KR100876310B1 - 원자로 헤드 제어봉 구동부의 노즐 내면 손상부 보수용접장치 - Google Patents

원자로 헤드 제어봉 구동부의 노즐 내면 손상부 보수용접장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐 내면의 손상부 보수 용접장치는 자동 레이저 용접 헤드(5), 매니퓰레이터(6), 제어장치(7), 모니터링 및 녹화장치(8), 용가재 공급장치(9) 및 레이저 발진기(10)로 구성되며, 상기 자동 레이저 용접 헤드(5)는 자동 초점 조정용 모터(11) 및 구동축(12), 보호 가스 및 용가재 공급 노즐(13), 광파이버 연결구(14), 케이싱(15), 집속렌즈(16), 굴절렌즈(17), 집속렌즈(18), 콜드 미러(19) 및 LED 조명등을 구비한 CCD 카메라(20)로 구성되고, 자동 초점 조정용 모터(11) 및 구동축(12)을 이용하여 집속렌즈(18)의 위치를 가변시킨다.
원자로 헤드, 제어봉 구동부 노즐, 보수 레이저 용접

Description

원자로 헤드 제어봉 구동부의 노즐 내면 손상부 보수용접 장치{Welding apparatus for repairing damaged nozzle of control rod drive mechanism}
도 1은 본 발명의 보수용접 장치가 적용되는 헤드를 도시하는 단면도
도 2는 본 발명의 보수용접 장치의 구성을 도시하는 도면
도 3은 도 2에 도시된 자동 레이저 용접 헤드의 상세도
도 4는 도 2에 도시된 매니퓰레이터의 상세도
도 5는 도 4에 도시된 매니퓰레이터의 A - A 단면도
<도면의 주요부호에 대한 설명>
1: 원자로 헤드 2: 제어봉 구동부 노즐
3: 가이드 콘 4: 용접부
5: 자동 레이저 용접헤드 6: 매니퓰레이터
7: 제어 장치 8: 모니터링 및 녹화장치
9: 용가재 공급장치 10: 레이저 발진기
본 발명은 원자력 발전소의 원자로 헤드 제어봉 구동부(Control Rod Drive Mechanism)의 노즐 내면에 발생한 손상을 보수하기 위한 노즐 내면 손상부 보수용접 장치에 관한 것이다.
원자력 발전소의 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐은 응력부식 균열에 의해 손상이 발생한다. 이에 대한 보수는 원자로 헤드 내부가 방사선에 의해 오염되어 작업자의 안전에 중대한 영향을 미치기 때문에 사람에 의한 수작업은 어렵다.
이러한 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐부의 손상에 대한 보수방법 중의 하나로 레이저 용접방법이 사용된다.
종래의 미국 특허 제6,211,482호는 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐 내면의 손상 부분을 방전가공으로 제거하고, 제거된 부분을 레이저 용접으로 보수하는 것이다.
이러한 레이저 용접장치는 방사능 오염구역에서 보수는 가능하나 보수에 필요한 레이저 용접장치에 관한 구체적인 내용은 제시하고 있지 않다. 또한, 보수 깊이를 3.2 mm(1/8 inch)로 제한하고 있다. 그러므로 손상 깊이가 3.2 mm 이상일 경우에는 이 기술의 적용이 불가능하다.
따라서, 원자로 헤드 제어봉 구동부의 노즐 내면의 손상을 보수하기 위한 레이저 용접 장치가 필요하다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 요구에 부응하여, 자동 레이저 용접 헤드와 매니퓰레이터로 구성되며, 자동 레이저 용접 헤드는 레이저빔의 집속 위치를 노즐 내면에서 노즐 축 방향으로 5 mm, 노즐 외경 방향으로 15 mm 까지 자동으로 조정할 수 있고, 매니퓰레이터는 자동 레이저 용접 헤드를 제어봉 구동부의 노즐에 고정해 주고 축 방향 및 원주 방향으로 구동해 주는 원자로 헤드 제어봉 구동부의 노즐 내면 손상부 보수용접 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 원자로 헤드 제어봉 구동부의 노즐 내면 손상부 보수 용접장치는 자동 레이저 용접 헤드, 매니퓰레이터, 제어장치, 모니터링 및 녹화장치, 용가재 공급장치 및 레이저 발진기로 구성되고, 상기 자동 레이저 용접 헤드는 자동 초점 조정용 모터 및 구동축, 보호 가스 및 용가재 공급 노즐, 광파이버 연결구, 케이싱, 집속렌즈, 굴절렌즈, 집속렌즈, 콜드 미러 및 LED 조명등을 구비한 CCD 카메라로 구성되며, 자동 초점 조정용 모터 및 구동축을 이용하여 집속렌즈의 위치를 가변시킨다.
