KR102661692B1 - 관형 구조물을 수리하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

관형 구조물을 수리하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

원자로의 결함을 수리하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 본 장치는 관형 구조물에 삽입되는 본체를 포함하고, 본체는, 용융된 용접 액적을 형성하고 용접 액적을 관형 구조물 상에 퇴적하여 용접 재료를 퇴적시키도록 작동 가능한 용접 토치를 갖는 엔드 이펙터(end effector)를 포함한다. 구동 유닛은, 관형 구조물에 선택적으로 정착하기 위한 버팀부; 장치를 버팀부에 대해 움직이기 위한 적어도 하나의 선형 액츄에이터; 및 용접 토치를 회전시키기 위해 연결되어 있는 회전 액츄에이터를 포함한다. 본 방법은 수리 장치를 원자로의 관형 구조물 안으로 삽입하는 단계; 수리 장치를 결함 위치로 이동시키는 단계; 용접 액적을 관형 구조물의 용접 풀(pool) 위에 순차적으로 퇴적하여 보호 용접 층을 결함 위에 퇴적하는 단계를 포함하고, 보호 용접 층은 결함을 둘러싸면서 구조물에 결합한다

Description

관형 구조물을 수리하기 위한 방법 및 장치
본 출원은 2017년 11월 28일에 출원된 미국 가특허 출원 62/591,755에 대한 우선권을 포함한 모든 이익을 권리 주장하며, 그 가특허 출원은 참조로 원용된다.
본 발명은 일반적으로 부품 유지 보수, 특히 관형 구조물의 수리에 관한 것이다.
원자로는 원자로의 수명에 걸쳐 마모와 손상을 받기 쉬운 많은 부품을 포함하며, 이는 안전, 신뢰성, 효율 및 규제 요건에 영향을 줄 수 있다.
불행하게도, 많은 부품은 수리하기가 어려운데, 예컨대, 원자로 부품은 그의 작동 수명 동안에 방사선 조사(irradiation)를 받으며, 그래서 구조물은 취성적이게 된다. 더욱이, 많은 구조물은 매우 얇은 벽을 갖는다. 결과적으로, 종래의 수리 기술은 추가 손상을 주기 쉽다. 예컨대, 취성적이고 방사선 조사를 받은 부품에 열과 응력이 도입되면 균열이 형성되거나 전파될 수 있다. 마찬가지로, 얇은 구조물이 가열되면, 열 응력 또는 변형으로 인해 균열과 같은 결함이 생길 수 있다.
부품들 사이의 좁은 틈새는 수리를 더 복잡하게 한다. 특히, 많은 경우에, 수리가 필요한 곳에 장비를 전달하는 것이 어려울 수 있는데, 그 때문에 현장 수리가 배제될 수 있다.
수리의 어려움 때문에, 손상된 부품은 종종 상당한 비용으로 교체될 필요가 있다.
어떤 실시 형태에서, 본 개시의 양태는 관형 구조물의 내부에서 이 관형 구조물을 수리하는데 사용될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 수리는 관형 구조물의 내경으로부터 용접 금속 빌드업을 사용하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 용접 액적을 상기 관형 구조물의 용접 풀(pool) 위에 순차적으로 퇴적하여 보호 용접 층을 상기 결함 위에 퇴적하는 단계를 포함하고, 상기 보호 용접 층은 상기 결함을 둘러싸면서 상기 구조물에 결합하고, 용접 액적을 순차적으로 퇴적하는 단계는 용접 토치의 와이어 전극을, 상기 용접 액적이 형성되는 후퇴 위치와 상기 용접 액적이 상기 구조물 상에 퇴적되는 전진 위치 사이에서 선택적으로 움직이는 것을 포함한다.
관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법의 방법의 일 실시 형태에서, 상기 용접 액적은 상기 관형 구조물 상에 떨어진다.
관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법의 방법의 일 실시 형태에서, 보호 용접 층을 상기 결함 위에 퇴적하는 단계는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 플라즈마 전달 아크 용접(PTAW)으로 수행된다. 어떤 실시 형태에서, 보호 용접 층의 퇴적은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)를 포함한다.
관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법의 방법의 일 실시 형태에서, 관형 구조물은 원자로의 일부분이다.
관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법의 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 수리 장치를 상기 관형 구조물 안으로 삽입하는 단계 및 그 수리 장치를 상기 결함의 위치까지 이동시키는 단계를 포함한다.
관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법의 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 플라즈마 전달 아크 용접(PTAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)으로 보강 층을 상기 보호 용접 층 위에 퇴적하는 단계를 포함한다. 어떤 실시 형태에서, 퇴적은 결함을 수리하기 위해 구조적으로 온전한 보강 층을 보호 용접 층 위에 형성한다.
