除けば、インサート７８''と実質的に同一である。フランジ１００'の周縁は隅肉溶接９６により封止面７２に固定されている。

図７に示す実施態様はインサート７８'''''の丸み部分９８'が図６に示す丸み部分９８ではなく楕円体形であることを除けば図６に示す構成と実質的に同一である。本発明の構成は図４−７に示すように、圧力容器外壁の封止面に封止された周縁フランジの内側縁間に広がる滑らかな丸み部分を含むことが共通の特徴である。

インサートの中央領域がドーム形を呈する結果として、インサートに加わる内圧荷重が蓋体の中心から半径方向外方の領域に伝達されることで、蓋体が局部的に撓む可能性が少なくなる、即ち、蓋体に到達する荷重が蓋体取り付け固定具により近い箇所で蓋体に作用することになり、固定具にかかるモーメント荷重が軽減される結果、蓋体取り付け固定具を介して蓋体の一部が曲がる可能性が軽減される。漏れ止め溶接蓋として実施した場合、この構成はダイアフラム固定溶接部にかかる荷重を軽減するため、溶接部の疲労寿命の必要条件を満たす上で有利である。ガスケット・シールとして実施した場合、蓋体の取り付けおよび固定具締め付けを行なう間、ドーム形であることにより、ガスケットを穴に心合わせ状態に保つことでガスケットの設置が容易になる。加えて、本発明は、内圧荷重がダイアフラム本体の中心からは半径方向外方へ移動/伝播して蓋体固定具への曲げ荷重を軽減するため上記蓋体固定具に上述したような利益をもたらす。圧力容器の壁７０に対する蓋体８８の取り付け手段としてネジ付き固定具を示したが、蓋体の頂部上のフックに嵌合し圧力容器の外壁に固定されたレバーにより張力を付与されるケーブルのような多数の他の固定具を使用できることを理解すべきである。

本発明の具体的な実施態様を細部に亘って説明したが、当業者には明らかなように、開示内容全体を参考にしてこれらの細部に関して多様な変更および代案を試みることができる。従って、これらの特定の実施態様は飽くまでも説明のための方便であり、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の範囲は付記の特許請求の範囲およびその均等物によって限定される。

Claims (11)

1. アクセス穴およびアクセス穴の蓋を設けた壁を有する圧力容器であって、
   アクセス穴を囲む壁の封止面と；
   アクセス穴の周りの複数個所において封止面から半径方向外方へ前記壁の上または壁の中に形成した雄および雌ロック装置の一方と；
   アクセス穴を塞ぐように配置され、封止面の少なくとも一部の上に着座する周縁フランジと、フランジの内縁間に画定される連続的丸み部分とを有するインサートと；
   封止面と、インサートのフランジとの間に介在する封止部材と；
   アクセス穴およびインサートの上を覆い、雄または雌ロック装置の少なくとも一方に向かって半径方向に延びる蓋体と；
   雄および雌ロック装置の一方と係合することによって蓋体を前記壁に連結させ、蓋体をインサートのフランジに圧接させる雄および雌ロック装置の他方とから成り、
   インサートの丸み部分がアクセス穴内へ延びている圧力容器。
2. 封止部材がガスケットである請求項１に記載の圧力容器。
3. 封止部材が溶接部である請求項１に記載の圧力容器。
4. 溶接部が隅肉溶接部である請求項３に記載の圧力容器。
5. ロック装置がネジ付き固定具である請求項１に記載の圧力容器。
6. ロック装置が蓋体の穴を貫通する請求項５に記載の圧力容器。
7. 雄および雌ロック装置の一方がネジ孔であり、雄および雌ロック装置の他方がネジ付き固定具である請求項６に記載の圧力容器。
8. ネジ付き固定具がボルトである請求項７に記載の圧力容器。
9. インサートの丸み部分が半球形である請求項１に記載の圧力容器。
10. インサートの丸み部分が楕円体形である請求項１に記載の圧力容器。
11. インサートのフランジが丸み部分よりも厚い請求項１に記載の圧力容器。
    
    
    
    

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