KR0143503B1 - 원자로압력용기 검사용 수중탐상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파센서를 장착하고 원자로압력용기 내부벽면의 용접부위를 검사하거나 원자로 내부로 육안검사하기 위한 장치에 관한 것이며, 원자로 압력용기 검사애 있어서, 레이저 위치감지센서와 초음파센서를 장착한 자석바퀴식 수중탐상로보트와 레이저 위치지시기를 원자로 상단에 설치하여 수중탐상로보트의 상판에 설치된 레이저 위치감지센서를 조준하고 수중탐상로보트를 원하는 위치로 유도시키면서 수중에서 검사를 수행하는 것이며, 상기 수중탐상로보트가 원자로 압력용기 벽면에 부착하여 주행할 목적으로 자석바퀴를 장착하고 수중탐상로보트의 몸체가 항상 원자로압력용기 벽면과 평행을 유지하도록 하기 위하여 평행사변형 형태의 링크에 두 개의 캐스터 휠을 장착하며, 수중탐상로보트가 수중에서 부력을 받을수 있도록 내부에 부표를 설치하여, 레이저 위치감지센서와 볼록렌즈, 간유리 혹은 간종이 등의 스크린을 직렬로 배치한 경통에 의하여 레이저 수광 유효면적을 확대시키며, 수중탐상로보트의 현재 절대위치를 확인하기 위하여 구동바퀴의 회전량을 알아내기 위한 엔코더, 수중탐상로보트의 수직위치를 산출하는 수압센서(깊이센서), 수중탐상로보트의 자세를 산출하는 2축 경사계를 레이저 위치지시기 및 레이저 위치감지센서와 상호 보완적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

원자로압력용기 검사용 수중탐상장치

제1도는 원자로압력용기 검사장치의 전체 구성도.

제2도는 수중탐상로보트의 형태 및 구조.

제3도는 수중탐상로보트의 구동부의 평면도.

제4도는 수중탐상로보트 구동부의 측면도로서, 평행사변 링크로된 캐스터 지지판의 구조.

제5도는 곡면주행시 캐스터의 모양.

제6도는 구동바퀴의 구조도.

제7도는 레이저 센서 회로와 모터 구동 회로의 배치 및 원리에 대한 블록 다이어그램.

제8도는 레이저 위치감지센서의 원리.

제9도는 레이저 센서 유효면적을 확장하는 경통의 구조도.

제10도는 레이저 센서 정보를 이용하여 수중탐상로보트의 위치를 보정하는 원리.

제11도는 레이저 위치지시기의 구조도.

본 발명은 초음파센서를 장착하고 원자로압력용기 내부벽면의 용접부위를 검사하거나 원자로 내부로 육안검사하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 거대한 고정식 로보트 매니퓨레이터에 의한 검사방식을 소형의 자석바퀴식 탐상로보트에 의한 검사방식으로 대체 하기위한 것이다.

원자력 발전소의 주요계통 중에서 원자로 압력용기는 실린더 몸체, 노즐, 플랜지 등 따로따로 제작된 여러개의 주조물을 용접하여 제작하는데, 이 용접부위는 상대적으로 결함발생의 빈도가 높은 곳으로 주기적으로 결함의 발생유무를 검사하도록 규정되어 있다.

그런데 원자로 압력용기 용접부위에 대한 검사는 고방사선 오염 지역내에서 작업되어야 하므로 그 작업 난이도가 매우 높다. 현재까지 이 작업은 여러원자력 산업체에서 사용화한 거대한 고정식 로봇 매니퓨레이터를 사용하여 수행하고 있다. 즉, 이 매니퓨레이터 손 끝에 센서를 장착하고, 이를 용접부 상으로 이동 시키면서, 이 때 취득한 센서신호로부터 용접부위의 결함 유무를 판정하고 있다.