본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1에는 본 발명의 보수용접 장치가 적용되는 헤드가 단면도로서 도시된다.
원자로 헤드(1)는 한국 표준형의 경우 직경이 약 4 m 이고, 83개의 제어봉 구동부 노즐(2)들이 설치되어 있다. 또한, 각각의 제어봉 구동부 노즐(2)의 하단에는 가이드 콘(3)이 장착된다.
제어봉 구동부 노즐(2)은 내경이 69.27 mm, 외경이 120.73 mm 이고, 길이는 위치에 따라 838 mm 내지 1,670 mm 이다.
원자로 헤드(1)와 제어봉 구동부 노즐(2)은 용접부(4)로 접합되어 있다. 용접부(4)의 폭은 최소 20 mm 이며, 기하학적 배치 때문에 설치 위치에 따라 폭이 증가함이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 보수 용접 장치의 구성으로써 레이저 발진기(10)로 부터 레이저빔을 공급받는 광파이버 연결구(14)를 설치한 케이싱(15)내에 집속렌즈(16), 굴절렌즈(17), 접속렌즈(18)를 설치하여 레이저빔을 방출할 수 있는 수단을 구성하고, 상기 케이싱(15)의 상단에는 자동 초점 조절용 모터(11)에 구동축(12)을 설치하여 접속렌즈(18)의 위치를 가변할 수 있게 하였으며, 상기 케이싱(15)의 끝단에는 용가재 공급노즐(13)을 설치한 자동 레이저 용접 헤드(5)를 매니퓰레이터(6)의 상단에 형성된 레이저 헤드 연결구(30)에 설치하여 구성한 것이다.
상기 매니퓰레이터(6)는 자동 레이저 용접 헤드(5)를 제어봉 구동부 노즐(2)내에 설치 및 고정해 주며, 자동 레이저 용접 헤드를 노즐 내면의 축 방향 및 원주 방향으로 구동시켜 준다.
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제어장치(7)는 자동 레이저 용접 헤드(5)와 매니퓰레이터(6)를 제어한다.
모니터링 및 녹화장치(8)는 보수 작업 과정과 보수 용접 부분을 모니터링 및 녹화해 준다.
용가재 공급장치(9)는 보수 용접에 필요한 용가재를 공급해 주고, 레이저 발진기(10)는 보수 용접에 필요한 레이저빔을 발생시킨다.
도 3에는 도 2에 도시된 자동 레이저 용접 헤드가 상세도로서 도시된다.
자동 레이저 용접 헤드(5)는 자동 초점 조정용 모터(11) 및 구동축(12), 보호 가스 및 용가재 공급 노즐(13), 광파이버 연결구(14), 케이싱(15), 집속렌즈(16), 굴절렌즈(17), 집속렌즈(18), 콜드 미러(Cold Mirror)(19) 및 LED 조명등을 구비한 CCD 카메라(20)로 구성된다.
레이저 용접은 레이저빔을 집속시켜 보수 용접을 수행한다. 이 때, 용접은 레이저빔이 집속되는 초점위치에서 이루어진다. 따라서, 용접 깊이에 따라 초점 위치를 변경시켜 주지 못할 경우 손상 깊이가 깊을 때 보수 용접이 불가능하다.
또한, 원자로 헤드는 방사능에 의해 오염이 되어 있어 초점 위치의 변경을 자동으로 해주어야 한다.
본 발명에서는 레이저빔의 초점 위치를 자동으로 조정하기 위해서 자동 초점 조정용 모터(11) 및 구동축(12)을 이용하여 집속렌즈(18)의 위치를 가변할 수 있도록 하여, 노즐 축 방향으로 5 mm, 노즐 외경 방향으로 15 mm 까지 초점 위치를 변경할 수 있도록 광학계를 설계한다.
이 때, 레이저빔은 광파이버를 통해 레이저 발진기(10)로부터 공급되며, 광파이버는 광파이버 연결구(14)와 연결되어 자동 레이저 용접 헤드(5)에 결합된다. 헤드에 공급된 레이저빔은 집속렌즈(16), 굴절렌즈(17), 집속렌즈(18)에 의해 용접 부위에 집속되며, 집속위치에 용가재를 공급하므로써 용접작업을 수행하게 된다.
또한, 용접부의 모니터링을 위해서 레이저빔 집속렌즈(16)와 굴절렌즈(17)사이에 레이저빔을 투과시키고, 용접부에서 발생하는 빛은 반사시키도록 제작된 콜드 미러(19)를 설치한다. 콜드 미러(19)에 의해 반사된 빛은 CCD 카메라(20)로 촬영한다.