다른 양태에서, 수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법이 제공된다. 이 방법은 상기 관형 구조물의 내면에 대한 제 1 각도로 제 1 버팀부를 위치시키는 단계; 관형 구조물을 제 1 버팀부와 고정적으로 결합시키는 단계; 및 수리 장치를 관형 구조물의 길이 방향 축선을 따르는 방향으로 전진시키기 위해 적어도 하나의 선형 액츄에이터를 팽창 또는 수축시켜 수리 장치를 고정적으로 결합된 제 1 버팀부에 대해 움직이는 단계를 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 수리 장치를 고정적으로 결합된 제 1 버팀부에 대해 움직이는 단계는, 수리 장치를 상기 방향으로 전진시키기 위해 적어도 하나의 선형 액츄에이터를 팽창 또는 수축시켜 제 2 버팀부를 상기 제 1 버팀부에 대해 또한 관형 구조물의 내면에 대한 제 2 각도로 움직이는 것을 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 관형 구조물을 상기 제 2 버팀부와 고정적으로 결합시키는 단계; 상기 제 1 버팀부를 관형 구조물로부터 결합 해제시키는 단계; 및 제 1 버팀부를 관형 구조물의 내면에 대해 재위치시키는 단계를 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 제 1 및 제 2 버팀부 각각은 상기 관형 구조물의 단면 보다 작은 단면을 갖는 버팀 링이다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 적어도 3개의 선형 액츄에이터가 각 버팀부의 면을 서로에 대한 원하는 공간적 관계로 위치시키기 위해 상기 제 1 및 2 버팀부를 서로에 대해 움직이도록 구성되어 있다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 제 1 및 2 버팀부를 상기 관형 구조물의 길이 방향 축선에 대해 횡으로위치시키는 단계를 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 상기 수리 장치의 기부 플레이트를 회전시켜 그 기부 플레이트에 연결되어 있는 용접 토치를 용접 위치와 원주 방향으로 정렬시키는 단계를 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 용접 액적을 용접 위치에 퇴적시키는 단계를 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 관형 구조물을 상기 제 1 버팀부 또는 제 2 버팀부와 고정적으로 결합시키는 단계는 제 1 또는 2 버팀부를 상기 관형 구조물과 접촉하게 팽창시키는 것을 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 잠금 액츄에이터를 상기 관형 구조물과 접촉하게 연장시키고 그 액츄에이터를 잠금시켜 상기 관형 구조물에 대한 수리 장치의 길이 방향 위치를 고정시키는 단계를 포함한다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 상기 수리 장치가 관형 구조물의 길이 방향 축선을 따르는 방향으로 전진될 때, 수리 장치의 지지 구조물에 회전 가능하게 연결되어 있는 롤러 상에서 상기 수리 장치를 구르게 하는 하는 단계를 포함한다. 일 실시 형태에서, 본 방법은 롤러는 상기 관형 구조물과 결합하도록 편향된다.
수리 장치를 관형 구조물을 통해 움직이는 방법의 일 실시 형태에서, 본 방법은 수리 장치를 관형 구조물 안으로 삽입하는 단계를 포함하고, 관형 구조물은 원자로의 일부분이다.
다른 양태에서, 관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 관형 구조물의 관형 구조물 안으로 삽입되는 본체; 상기 본체에 장착되고, 용융된 용접 액적을 형성하고 이 용접 액적을 상기 관형 구조물 상에 퇴적하여 상기 관형 구조물 상에 용접 재료를 퇴적시키도록 작동 가능한 용접 토치를 갖는 엔드 이펙터(end effector); 및 구동 유닛을 포함하고, 구동 유닛은, 상기 장치를 정착시키기 위해 선택적으로 상기 관형 구조물과 고정적으로 결합하는 제 1 버팀부; 상기 관형 구조물의 길이 방향 축선을 따르는 방향으로 상기 장치를 상기 제 1 버팀부에 대해 움직이기 위한 적어도 하나의 선형 액츄에이터; 및 용접 토치를 회전시키기 위해 상기 엔드 이펙터에 연결되는 회전 액츄에이터를 포함한다.
장치의 일 실시 형태에서, 구동 유닛은, 선택적으로 상기 관형 구조물과 고정적으로 결합하는 제 2 버팀부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 선형 액츄에이터는 상기 장치를 길이 방향으로 움직이기 위해 상기 제 1 및 2 버팀부를 서로에 대해 길이 방향으로 움직이도록 구성되어 있다. 일 실시 형태에서, 링은 관형 구조물의 단면 보다 작은 단면을 갖는다.
장치의 일 실시 형태에서, 구동 유닛은, 각 버팀부의 면을 서로에 대한 원하는 공간적 관계로 위치시키기 위해 상기 제 1 및 2 버팀부를 서로에 대해 움직이도록 구성되어 있는 적어도 3개의 선형 액츄에이터를 포함한다.
장치의 일 실시 형태에서, 장치는 용접 토치의 와이어 전극을 선택적으로 전진 및 후퇴시키도록 구성되어 있는 와이어 이송 유닛을 포함한다. 일 실시 형태에서, 용접 토치는, 와이어 전극을 관형 구조물로부터 멀어지게 후퇴시켜 용접 액적이 떨어지게 하여 용접 액적을 상기 관형 구조물 상에 퇴적시키도록 구성되어 있다 다른 실시 형태에서, 용접 토치는 용접 액적을 관형 구조물 상에 퇴적시키기 위해 상기 관형 구조물 쪽으로 전진하도록 구성되어 있다.
장치의 일 실시 형태에서, 장치는 엔드 이펙터 또는 본체에 연결되는 복수의 롤러 구조물을 포함하고, 롤러 구조물은, 지지 구조물; 상기 지지 구조물에 회전 가능하게 연결되는 롤러; 및 상기 롤러 중의 적어도 하나를 관형 구조물과 접촉하게 편향시키도록 구성되어 있는 복수의 편향 부재를 포함한다.