이와같은 고정식 매니퓨레이터 방식은 장비의 규모와 중량이 매우 커서(1.7∼12ton), 운송, 조립 해체시간이 많이 소요되고 제염작업이 번거로울 뿐 아니라 가격이 매우 비싸다.

본 발명은 상기와 같은 선행기술의 문제점을 개선하기 위하여 소형경량의 벽면부착이동식 수중탐상로보트와 이 로보트의 위치를 제어하기 위한 레이저 위치지시기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 원자로 압력용기 검사에 있어서, 레이저 위치감지센서와 초음파센서를 장착한 자석바퀴식 수중탐상로보트와 레이저 위치지시기를 원자로 상단에 설치하여 수중탐상로보트의 상판에 설치된 레이저 위치감지센서를 조준하고 수중탐상로보트를 원하는 위치로 유도시키면서 수중에서 검사를 수행하는 것이며, 상기 수중탐상로보트가 원자로 압력용기 벽면에 부착하여 주행할 목적으로 자석바퀴를 장착하고 수중탐상로보트의 몸체가 항상 원자로압력용기 벽면과 평행을 유지하도록 하기위하여 평행사변형 형태의 링크에 두 개의 캐스터 휠을 장착하며, 수중탐상로보트가 수중에서 부력을 받을수 있도록 내부에 부표를 설치하여, 레이저 위치감지센서와 볼록렌즈, 간유리 혹은 간종이 등의 스크린을 직렬로 배치한 경통에 의하여 레이저 수광유효면적을 확대시키며, 수중탐상로보트의 현재 절대위치를 확인하기 위하여 구동바퀴의 회전량을 알아내기 위한 엔코더, 수중탐상로보트의 수직위치를 산출하는 수압센서(깊이센서), 수중탐상로보트의 자세를 산출하는 2축 경사계를 레이저 위치지시기 및 레이저 위치감지센서와 상호 보완적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 수중탐상로보트는 수중에서 원자로용기 벽면상에서 정해진 검사 경로를 따라 이동하는 기능을 갖는다. 용접부위는 원자로 제작 회사에 따라 다소 차이가 있지만 대개 원주방향의 접합선( Circumferential Seam), 노즐과 세이프 앤드(Safe End)간의 용접부, 노즐과 어퍼 쉘(Upper Shell)간의 용접부, 노즐 리너 라디오스 섹션(Inner Radius Section), 리거먼트(Ligament), 쉘 프랜지(Shell Flange)와 어퍼 쉘(Upper Shell)간의 용접부 등이다.

이와같은 부위를 검사하려면, 첫째 수중탐상로보트가 검사경로를 따라 이동하는 기능이 있어야 하고, 둘째, 센서를 검사할 부위에 위치시키는 기능이 있어야 하는데, 검사에 사용되는 모든 부품이나 장치는 방사선의 영향을 받지 않아야 하고, 검사 후 제염을 쉽게할 수 있어야 하며, 검사장치가 수중에서 작동되어야하므로 서보 모터의 회전축 부위를 포함한 모든 부분이 방수 밀봉처리되어야 한다.

수중탐상로보트를 이동시켜 검사작업을 수행하려면 수중탐상로보트를 원하는 검사경로대로 주행시키는 것이 핵심적인 기술이다. 본 발명에서는 레이저 위치지시기를 원자로 상단을 가로지르는 I 형 빔의 가운데 설치하고, 수중탐상로보트의 상판에 설치된 위치감지센서서(PSD)를 조준한 상태에서 레이저 빔을 원하는 주행경로를 따라 주사시킨다. 이 때 수중탐상로보트는 위치감지센서에 감지된 레이저 빔의 이동지시량 만큼 모터를 구동하여 레이저 빔을 따라가도록 제어한다.

이하 본 발명을 첨부 도면에 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 원자로압력용기 검사장치의 전체 구성도로서, 전체 장치의 구체적인 구성은 초음파탐촉자를 정착하고 원자로 압력용기의 내부벽면에 부착된 채 수중에서 주행하는 수중탐상로보트와 레이저 빔을 주사하여 수중탐상로보트를 원하는 위치로 유도시키는 레이저 위치지시기로 구성되어 있다.