용접 과정에 필요한 보호가스와 용가재를 공급할 수 있도록 레이저빔이 집속되는 케이싱(15)의 끝에 보호 가스 및 용가재 공급노즐(13)이 있다. 또한, 용접부의 모니터링에 필요한 조명을 위해서 자동 초점 조정용 구동축의 끝에 LED 조명등(21)을 설치한다.
도 4에는 도 2에 도시된 매니퓰레이터가 상세도로서 도시된다.
매니퓰레이터(6)는 도 2에 도시된 자동 레이저 용접 헤드를 제어봉 구동부 노즐의 내면에 설치하고, 축 방향 및 원주 방향으로 구동하여 보수 용접을 수행할 수 있도록 설계된다.
매니퓰레이터(6)는 상하방향 구동을 위한 축방향 구동 모터(29), 원주 방향 구동을 위한 원주 방향 구동 모터(31), 3단으로 구성된 구동축(26,27,28), 매니퓰레이터(6) 전체를 지지해주는 하부 지지판(22), 고정 장치를 지지해주고 지지대(24)를 통해 하부 지지판(22)과 연결된 상부 지지판(23) 및 자동 레이저 헤드 연결구(30)로 구성된다.
구동축(26,27,28)은 노즐의 최대 길이인 1,670 mm 와 같은 이송 거리를 구현하면서 크기는 최소화시킬 수 있도록 3단으로 구성한다. 또한, 긴 이송 거리를 안정적으로 이송시킬 수 있도록 축 방향 구동 모터(29)를 2개 사용한다.
원주 방향 구동 모터(31)는 구동축(26,27,28)을 360°회전시켜 도2에 도시된 자동 레이저 용접 헤드(5)를 원주 방향으로 구동한다. 구동축(26,27,28)의 내부는 중공으로 만들어 광파이버, 보호가스 및 용가재 공급관을 내부로 통과시켜 자동 레이저 용접 헤드와 연결된다.
도5에는 도4에 도시된 매니퓰레이터의 A - A 단면도가 도시된다.
도면에는 축방향 구동 모터(29) 및 엔코더(33), 원주 방향 구동 모터(31)와 원주 방향 기어(32)의 배치형태가 도시된다. 매니퓰레이터(6)의 스트로크(Stroke)는 Z축이 최대 1,670 mm 이고, R축은 360°회전이 가능하며, 무게는 15 kg, 가반 중량은 최소 3 kg 이상이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐 내면의 손상 보수 용접장치는 다음과 같이 작동한다.
도2를 참조하면, 먼저 노즐(2)의 내면 손상부에 용접 헤드(5)를 접근하도록 제어장치(7)를 작동시키면 매니퓰레이터(6)가 작동하여 용접 헤드(5)를 노즐(2)에 설치시킨다. 이 후에, 자동 레이저 용접 헤드(5)는 제어봉 구동부 노즐(2) 내면 손상에 대한 레이저 육성 용접을 행한다.
이 때, 용가재 공급장치(9)는 보수 용접에 필요한 용가재를 공급해 주고, 레이저 발진기(10)는 보수 용접에 필요한 레이저빔을 발생시킨다
이 후, 매니퓰레이터(6)는 자동 레이저 용접 헤드(5)를 노즐 내면의 축 방향 및 원주 방향으로 구동시켜 준다.
한편, 모니터링 및 녹화장치(8)는 보수 작업 과정과 보수 용접 부분을 모니터링 및 녹화해 준다.
본 발명의 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐 내면의 손상부 보수 용접장치는 자동 레이저 용접 헤드(5)의 광학계가 종래보다 보수 깊이를 길게 변경할 수 있어 작업의 범위를 넓혀주는 효과를 제공한다.

Claims (3)

  1. 레이저 발진기(10)로 부터 레이저빔을 공급받는 광파이버 연결구(14)를 설치한 케이싱(15)네에 집속렌즈(16), 굴절렌즈(17), 접속렌즈(18)를 설치하여 레이저빔을 방출할 수 있는 수단을 구성하고, 상단에는 자동 초점 조정용 모터(11)에 구동축(12)을 설치하여 접속렌즈(18)의 위치를 가변할 수 있게 하였으며, 상기 케이싱(15)의 끝단에는 용가재 공급노즐(13)을 설치한 자동 레이저 용접 헤드(5)를 매니퓰레이터(6)의 상단에 형성된 레이저 헤드 연결구(30)에 설치함을 특징으로 하는 원자로 헤드 제어봉 구동부 노즐 내면의 손상부 보수 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자동 초점 조정용 모터(11)는 집속렌즈(18)의 위치를 가변시켜 노즐 축 방향으로 5 mm, 노즐 외경 방향으로 15 mm 까지 초점 위치를 변경할 수 있는 보수 용접장치.
  3. 삭제
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