KR100364593B1 - 상단 장착 캐노피 밀봉부의 클램프 조립체 - Google Patents

상단 장착 캐노피 밀봉부의 클램프 조립체 Download PDF

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Abstract

원자로 헤드의 투과부 노즐(penetration nozzle)(12)과 맞물림 부분(14) 사이의 누설되는 캐노피 밀봉 용접부(canopy seal weld)(16)의 수리를 위한 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프(clamp) 조립체(20)는 상기 노즐을 둘러싸기 위한 삽입 지지 절반부(insert support half)(28, 30)를 갖는 환형의 하우징(24)을 구비한다. 상단 플레이트(34)는 상기 하우징 내의 나사산을 갖는 보어에 맞물리는 캡 나사(cap screw)(42)에 설치된 벨르빌 와셔(Belleville washer)에 의해서 상기 지지 절반부와 하우징 쪽으로 가압된다. 상기 용접부에 그라포일 누설 방지 밀봉을 형성하기 위해서, 조임 작용(clamping action)에 의해 그라포일 밀봉 고리(Grafoil seal annulus)(22)가 캐노피 밀봉 용접부(16)에 대해서 압축된다.

Description

상단 장착 캐노피 밀봉부의 클램프 조립체{TOP MOUNT CANOPY SEAL CLAMP ASSEMBLY}
누설되는 캐노피 밀봉 용접부의 수리는 갇혀진, 고 방사선 노출 영역에서 수행되어야 하기 때문에 힘이 들고, 시간이 많이 소비된다. 전형적으로, 오메가 밀봉부의 누설은 발전소를 운전 정지(shut down)시키고, 원자로 냉각제를 원자로 용기의 헤드보다 낮은 높이로 배출시키며(draining down), 누설 위치에 덧씌움 용접을 가하는 방법으로 수리되어 왔다. 이와 같은 방법은 많은 시간이 걸리며, 원자로 용기의 헤드에 가까운 근접 위치에 있어서 접촉이 이루어지기 때문에 작업자들이 많은 양의 방사선에 노출되게끔 하며, 또한 기존의 용접부와 별반 다르지 않은데, 이는 동일한 위치에 다시 누설이 발생할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 원자력 발전소의 원자로에 관한 것이며, 더 상세하게는 원자로 용기(nuclear reactor vessel) 헤드의 누설되는 용접 투과부(welded penetration)를 밀봉하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 출원의 주제 내용은 1997년 9월 29일 출원된 본 출원인의 공동 계류중인 미국 특허 가(provisional)출원 제 60/057,318호에 개시되어 있으며, 상기 특허 출원으로부터 우선권이 주장된다.
전형적인 가압수형 원자로에서, 다수의 제어봉 구동 장치(CRDM : control rod drive mechanism)가 원자로 용기의 헤드에 설치된다. 상기 장치는 압력 경계 하우징(pressure boundary housing) 내에 위치하며, 제어 동작을 중성자 흡수 제어봉(neutron absorbing control rod)에 제공한다. 상기 하우징을 구성하는 구성 요소가 서로 조립되고, 오메가 밀봉 용접부(omega sealed weld)에 의해서 결합된다. 캐노피(canopy) 밀봉 오메가 용접부가 원자로 용기 헤드의 CRDM 노즐과 맞물림 부분의 사이에 존재한다(도 1 참조). 상기 용접부는 응력 부식 크랙(stress corrosion cracking)의 결과로 크랙이 발생하는 경향이 있다. 이러한 크랙은 전형적으로 상기 용접부를 통해서 전파되며, 결국에는 누설이 발생한다.
모든 잠재적인 제어봉의 위치에 원자로 용기의 헤드 노즐을 갖추는 것이 일반적인 설계이다. 대다수의 노즐은 제어봉을 위해서 사용되고, 소수의 노즐은 노심 출구 열전대 계기(core-exiting thermocouple instrumentation)를 위해서 사용되며, 몇 개의 다른 노즐(예비 노즐)은 뚜껑이 씌워진다(cap).
도 1은 종래 기술의 전형적인 원자로 용기 헤드에 있는, 제어봉 구동 장치(CRDM) 노즐과 맞물림 부분 사이의 환형 캐노피 밀봉 용접 구조의 횡단면을 도시하는 개략적인 측면도.