자석바퀴식 수중탐상로보트는 초음파센서와 레이저 위치감지센서(PSD)를 장착하고 자석바퀴를 이용하여 원자로압력용기 벽면에 부착된 채 수중에서 주행 및 작업하는 장치이다.

레이저 위치지시기는 원자로압력용기 상단을 가로지르는 I 형 빔에 설치되어 로보트 상판에 부착된 PSD센서에 레이저 빔을 주사하여 로보트을 원하는 위치로 유도하는 장치이다.

평행사변형 구동바퀴 지지장치는 수중탐상로보트가 원자로압력용기와 같은 실린더 형의 곡면상에서 몸체를 벽면과 평행상태로 만들기 위한 장치로 캐스터 바퀴가 장착된다.

레이저 위치감지센서 보조장치는 수광센서, 볼록렌즈와 스크린을 직렬배치하여 수중탐상로보트 상판의 레이저 위치감지센서(PSD)의 입사면적을 확장하는 장치이다.

제2도는 수중탐상로보트의 형태 및 구조를 도시한 것으로서, 수중탐상로보트는 크게 네 개의 자석바퀴와 바퀴를 구동하는 서보모터를 포함한 자석바퀴 구동부, 마이크로프로세서를 장착하고 모터제어와 센서신호처리를 담당하는 로보트 제어부, 위치감지센서, 카메라, 탐촉자, 경사계, 수압계로 구성된 센서부로 나누어 설명할 수 있다. 또한 수중탐상로보트에는 수중에서 자신의 무게를 영(zero)으로 만들기 위하여 부포(Float)를 설계하여 장착한다. 즉 로보트의 무게중심과 부력중심을 일치시키므로서 수중탐상로보트는 수중에서 중력 방향의 힘이 없어져 무중력 상태가 되고, 어떤 자세에서도 모멘트를 받지 않게 된다.

물론 수중탐상로보트에 연결된 전원, 신호 케이블의 장력, 수중탐상로보트가 이동 중에 물에 의한 저항력 및 수중탐상로보트의 무게 중심 변화 등도 고려되어 있다.

제3도는 수중탐상로보트의 구동부를 도시한 것으로서, 수중탐상로보트 몸체는 직경320㎜의 원형으로 되어 있으며 좌우전후에 모두 네 개의 자석 바퀴가 부착되어 있다. 좌우에 설치된 자석 바퀴는 DC서보 모터로 각각 구동제어된다. 전후의 자석바퀴는 단지 몸체를 받쳐주는 역할만을 하고 구동 바퀴에 의해 수중탐상로보트가 진행하는데 기구학적으로 순응하도록 캐스터(Caster)형태로 설계되어 있다. DC 서보 모터는 정격출력 8.6Watt, 정격전압 24VDC, 정격토오크 1.4Nm이다. 수중탐상로보트의 이동방향과 속도는 두 구동 바퀴의 회전속도의 차이나 합에 의해서 정해지며 전방향 회전 및 이동이 가능하며 제자리에서 360도 회전할 수도 있다.

본 발명의 주요한 특징은 원자로 용기와 같은 실린더형의 곡면을 주행하기 위하여 주행장치를 특별히 고안한 것이다. 즉, 일반적인 네 개의 바퀴 주행식은 평면상을 주행하기는 쉬우나 곡면주행에 있어서는 바퀴가 부착되지 않음으로 인하여 어느 한두 바퀴는 떠있는 상태가 될 수 있고 따라서 속도계산이나 위치제어가 어렵게 된다. 본 발명에서는 이를 방지하고 곡면상에서의 원활한 주행을 가능케 하기 위하여, 두 개의 캐스터는 별도의 지지판에 설치하여 이를 몸체에 기구학적 링크(Link)를 통하여 부착시킨다.