장치의 일 실시 형태에서, 장치는 엔드 이펙터와 용접 토치의 길이 방향 위치와 회전 위치 및 용접 토치와 관형 구조물 사이의 반경 방향 거리를 나타내는 신호를 보고하도록 작동 가능한 위치 센서를 포함한다.
장치의 일 실시 형태에서, 장치는 관형 구조물과 선택적으로 접촉하는 연장 가능한 잠금 액츄에이터를 포함하고, 잠금 액츄에이터를 정착시켜 관형 구조물에 대한 상기 엔드 이펙터의 위치를 고정시킨다.
장치의 일 실시 형태에서, 관형 구조물은 원자로의 일부분이다. 어떤 실시 형태에서, 본 방법 및 장치는 방사선 조사를 받은 관형 구조물을 수리하기 위해 사용될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 본 장치 및 방법은 비핵관련 관형 구조물을 수리하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 실시 형태를 나타내는 도면에서,
도 1은 원자로의 일부분의 등각도이고,
도 2는 도 1의 원자로의 캘런드리아 릴리프 덕트 내부에 위치되어 있는 수리 장치의 부분 절취도이며,
도 3은 수리 장치의 기부 플레이트(위치 센서를 포함함)를 나타내는 도 2의 수리 장치의 엔드 이펙터의 등각도이고,
도 4는 용접 퇴적 공정의 단계들의 개략도이며,
도 5는 도 2의 수리 장치의 구동 유닛을 위에서 본 것이고,
도 6은 도 5의 구동 유닛의 일부분의 사시도이며,
도 7은 도 1의 원자로의 캘런드리아 릴리프 덕트에 형성되어 있는 용접 층을 나타내고,
도 8은 결함을 수리하기 위한 공정을 나타내는 흐름도이며, 그리고
도 9는 용접부를 검사하기 위한 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 1은 원자로(100)의 일부분을 나타낸다. 나타나 있는 바와 같이, 원자로(100)는 CANDUTM 원자로이다. 원자로(100)는 복수의 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 및 배출 라인(103)을 포함한다. 여기서 개시된 실시 형태는 캘런드리아 릴리프 더트(102)를 수리하는데 적합하고, 캘런드리아 릴리프 덕트(102)를 참조하여 상세한 예를 제공할 것이다. 그러나, 여기서 개시된 장치 및 방법은 원자로(100)의 다른 부품 및 구조체 또는 원자로 또는 핵 산업과 관련이 없는 부품 및 구조체(예컨대, 석유화학 플랜트의 배관)을 수리하는데도 적합할 수 있다. 더욱이, 여기서 개시된 장치와 방법은 CANDUTM 원자로를 참조하여 설명하지만, 다른 종류의 원자로를 수리하는데도 적합할 수 있다.
나타나 있는 바와 같이, 캘런드리아 릴리프 덕트(102)는 결함, 즉 균열(104)을 갖는다. 이 균열(104)은 예컨대 열적 사이클링으로 인한 응력과 같은 응력으로 인해 형성되어 전파될 수 있다. 부식 효과가 균열(104)의 진행을 악화시키거나 가속화시킬 수 있다. 명백한 바와 같이, 균열(104)은 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 벽에서 약한 영역을 규정하고 누설의 위험을 줄 수 있다.
캘런드리아 릴리프 덕트(102)는 스테인레스강으로 형성될 수 있고 대략 0.375 인치 두께의 벽을 가질 수 있다. 그러나, 다른 부품은 보통 (탄소) 강, 알루미늄 또는 그의 합금과 같은 다른 재료로 형성될 수도 있다. 캘런드리아 릴리프 덕트(102)는 원자로(100)의 작동 중에 방사선 조사의 결과로 취성적일 수 있다. 마찬가지로, 캘런드리아 릴리프 덕트(102)는 방사선 경화를 받았을 수도 있다.
종래의 수리 기술은 캘런드리아 릴리프 덕트(102)를 수리하는데 부적합할 수 있다. 예컨대, 많은 그러한 기술은 그것이 형성되는 작업물에 상당한 양의 열을 도입시킬 수 있다. 예컨대, 종래의 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 사용하는 용접은 충분한 열을 도입시켜 열 응력으로 인한 균열 또는 변형을 유발할 수 있다. 여기서 개시된 장치 및 방법은, 작업물(예컨대, 캘런드리아 릴리프 덕트) 안으로 입력되는 열을 제한하면서, 용접으로 결함(104)의 구조적으로 충분한 완화를 이루는데 적합하다. 보다 구체적으로, 어떤 종류의 용접 기술도 본 발명의 장치 및 방법과 관련하여 사용되기에 적합할 수 있다.
어떤 상황에서는 관형 구조물에의 직접적인 물리적 접근이 제한되거나 가능하지 않을 수 있다. 예컨대, 관형 구조물이 벽 뒤에서 또는 다른 구조물들 사이에서 가로지르면, 그 관형 구조물은 외부에서는 접근 불가능하다. 다른 경우에, 관형 구조물은 물리적 노출이 최소화되어야 하는 영역에 있을 수 있다.
캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 구조적 수리는 결함(104) 근처의 덕트 내부에 접근하는 것에 의존할 수 있다. 덕트 내부에는 시일 디스크(106)를 통해 접근할 수 있고, 이 시일 디스크는 제거되거나 부서질 수 있다. 여기서 사용되는 "근위" 또는 "원위" 라는 용어는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 길이를 따른 위치를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 구체적으로, "근위"는 시일 디스크(106)에 가까운 위치를 나타내기 위해 사용될 수 있고, "원위"는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)가 원자로(100)의 캘런드리아 본체(108)와 만나는 곳에 가까운 위치를 나타낸다.
도 2는 일 실시 형태에 따른, 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 내부에 위치되어 있는 수리 장치(200)를 나타낸다. 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 벽은 수리 장치(200)의 상세를 나타내기 위해 부분적으로 절취되어 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 수리 장치(200)는 머리부(202) 및 후미부(204)를 포함한다. 장치(200)는 머리부(202)가 원위 단부에 있도록 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 삽입될 수 있다. 엔드 이펙터(end effector)(206)가 머리부(202)의 일부분으로서 장착된다. 후미부(204)는 머리부(202) 뒤에서 연장되어 있고 캘런드리아 릴리프 덕트(102)로부터 돌출할 수 있다.
후미부(204)는 서로 회전 가능하게 장착되는 복수의 세그먼트(208)를 포함한다. 세그먼트(208)는 내부 채널(나타나 있지 않음)을 규정할 수 있다. 하나 이상의 전력, 제어 또는 데이타 라인이 엔드 이펙터(206)를 위한 전력, 제어 및 통신을 제공하기 위해 내부 채널을 통과할 수 있다. 추가로, 용접 와이어 및 가스와 같은 소모품이 그 채널을 통해 안내될 수 있다.
머리부(202)와 후미부(204)는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 용접 및 수리를 하기 위한 요소를 전달하기 위한 베이스를 제공한다. 그러나, 머리부(202) 및 후미부(204)는 실시 형태에서 변하거나 대체될 수 있다. 예컨대, 용접을 하기 위한 요소, 예컨대, 전원, 제어 라인 및/또는 무선 통신 장치, 용접 와이어 및/또는 불활성 가스 공급부가 머리부(202)에 제공되어 있는 경우에 후미부(204)는 생략될 수 있다.
복수의 롤러 구조물(210)이 장치(200)의 머리부(202)와 후미부(204) 주위에 장착될 수 있다. 롤러 구조물(210)은, 장치(200)가 구를 수 있고 또한 덕트의 경로를 따를 수 있도록 그 장치(200)를 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 지지하기 위한 바퀴를 구비한다. 롤러 구조물(210)은 장치를 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 내부에서 반경 방향으로 중심 맞춤시킨다. 일 예에서, 복수의 롤러 구조물(210) 각각은 지지 구조물에 회전 가능하게 연결되는 롤러(211)를 포함한다. 지지 구조물(212)은 장치(200)의 머리부(202) 및/또는 후미부(204)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 복수의 롤러 구조물은 엔드 이펙터(206) 및/또는 장치(200)의 본체, 예컨대 후미부(204)에 연결될 수 있다. 복수의 롤러 구조물은, 장치(200)가 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 내부에서 움직일 수 있고 또한 장치(200)와 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 내면 사이의 마찰을 최소화할 수 있도록 제공된다. 복수의 편향 부재(213)가 또한 지지 구조물의 일부분을 형성할 수 있고, 편향 부재는 롤러 중의 적어도 하나를 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 내면과 접촉하게 편향시키도록 구성된다. 편향 부재는, 롤러를 수리 장치(200)로부터 반경 방향 외측으로 편향시켜 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 접촉시키기에 적합한 스프링, 피스톤 또는 어떤 종류의 기계적 액츄에이터라도 될 수 있다.
머리부(202)는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 길이를 따르는 장치(200)의 선형 운동을 제공하기 위한 구동 유닛(214)을 가질 수 있다. 이 구동 유닛(214)은 하나 이상의 버팀부(216)를 포함할 수 있다. 나타나 있는 바와 같이, 구동 유닛(214)은 2개의 버팀 링, 즉 제 1 버팀 링(216-1) 및 제 2 버팀 링(216-2)을 포함한다. 버팀부, 구체적으로 버팀 링(216-1, 216-2)은 원형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 버팀부의 형상은 장치(200)가 사용되는 환경에 맞게 변할 수 있는데, 예컨대, 버팀부는 직사각형 관형 구조물에 삽입되기 위해 직사각 형상을 가질 수 있다. 각 버팀부는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 단면 보다 작은 단면을 가질 수 있고, 관형 구조물과 단단히 결합하기 위해 선택적으로 반경 방향으로 연장될 수 있다. 일 예에서, 각 버팀부는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 정착되기 위해 팽창될 수 있거나 덕트(102)로부터 후퇴될 수 있다.