도 2는 환형의 캐노피 밀봉 용접부에 탄력적인 흑연 누설 방지 밀봉부를 형성하기 위해 제 위치에서 압축 하중을 가하는 환형의 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프 조립체의 단면을 도시하는 개략적인 측면도.
본 발명의 목적은 캐노피 밀봉 용접부의 누설을 차단하기 위해, 상단 장착 캐노피 밀봉부의 클램프 조립체(TM-CSCA : top mount canopy seal clamp assembly)를 비용접 방식의 기계적인 방법과 장치로서 제공하는 것이다. 상기 TM-CSCA는 누설되는 용접부를 밀봉하며, 압축 하중을 밀봉부로 가하게 되는데, 상기 압축 하중은 크랙의 전파(propagation)를 차단하며 저지하는 경향이 있다. 상기 TM-CSCA는 탄력적인 흑연 밀봉부(graphite seal)를 환형의 캐노피 밀봉 용접부 영역 전체의 위로 압착함으로써 누설되는 용접부를 밀봉한다.
상단 장착 캐노피 밀봉부의 클램프 조립체는 시간, 방사선에의 노출 정도(radiation dosage), 및 누설의 재발을 줄인다는 점에서 용접에 의한 수리 방법에 비해서 세 가지 주요한 이점을 갖는다.
용접에 의한 수리 방법에 비해서 TM-CSCA의 두드러진 이점은 원자로 냉각제 시스템의 냉각제를 "배출(draindown)"할 필요 없이 설치 작업이 완료될 수 있다는 것이다. 상기는 주요한 이점이 되는데, 이는 대다수의 누설이 작동 정지 이후 시동(start-up) 중에 발견되기 때문이다. 가장 양호한 용접 수리를 위해서, 노즐에는 물(또는 습기)이 전혀 존재하지 않는 것이 요구된다. 그러므로, 수리를 위해서 "배출"할 필요가 없으므로 시간이 절약된다.
TM-CSCA는 또한 방사선에 대한 노출을 감소시킨다. 용접에 의한 수리는 작업자가 상당한 시간 동안 원자로 용기의 헤드 노즐(고 방사선 노출 영역)에 가까운 근접 영역 내에 있어야 하는 것을 요한다. TM-CSCA는 기다란 손잡이를 갖는 공구에 의해서 원자로 용기의 헤드 리프트 리그(lift rig)(훨씬 낮은 방사선 노출 영역)의 상단으로부터 설치된다. 그래서, TM-CSCA의 작업자는 용접 수리를 하는 작업자보다 더 적은 양의 방사선에 노출된다.
용접에 의해 수리된 노즐보다 TM-CSCA에 의해 수리된 노즐에서 누설이 재발할 가능성이 더 적다. 이것은 TM-CSCA가 압축 하중을 밀봉부에 가하기 때문인데, 상기 압축 하중은 크랙의 전파를 차단하고 저지하는 경향이 있다. 용접에 의한 수리는 이미 존재하는 용접과 별반 다르지 않다. 그래서, TM-CSCA는 누출부를 수리하며, 장래에 누출이 발생할 것을 예방한다.
TM-CSCA는 특별히 설계된 긴 핸들을 갖는 공구에 의해서, 원자로 용기 헤드의 상단으로부터 멀리(노즐로부터 약 6 m) 설치된다. 하우징은 수리되기 위해서 투과부(penetration) 또는 노즐 플랜지 보다 아래의 노즐 위로 내려진다. 제 1 지지 절반부(first support half)가 내려지고 하우징 내로 위치되며, 그리고 나서 제 2 지지 절반부가 동일한 방법으로 설치된다. 그 후에, 탄력적인 흑연 밀봉 링과 밀봉부 지지 링(seal support ring)이 수리될 캐노피 밀봉 용접부로 내려진다. 그리고 나서, 상단 플레이트가 탄력적인 흑연 밀봉 링을 적합한 위치에 압축하도록 내려진다. 그리고 나서, 벨르빌 와셔(Belleville washer)를 구비하는 캡 나사(cap screw)가 필요한 유지 적재력(retaining loading force)을 제공하기 위해서 설치된다.
도면 번호 10은 일반적으로 원자로 용기 헤드(미도시됨)의 제어봉 구동 장치노즐(12)과 맞물림 부분(14) 사이의, 전형적인 종래 기술의 환형 캐노피 밀봉 용접부의 구조를 지칭한다. 상기 맞물림 부분(14)은 CRDM을 덮는 예비 부분, 노심 출구 열전대 노즐 조립체 또는 CRDM 하우징일 수 있다. 상기 맞물림 부분은 노즐 플랜지(18)와 맞물린다.
밀봉부(22)는 그 형상 때문에 "오메가 밀봉부(omega seal)"라 불리며, 본 특허 출원과 동일한 양도인에게 양도된 미국 특허 출원 제 5,631,936호에 기술되어 있다.