제4도에서 보는 바와 같이 평행사변형 링크를 고안하여 어느 경우에도 바퀴가 허공에 뜨는 일이 없도록 하고 원형 몸체는 항상 캐스터 지지판과 평행을 이루도록 하므로서 원형 몸체의 각도가 원자로 벽면과 항상 평행을 유지하도록 한다. 일반적으로 주행면의 굴곡을 수용하기 위하여 바퀴지지대의 스프링과 댐퍼(damper)를 장착하나, 본 발명에서의 수중탐상로보트는 자력에 의하여 벽면에 부착된 상태로 이동하여야 하기 때문에, 스프링을 사용하면 로보트가 벽면에서 떨어지는 방향의 스프링 복원력을 받게 된다. 그러므로 자석으로 제작된 캐스터 바퀴가 적합한 방법일 수 있다.

제5도는 수중탐상로보트가 원자로압력용기 내부 곡면을 주행할 때 수직방향주행과 원주방향주행의 각각의 경우에 대해서 캐스터의 위치와 모양새를 도시한 것이다.

제5도(가)는 로보트가 벽면을 수직한 방향으로 이동할때를 나타내고 있다. 이 경우 캐스터 바퀴는 구동륜보다 낮아진다. 원자로 반경을 약 2m로 하고 구동횔간의 간격을 32cm라 하면, 캐스터 바퀴는 평면 주행때 보다 약 1cm 낮아진다.

제5도(나)는 로로트가 원중방향의 곡면을 따라서 이동할 때를 나타낸다. 이 때는 캐스터 바퀴들이 구동륜보다 약 1㎝ 높아진다. 이 밖에 사선방향으로 이동할때나 제자리에서 회전할 때도 같은 원리로 안정하게 벽면에 부착되도록 되어있다.

원자로압력용기에 대한 초음파탐상은 방사선 차폐를 위하여 원자로에 물을 채운 상태에서 수행하므로 프로펠러를 이용한 물의 분사추진력을 이용할 수도 있다. 반면, 원자로의 내부 표면은 비자성체인 오스테/나이트계 스텐레스 스틸로 얇게(4∼6㎜) 도장(cladding)되어 있긴 하지만 대다수의 재질은 자석에 붙는 탄소강으로 이루어져 있음으로, 자석을 이용하여 부착력을 발생시킬 수 있다. 본 발명에서는 자력을 이용한 벽면 구동 시스템을 채택한다. 이는 바퀴를 제작함에 있어 자석을 재료로 사용하게 되므로 추가의 부품이 부착되지 않아 소형 경량화를 이룰 수 있고, 자성에 영향을 받는 관련 부품들은 자석바퀴와 어느정도이상 거리를 두어 영향을 극소화하거나 제거할 수 있다. 구동바퀴의 자석은 히토류계의 네오다이미움(Neodymiym)을 재질을 사용하는데, 리지듀얼 인덕션(Residual Induction)이 12.9 KGauss이고 최대 에너지 생산량(Maxium Energy Produce)이 40MGOe인 외경 62㎜의 환형 자석을 사용한다. 제6도에서 보는 바와 같이 N극과 S극이 상하 장착된 이 자석을 바퀴의 외경부근에 자력선을 모으기 위하여, 2㎜두께의 순철로 된 원판을 자석 양면에 부착한다. 이 순철의 원판은 자석과 완전히 밀착되어야 자력선을 모아 이동시킬수 있음으로 연삭을 통한 고정밀 가공이 되어야 한다. 한편 바퀴가 벽면을 굴러갈 때 미끄럼이 발생하지 않도록 자석 외경부 밖에 마찰력이 큰 고무(우레탄)를 입히고, 자석 내경부에는 비자성체인 듀랄루민이나 황동으로 모터의 축과 연결하는 지그를 삽입하였다.

마지막으로 방수 문제를 생각할 수 있다. 일반적으로 카메라, 전자회로기판, 센서류 등 각종 부품은 주위를 둘러 쌈으로서 방수할수 있다.