각 버팀부, 예컨대 버팀 링(216-1, 216-2)은, 하나 이상의 선형 액츄에이터(218)에 의해 서로에 대해 그리고/또는 후미부(203)에 대해 길이 방향으로 움직일 수 있다. 나타나 있는 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(218)는 전기 스텝퍼 모터로 구동되는 볼 스크류이다. 그러나, 다른 실시 형태에서, 다른 종류의 선형 액츄에이터가 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(218)는 각 버팀부 디스크 면의 서로에 대한 공간적 관계를 규정하고 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 적어도 3개의 선형 액츄에이터가 사용되어, 인접하는 버팀 링들을 서로에 대해 움직인다. 3개 이상의 선형 액츄에이터가 버팀 링의 주변 내면을 따라 이격되어 있을 수 있다. 3개 이상의 선형 액츄에이터는 각 버팀부 디스크가 인접 디스크에 대해 3차원적으로, 예컨대 도 5에 나타나 있는 x, y, z 방향으로 움직일 수 있게 해준다. 2개 이상의 선형 액츄에이터가 사용되어 인접 버팀 링을 서로에 대해 움직일 수 있는데, 하지만, 하나의 액츄에이터 또는 2개의 액츄에이터는 평면을 규정하지 않고 버팀부 디스크를 3차원적으로 움직일 수 없다. 엔드 이펙터의 중량 변화, 전개 위치에 대해 중력으로 인해 장치에 주어지는 자연적인 하중, 기계적 손실 운동, 및 선형 액츄에이터와 커플링 장치의 공차로 인해, 하나 또는 2개의 선형 액츄에이터를 갖는 장치(200)는, 3개 이상의 선형 액츄에이터를 갖는 실시 형태와 비교하여, 관형 구조물 내부에서 정확하게 또는 효과적으로 위치되지 못할 수 있다. 부적절한 배치는 용접 또는 연삭 또는 기계적 구멍 뚫기와 같은 고 반작용력 공정에 사용될 때 장치의 정착 및 버팀 안정성에 영향을 줄 수 있다.
도 3은 엔드 이펙터(206)를 상세히 나타낸다. 엔드 이펙터(206)는 기부 플레이트(230)를 갖는다. 이 기부 플레이트(230)는 머리부(202)의 길이 방향 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 머리부(202)에 회전 가능하게 장착된다. 선형 잠금 액츄에이터(239)가 또한 엔드 이펙터(206)의 일부분으로서 제공되어 있고, 이는 제 위치에 고정되는 플랫폼을 형성하기 위해 연장될 수 있고, 그 플랫폼은 용접의 동적 하중 또는 연삭과 같은 일의 반작용 하중을 지지하도록 구성된다. 엔드 이펙터(206)는 적어도 하나의 용접 토치(232)를 더 포함한다. 어떤 실시 형태에서, 엔드 이펙터(206)는 손상된 부분을 용융시키고 그 부분 상에의 퇴적을 위해 와이어 전극(236)을 용접 토치를 통해 이송시키기 위한 와이어 이송 유닛을 포함한다. 엔드 이펙터(206)는 복수의 위치 센서(234)를 더 포함한다. 위치 센서(234)는 선형 가변 변위 변압기(LVDT)일 수 있고, 길이 방향 및 회전 (원주 방향) 위치 및 용접 토치(232)와 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 사이의 반경 방향 거리를 나타내는 신호를 보고하도록 작동할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 토치 회전이 가능하도록 테더(tether)를 위치시키기 위한 와이어 또는 다른 부품을 포함할 수 있다.
용접 토치(232)에 의한 용접 퇴적물을 원격으로 관찰하기 위해 하나 이상의 카메라(238)가 엔드 이펙터에 장착될 수 있다. 카메라(238)는 플레이트(230)에 대해 고정될 수 있고, 그래서 카메라는 플레이트(230)와 함께 회전하고 용접 토치(232)에 대한 일정한 위치를 유지시킨다. 카메라(238)는 작업자에 의한 용접부의 관찰을 위해 원격 디스플레이 장치에 연결될 수 있다. 카메라(238)는 작업자의 시력 또는 카메라 센서를 용접 아크로부터 보호하기 위해 예컨대 필터를 구비할 수 있다.
용접 토치(232)는, 작업물에 도입되는 열의 양을 제한하면서, 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와 같은 작업물 상에 용접 재료를 퇴적시키도록 설계될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 이는 와이어 전극(236)에 제공되는 전압 및 전류를 조절하여 달성될 수 있고, 이는 전극의 연장 및 후퇴와 조합될 수 있다. 퇴적 용접 재료는 수리되는 관형 구조물의 재료 및 용접 재료가 노출될 공정 조건에 따라 변할 수 있다. 캘런드리아 릴리프 덕트를 위한 전형적인 용접 재료는 304, 304L, 316 또는 316L 스테인레스강을 포함할 수 있다. 도 4는 실시 형태를 나타내는 용접 퇴적 공정의 일 예를 나타낸다. 프레임(ⅰ) 및 (ⅱ)에 나타나 있는 바와 같이, 소모성 와이어 전극(236)은 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 쪽으로 연장된다. 전극(236)이 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 접촉하면, 그 전극에 대한 전류가 증가되며 아크가 발생된다. 그런 다음에, 프레임(ⅲ) - (ⅳ)에 나타나 있는 바와 같이, 전극이 물러나 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와의 접촉에서 벗어나고, 전극에 주어지는 전류에 의해 용접 재료의 액적(240)이 형성된다. 프레임(ⅴ) - (ⅵ)에서, 전극(236)은 연장되어 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와 접촉하고, 그런 다음에, 표면에 있는 용접 풀(242)에 액적을 남겨 두고, 물러 나게 된다(프레임(ⅶ)). 전극 이동에 의해 전극 와이어 진동 때문에 단락이 생길 필요성이 없어짐에 따라, 액적 분리 및 아크 단락은 거의 전류 없이 일어날 수 있다. 전극(236)의 진동에 의해, 전극이 뒤로 움직여 표면으로부터 후퇴함에 따라 덕트(102)의 표면에 있는 용접 재료의 액적이 분리된다. 전극(236)이 후퇴됨에 따라, 전류가 증가되고 새로운 용접 액적(240)이 형성된다(프레임(ⅷ)에 나타나 있음). 용접 액적의 배치는 용접부(예컨대, 도 7에 나타나 있는 용접부)를 형성하여 덕트(102)의 결함을 교정하기 위해 반복될 수 있다. 이러한 용접 기술을 저온 금속 트랜스퍼(CMT)라고 한다. 일 예에서, CMT는 40 인치/분의 이송 속도 능력을 가질 수 있다.