상기 특허 출원의 오메가 밀봉부는 탄력적인 흑연 밀봉부지만, 상기 구조의 밀봉부의 배치가 노즐(12)의 상단에 있다는 점에서 다르며, 작용 안착 압력(seating pressure)이 하우징(14)(또는 캡) 그 자체로부터 나오는 것이 아니라 일반적으로 도면 번호 20으로 지칭된 본 발명의 새로운 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프 조립체의 압축 상단 플레이트로부터 나오도록 요구된다는 점에서 다르다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프 조립체(TM-CSCA)(20)는 스텐레스 스틸로 만들어지며, 캐노피 밀봉 용접부(16)에 있는 누설을 수리하도록 설계된다. 상기 캐노피 밀봉 용접부, 및 그 결과 밀봉부(22)에는 기계적인 응력 및/또는 응력 부식 크랙의 결과로 크랙이 발생하는 경향이 있다. 이러한 크랙은 용접부 벽을 통해서 전파되며, 결국에는 누설이 발생한다.
TM-CSCA(20)는 캐노피 밀봉 용접부(16)의 누설을 방지하는 비 용접식의 기계적인 방법이다. TM-CSCA는 누설되는 캐노피 밀봉 용접부(16)를 밀봉하며, 압축 하중을 밀봉부에 가하는데, 상기 압축 하중은 크랙의 전파를 차단하며 저지시키는 경향이 있다. TM-CSCA(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 환형의 밀봉 용접부 영역(16)의 전체에 걸쳐서 환형의 탄력적인 흑연 밀봉부(22)를 압축함으로써 누설되는 캐노피 밀봉 용접부를 밀봉한다. 상기 밀봉부(22)를 위한 탄력적인 흑연 재료는 뉴욕 소재의 유니온 카바이드 코포레이션(Union Carbide Corporation)으로부터 구입할 수 있는 상표명 그라포일 재료(Grafoil material)인 것이 바람직하다.
TM-CSCA(20)는 노즐(12)의 플랜지(18) 보다 아래로 내려지는 환형의 하우징(24)을 구비한다. 상기 하우징(24)은 캐노피 밀봉 용접부(16)를 갖는 노즐 플랜지(18)에 끼워 넣는 식으로 통과될 수 있는 치수를 갖는 반경 내측 방향으로 향하는 플랜지(26)를 구비한다.
삽입 지지 절반부(insert support half)(28, 30)는 한 번에 하나씩, 내려지고 하우징(24) 내에 위치된다. 상기 절반부(28, 30)는 반-환형(semi-annular) 형상이며, 환형의 중공(hollow) 하우징 플랜지(26)의 축 방향으로 마주하는 내측 표면에 의해 면과 면 맞물림의 형태로 상기 절반부의 환형 쇼울더(shoulder)(32)와 동일한 중심을 가지며(concentrically) 안착된다.
스텐레스 스틸로 만들어진 환형의 상단 플레이트(34)는 상기 환형의 중공 하우징(24)과 같은 중심을 갖도록 정합되게(in register) 위치되며, 노즐(12)을 둘러싼다. 밀봉 시트(36)가 밀봉부(22) 위의 반경 외측 방향으로 상단 플레이트(34)에 제공된다. 환형의 밀봉부 지지 링(38)은 탄력적인 흑연 밀봉부(22)를 환형의 밀봉 용접부 영역(16)의 위로 한정하도록 상단 플레이트(34)에 있는 슬롯(slot)(40)에 끼워 맞춰진다. 상기 슬롯(40)은 하우징(24) 내의 나사산을 갖는 보어(bore)(44)와 맞물리는 캡 나사(cap screw)(42)에 의해서 상단 플레이트(34)가 삽입 지지 절반부(28, 30)에 대해서 움직이도록 하기 위해서, 상기 링(38)의 폭보다 더 깊게 되어 있다. 이와 같은 방법으로, 용접부(16)에 탄력적인 흑연 누설 방지 밀봉부를 형성하기 위해, 캐노피 밀봉 용접부(16)에 대해서 탄력적인 흑연 밀봉부(22)에 압축력을 발생하도록 캡 나사(42)는 상단 플레이트(34)와 하우징(24)을 함께 끌어당길 수 있다.
필요한 유지 적재력을 제공하기 유지하기 위해서, 캡 나사의 헤드와 상단 플레이트(34) 사이의 상기 캡 나사(42)에는 벨르빌 와셔(46)가 제공된다.
본 발명에 의한 상단 장착 캐노피 밀봉부의 클램프 조립체는 용접에 의한 수리 방법에 비해 시간이 절약되고, 방사선에의 노출 정도(radiation dosage)를 감소시킬 수 있으며, 누설의 재발을 줄일 수 있는 효과가 있다.또한, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에서 벗어남이 없이, 많은 변형과 변경이 당업자에게 분명하게 되고, 기대될 수 있다.