방열 문제가 발생할 수 있지만, 수중 환경이므로 냉각시키기 쉬운 잇점이 있다. 문제는 모터의 축부분과 같이 회전체의 방수부분이며, 방수는 원자로의 수압이 약 2기압(최대수심 20m)걸릴 수 있기 때문에 이 조건하에서 이루어져야 한다. 본 발명에서는 구동모터의 회전축에 U-패킹(packing)을 삽입하여 방수처리한다.

제7도는 수중탐상로보트의 위치제어를 위하여 수중탐상로보트에 탑재된 온-보드(on-board) 로보트 콘트롤러를 설명하고 있다. 이 콘트롤러는 레이저빔 수광센서의 신호를 처리하는 전자회로와 자석바퀴를 구동시키기 위한 모터구동회로를 포함하고 있다. 외부 컴퓨터와 탐상로보트의 CPU 간에는 RS422A를 통하여 위치정보와 명령을 주고 받게 된다. 또한 수압센서, 경사센서, 좌우바퀴 엔코더로 부터의 회전각등의 로보트 속도, 위치 및 자세에 대한 정보와위치감지센서(PSD)로 부터의 위치오차정보가 수중탐상로보트의 CPU에서 처리되어 속도, 방향에 대한 명령으로 모터드라이버에 전달된다. 로보트에 사용된 CPU는 12Mhz의 intel 8097이며 소프트웨어에 의해 2msec의 속도 피드백과 8msec의 위치 피드백을 실행하여 모터에 공급되는 전력량을 내장된 고속도 출력(high speed output)를 이용하여 PWM방식으로 제어한다.

제8도는 수중탐상로보트의 상판에 설치된 위치감지 센서를 설명하는 것으로서, 사용화된 위치감지센서(PSD)는 여러 종류가 있을수 있으나 본 수중탐상로보트에는 레이저 빔의 주사된 위치 P점이 이차원 좌표(xp, yp)를 산출해낼 수 있는 센서를 채택한다. 제8도에서 흰색의 정삭각형 부분은 위치감지 유효면을 나타낸다. 사용된 위치감지센서는 2차원용으로 4개의 전극에서 나온 전류를 전압으로 변환한 뒤 이들 각각을 CPU에 내장된 10비트(bit)의 A/D변환기로 읽은 후 디지탈 연산으로 좌표값을 구한다.

제9도는 렌즈와 스크린을 사용하여 위치감지센서의 유효면적을 확장시키는 방법을 나타내는 것으로서, 실제로 원자로 압력용기의 검사시에는 레이저 광원과 위치감지센서(PSD)와의 거리는 10m가 넘는 경우도 있으며 위치감지센서의 유효면적은 13㎜ × 13㎜ 정도이므로 레이저를 수중탐상로보트 상단에 장착된 위치감지센서의 유효면안에 항상 정확히 입사시키기가 쉽지 않다. 그러므로 안정된 위치제어를 위하여 센서의 유효면적을 확장시키는 것이 바람직하다. 이를 위하여 면적이 큰(직경 50㎜ 정도)스크린을 설치하고 이 스크린에 레이저빔을 입사시켜 여기서 산란된 빛을 볼록렌즈를 통하여 위치감지센서(PSD)가 스크린에 레이저빔이 도달된 위치를 알아내는 방법으로 해결한다.

제10도는 수중탐상로보트의 위치제어 원리를 도시한 것으로서, 레이저 위치지시기가 수중탐상로보트의 위치감지센서를 조준한 상태에서 수중탐상로보트가 이동하여야할 지점 P에 레이저 빔을 입사시킨다. 이 때 로보트 제어기는 입사한 레이저빔의 위치 P가 항상 위치감지센서의 중앙 0에 오도록 탐상로보트의 바퀴를 제어한다. 즉, 탐상로보트의 진행방향의 오차를 ey, 좌우방향의 오차를 ex로 각각 정의할 때 ex 와 ey를 0이 되도록 좌우바퀴의 속도 VL 과 VR을 제어한다.