도 4를 참조하여 위에서 설명된 실시 형태에 따라 오버헤드 용접도 가능하다. 프레임(ⅴ) - (ⅵ)와 관련하여 설명한 바와 같이, 전극은 연장되어 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와 접촉한 다음에 후퇴된다. 오버헤드 용접에서는, 액적(240)을 전극(236)으로부터 전달해 용접 풀(242)을 형성하여 용접 재료의 조기 응고(응고시 용접 재료의 원추형 피크를 생성할 수 있음)를 피하기 위해 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와 접촉하는 전극(236)의 연장은 빨리 일어날 필요가 있을 것이다.
도 4에 나타나 있는 용접 퇴적 공정의 변화가 가능하다. 일 실시 형태에서, 전극(236)이 연장되어 릴리프 덕트(102)와 접촉하여(프레임(ⅴ)에 나타나 있는 바와 같음) 용접 재료를 덕트(102)의 표면 상에 직접 퇴적하는 대신에, 전극 액적(240)이 덕트(102)의 표면 상에 떨어질 수 있다. 액적이 덕트에 떨어지기 때문에, 와이어 전극(236)과 덕트(102) 사이에 전기적 단락이 생성되지 않는데, 그래서, 덕트에 주어지는 열 응력이 최소화된다. 다른 실시 형태에서, 액적이 전극(236) 상에 형성된 후에, 전극(236)이 덕트(102)의 표면으로부터 멀어지게 끌어 당겨져 액적(240)이 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 표면 상에 떨어지게 된다. 전극(236)이 덕트(102)로부터 후퇴하면, 액적(240)이 전극(236)에서 떨어져 덕트(102)에 떨어지게 된다. 다른 실시 형태에서, 액적(240)이 형성된 후에 전극(236)은 덕트(102)로부터 후퇴되지 않으며, 액적(240)은 액적(240)과 덕트(102) 사이의 접촉으로 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 퇴적된다.
실시 형태에서, 전술한 기술을 사용하여 용접부를 퇴적하면, 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 도입되는 열이 허용 가능한 수준으로 제한되면서, 결함(104)이 구조적으로 완화되는 것으로 밝혀진 것으로 결정되었다. 즉, 도입되는 열은, 방사선 경화를 받은 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와 같은 비교적 얇은 벽의 구조물에 추가 손상을 일으키는 허용 불가능하게 높은 위험을 생기게 하지 않는 것으로 나타났다.
다른 용접 기술과 비교하여, CMT는 더 낮은 온도에서 용접 재료의 액적을 용접 풀에 제공할 수 있고, 그 더 낮은 온도에서는, 금속 기재(예컨대, 캘런드리아 릴리프 덕트)에 주어지는 열 응력이 최소화된다. 그러나, 다른 종류의 용접 기술이 여기서 설명되는 장치와 방법의 일부분으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 어떤 경우에, GMAW이 바람직한 용접 기술일 수 있고, Gas Metal Arc Welding GMAW; Globular GMAW; Short-circuiting/Short-arc GMAW(Drip Transfer); Spray & Spray Pulsed GMAW와 같은 그 용접 기술의 많은 변종이 있다.
GMAW는 소모성 와이어 전극과 작업물 금속 사이에 전기 아크가 발생되는 용접 공정이고, 그 전기 아크가 작업물 금속을 가열하여 이 금속이 용융되어 접합된다. GMAW에서는 일정한 전압의 직류 전원이 가장 흔히 사용된다. 그러나, Spray & Spray Pulsed GMAW와 같은 펄싱 전류 GMAW가 또한 사용되어, 필러 와이어를 용융시킬 수 있고 작은 용융 액적이 각 펄스로 떨어질 수 있다. 펄스는 평균 전류가 더 낮아지게 하여 전체 열 입력을 감소시키고 그래서 얇은 작업물의 용접을 가능하게 하면서 용접 풀과 열영향부의 크기를 감소시킬 수 있다. 단락이 일어날 수 없기 때문에, 전류의 펄스는 스패터(spatter)가 없는 안정적인 아크를 제공할 수 있다.