Claims (3)

  1. 노즐(12)의 상단 표면에 위치한 누설되는 캐노피 밀봉 용접부(canopy seal weld)(16)의 수리를 위한 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프(clamp) 조립체(20)로서,
    반경 내측 방향으로 향하는 플랜지(26)를 구비하는 환형의 중공(hollow) 하우징(24)과, 상기 환형의 중공 하우징(24)과 같은 중심을 가지도록 정합되게 위치되는 환형의 중공 상단 플레이트(34)와, 탄력적인 흑연 밀봉부(22)와, 상기 상단 플레이트(34)의 슬롯(40)에 위치한 환형의 밀봉부 지지 링(38), 및 압축 하중을 상기 탄력적인 흑연 밀봉부(22)로 가하기 위해 상기 상단 플레이트(34)와 상기 하우징(24)을 함께 끌어당기기 위한 캡 나사(42)를 포함하는 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프 조립체(20)에 있어서,
    상기 반경 내측 방향으로 향하는 플랜지(26)는 상기 캐노피 밀봉 용접부(16)를 구비하는 노즐 플랜지(18)에 끼워 넣는 식으로 통과될 수 있는 치수를 가지며,
    상기 환형의 중공 하우징(24)의 내부에서 같은 중심을 갖도록 배치되며 상기 내측으로 향하는 플랜지(26)의 축 방향으로 마주하는 내측 표면에 면과 면 맞물림을 위한 환형의 쇼울더(32)를 구비하는 반-환형 형상(semi-annular shape)의 삽입 지지 절반부(28, 30)가 제공되고,
    상기 상단 플레이트(34)는 상기 노즐(12)를 둘러싸며, 상기 상단 플레이트 (34)에 상기 캐노피 밀봉 용접부(16) 위에 반경 외측으로 향하도록 위치된 밀봉 시트(seat)(36)가 제공되며,
    상기 탄력적인 흑연 밀봉부(22)는 상기 캐노피 밀봉 용접부(16)와 맞물리기 위해 상기 상단 플레이트(34)의 상기 밀봉 시트(36) 내에 장착된 탄력적인 흑연 재료로 이루어진 환형의 밀봉부이며,
    상기 환형의 밀봉부 지지 링(38)은 상기 탄력적인 흑연 밀봉부(22)를 완전히 둘러싸며 상기 탄력적인 흑연 밀봉부(22)를 상기 캐노피 밀봉 용접부(16)의 위로 한정하도록 배치함으로써, 상기 클램프 조립체(20)가 상기 용접부에 누설 차단 밀봉부를 형성하도록 상기 캐노피 밀봉 용접부(16)에 대해서 상기 탄력적인 흑연 밀봉부(22)로 압축 하중을 가하는 것을 특징으로 하는, 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 필요한 유지 적재력(retaining loading force)을 제공하고 유지하기 위해서 상기 캡 나사(42)의 각 헤드와 상기 상단 플레이트(34)의 사이에 위치된 벨르빌 와셔(Belleville washer)(46)를 더 포함하는, 상단 장착 캐노피 밀봉부의 기계적인 클램프 조립체.
  3. 삭제
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