즉, ex, ey를 입력으로 하여 PD제어에 의해 로보트 중심의 속도와 좌우바퀴의 속도차이를 구하여 이로부터 VL 과 VR을 계산하여 좌우바퀴를 제어한다.

제11도는 레이저 위치지시기를 구조를 도시한 것으로서, 실제로 압력용기의 검사시에는 노즐근처의 용접부 검사가 가장 어렵고 중요하므로 노즐부분을 중심으로한 이 모형의 기하학적인 구조정보를 PC가 저장하고 있다. 이를 이용하여 약 0.01°의 해상도를 가진 레이저 빔 팬틸트를 제어하여 레이저 광선이 로보트가 주행하고자 하는 지점을 비추도록 한다. 이 팬틸트는 2개의 스텝모터로 구성되고 스텝모터 자체의 해상도를 보다 미세하게 제어할 수 있는 드라이버와 670nm 파장의 5mW 레이저 다이오드가 있다. 사용된 드라이버는 최대 400분의 1까지 스텝을 분할할 수 있다. 곡선 주행시 반드시 지나야 할 지점 180개 정도를 미리 지정한 뒤 PC의 중앙연산장치에 무관하게 하드웨어적으로 구동한다.

레이저빔을 사용하여 수중탐상로보트에 의한 초음파탐상을 수행하기 위해서는 레이저 위치시키게 미리 검사경로에 대한 정보가 주어져야 한다. 탐상경로는 압력용기 사양에 의해 계산되는데, 레이저빔 위치시기는 계산된 경로에 대한 정보를 주제어 컴퓨터로부터 다운로드(download)받는 기능을 가진다.

실제에 있어서 탐상경로의 계산은 수중탐상로보트의 좌우바퀴가 그리게 될 궤적에 의해 구해지는데 이것이 그렇게 용이한 문제가 아니므로 본 발명에서는 외부에 연결된 주제어 컴퓨터에서 이를 미리 계산하여 레이저빔 위치지시기에 계산된 값을 다운로드시키는 방식을 채택한다. 또한 외부 주제어 컴퓨터에 원자로압력용기 검사용 초음파 발신·수신 프로세서를 장착하여 수중탐상로보트의 팔 끝에 달린 비파괴검사용 초음파센서로 부터의 신호를 취득하도록 한다.

Claims (2)

1. 원자로 압력용기 검사에 있어서, 레이저 위치감지센서와 초음파센서를 장착한 자석바퀴식 수중탐상로보트와 레이저 위치지시기를 원자로 상단에 설치하여 수중탐상로보트의 상판에 설치된 레이저 위치감지센서를 조준하고 수중탐상로보트를 원하는 위치로 유도시키면서 수중에서 검사를 수행하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력용기 검사용 수중탐상장치.
2. 제 1 항에 있어서, 수중탐상로보트가 원자로 압력용기 벽면에 부착하여 주행할 목적으로 자석바퀴를 장착하고 수중탐상로보트의 몸체가 항상 원자로압력용기 벽면과 평행을 유지하도록 하기 위하여 평행사변형 형태의 링크에 두 개의 캐스터 휠을 장착하며, 수중탐상로보트가 수중에서 부력을 받을수 있도록 내부에 부표를 설치하여, 레이저 위치감지센서와 볼록렌즈, 간유리 혹은 간종이 등의 스크린을 직렬로 배치한 경통에 의하여 레이저 수광유효면적을 확대시키며, 수중탐상로보트의 현재 절대위치를 확인하기 위하여 구동바퀴의 회전량을 알아내기 위한 엔코더, 수중탐상로보트의 수직위치를 산출하는 수압센서, 수중탐상로보트의 자세를 산출하는 2축 경사계를 레이저 위치지시기 및 레이저 위치감지센서와 상호 보완적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력용기 검사용 수중탐상장치.