다른 예에서, GMAW 외의 용접 기술이 사용될 수 있다. 예컨대, 플라즈마 전달 아크 용접(PTAW)와 같은 용사(thermal spray) 공정이 또한 용접 기술로서 사용될 수 있는데, 이 경우, 적어도 하나의 용접 토치(232)가 토치(232)의 양극 및 음극과 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 사이에 고 에너지 아크를 생성할 수 있다. 불활성 가스, 예컨대, 아르곤이 아크게 공급되어 플라즈마 기둥을 생성하고, 그런 다음에 소모성 분말 금속이 그 플라즈마 기둥 안으로 도입되고, 플라즈마는 분말을 용융시키는 열원 및 기재를 스프레이하고(무화됨) 코팅하는 추진제로서 사용되어, 기재에 대한 야금학적 결합(클래딩)이 생성된다.
어떤 실시 형태에서, 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)이 사용될 수 있다.
도 5 및 6은 구동 유닛(214)을 더 상세히 나타낸다. 선형 액츄에이터(218)는 후미부(204)를 통해 안내되는 라인에 의해 전력 공급을 받고 제어된다(도 2). 선형 액츄에이터(218)가 연장되면 버팀 링(216-1, 216-2)이 더 떨어지게 밀리게 된다. 반대로, 선형 액츄에이터(218)가 후퇴되면 버팀 링(216-1, 216-2)은 서로 더 가까워지게 끌어당겨 진다. 선형 액츄에이터(218)는 힌지식 연결부(220)에서 버팀 링(216)에 장착되며, 그래서 버팀 링(216)이 선형 액츄에이터(218)에 대해 자유롭게 피봇될 수 있다.
선형 액츄에이터(218)는 비텀부 링(216)의 서로에 대한 위치를 정확하게 제어하기 위해 작동될 수 있다. 언급한 바와 같이, 나타나 있는 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(218)는 스텝퍼 모터로 구동되며, 그래서 연장은 개별적인 증분으로 일어난다. 일 실시 형태에서, 3개의 선형 액츄에이터가 배치되어 버팀 링(216-1 및/또는 216-2) 상에 있는 120도로 서로 떨어져 있는 점에 연결된다. 각 선형 액츄에이터의 한 단부는 버팀 링에 연결될 수 있고 베어링에 지지될 수 있으며, 다른 단부는 인접하는 버팀 링에 연결될 수 있고 스위블/회전 핀을 갖는 너트에서 슬리브로 지지될 수 있다.
구동 유닛(214)은, 순차적으로 버팀 링(216) 중의 하나를 연장시켜 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 정착시키고 그런 다음에 다른 버팀 링(216)을 정착된 버팀 링(216)에 대해 움직이고 움직여진 링을 그의 새로운 위치에 정착시키며 그리고 다른 링을 움직여 수리 장치(200)를 움직이도록 작동될 수 있다. 예컨대, 나타나 있는 실시 형태에서, 근위 버팀 링(216-2)을 확장시키고 원위 버팀 링(216-1)을 후퇴시키며 선형 액츄에이터(218)를 연장시키고 원위 버팀 링(216-1)을 확장시켜 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 정착시키며 근위 버팀 링(216-2)을 후퇴시키며 그리고 선형 액츄에이터(218)를 후퇴시켜 장치(200)를 움직일 수 있다. 버팀 링(216)은 용접 중에 수리 장치(200)를 지지한다. 버팀 링(216)은 팽창 가능한 시일(예컨대, 공압으로 팽창 가능한 시일)을 가질 수 있고, 이 시일은 팽창확장되어 관형 구조물, 즉 캘런드리아 릴리프 덕트(102)와 접촉하여 수리 장치(200)를 정착시킬 수 있다. 버팀 링(216)은 버팀 링(216)과 관형 구조물 사이의 표면 접촉 면적을 최대화하기 위해 관형 구조물의 단면 원주와 접촉하도록 관형 구조물의 길이 방향 축선을 가로질러 연장될 수 있다. 머리부(202)(및 특히 엔드 이펙터(206))의 위치는 예컨대 스텝퍼 모터로부터 받은 인코더 신호에 근거하여 추적될 수 있다.
일 실시 형태에서, 제 1 버팀부(예컨대, 버팀 링(216-2))는 관형 구조물(예컨대, 캘런드리아 릴리프 덕트(102))의 내면에 대해 제 1 각도로 위치될 수 있다. 제 1 각도는 일반적으로 관형 구조물의 길이 방향 축선을 가로지를 수 있는데, 예컨대, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 버팀 링(216-1, 216-2)은 일반적으로 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 길이 방향 축선을 가로지르거나 또는 관형 구조물의 길이 방향 축선을 가로지르는 평면에 대해 각도를 갖는다. 그래서 관형 구조물은 제 1 버팀부와 고정적으로 결합될 수 있다. 예컨대, 제 1 버팀부는 관형 구조물의 내면과 접촉하게 연장될 수 있고, 또는 제 1 버팀부는 관형 구조물의 내면과 시일링 결합하도록 팽창될 수 있으며(예컨대, 공압으로), 그래서 제 1 버팀부는 관형 구조물과 고정적으로 결합하여 앵커를 제공하게 되며, 장치는 이 앵커에 대해 움직일 수 있다. 그리고 적어도 하나의 선형 액츄에이터가 팽창 또는 수축되어 수리 장치(200)를 제 1 버팀부에 대해 움직일 수 있고 또한 장치(200)를 관형 구조물 내부에서 일 방향(예컨대, 근위 또는 원위 방향)으로 전진시킬 수 있다. 적어도 하나의 선형 액츄에이터의 팽창 또는 수축은 선형 액츄에이터의 구성에 따라 수리 장치를 전진시킬 수 있다. 예컨대, 팽창되는 제 1 버팀부의 원위 측에 있는 선형 액츄에이터는 수리 장치를 원위 방향으로 밀수 있고, 수축되는 제 1 버팀부의 근위 측에 있는 선형 액츄에이터는 수리 장치를 원위 방향으로 끌어당길 수 있다. 적어도 하나의 선형 액츄에이터가 팽창 또는 수축됨에 따라, 수리 장치는 일반적으로 관형 구조물의 길이 방향 축선을 따라 전진한다. 수리 장치는 관형 구조물의 곧은 부분에서 움직일 수 있고 또한 관의 엘보우 부분(예컨대, 45 및 90도, 짧은 그리고 긴 반경의 엘보우 부분)을 통해 움직일 수 있다. 수리 장치의 본체, 예컨대 후미부(204)는 예컨대 테더(224)에 의해 제 1 버팀부에 연결될 수 있고, 적어도 하나의 선형 액츄에이터가 작동됨에 따라 전진될 수 있다. 수리 장치의 본체는 롤러 구조물(210)을 포함하여, 수리 장치(200)가 관형 구조물을 통해 전진함에 따라 본체와 관형 구조물의 표면 사이의 마찰을 줄일 수 있다.
일 실시 형태에서, 수리 장치를 고정적으로 결합된 제 1 버팀부에 대해 움직이는 것은, 제 2 버팀부를 제 1 버팀부에 대해 움직이는 것을 포함한다. 제 2 버팀부는 수리 장치를 전진시키기 위해 적어도 하나의 선형 액츄에이터를 팽창 또는 수축시켜 관형 구조물의 내면에 대한 제 2 각도로 위치될 수 있다. 제 2 각도는 일반적으로 관형 구조물의 길이 방향 축선을 가로지를 수 있고 또는 관형 구조물의 길이 방향 축선을 가로지르는 평면에 대해 각도를 가질 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 일 실시 형태에서, 적어도 3개의 선형 액츄에이터가 각 버팀부의 평면을 서로에 대해 원하는 공간적 관계로 위치시키기 위해 제 1 및 2 버팀부를 서로에 대해 움직이도록 구성될 수 있다.
위의 예를 계속하여, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 버팀부, 예컨대 버팀 링(216-2)은 관형 구조물에 정착될 수 있고 선형 액츄에이터(218)는 제 2 버팀부를 정착된 제 1 버팀부에 대해 움직여 수리 장치(200)를 관형 구조물 내부에서 전진시킬 수 있다. 테더(224)는 제 2 버팀부, 예컨대 버팀 링(216-1)에 연결되고, 선형 액츄에이터(218)가 팽창하여 정착된 제 1 버팀부를 밀기 때문에 관형 구조물 내부에서 전진할 수 있다. 제 2 버팀부, 예컨대 버팀 링(216-1)은 관형 구조물의 내면에 고정적으로 결합될 수 있다. 그런 다음에 제 1 버팀부는 관형 구조물로부터 분리될 수 있고 관형 구조물 및 제 2 버팀부에 대해 재위치되어 관형 구조물과 다시 한번 결합하여, 전술한 바와 같이 수리 장치를 관형 구조물 내부에서 움직인다. 수리 장치(200)가 결함 위치에 도달하면, 제 1 및 2 버팀부 각각은 관형 구조물과 고정적으로 결합하여 그 관형 구조물에 대한 수리 장치(200)의 위치를 고정시킨다. 잠금 액츄에이터(239)가 연장되어 관형 구조물에 접촉하여 관형 구조물에 대한 수리 장치의 길이 방향 위치를 고정시킬 수 있다. 그런 다음에, 용접 토치를 용접 위치와 원주 방향 정렬되게 위치시키기 위해 수리 장치(200)의 기부 플레이트를 회전시켜 용접 토치가 위치될 수 있다.
버팀 링(216)을 관형 구조물에 대한 원하는 각도로 위치시키기 위해 또는 용접 중에 용접 토치 및/또는 플레이트(230)를 관형 구조물에 대한 원하는 각도로 위치시키기 위해(예컨대, 덕트(102)의 접선에 수직하게), 위치 센서(234)가 스텝퍼 모터 제어기를 위한 제어기에 입력을 제공할 수 있다.
일 예에서, 각 버팀 링(216)은 복수 쌍의 선형 변위 장치를 가질 수 있다. 예컨대, 각 버팀 링(216)은 6개의 선형 변위 측정 장치를 가질 수 있다. 이 장치는 쌍으로 배치될 수 있는데, 각 쌍의 한 장치는 플레이트(230) 또는 버팀 링(216)의 상호 반대측에 위치된다. (축방향) 운동 중에, 모든 3쌍의 선형 변위 센서가 디스크의 반대측에 있는 센서로부터 동일한 거리에 유지되는 것을 보장하기 위해, 각 버팀부 디스크 또는 플레이트(230)의 각위치를 모니터링할 수 있다. 센서 쌍이 동등하게 변위되면, 디스크는 덕트의 내면에 수직이 되는 위치에 도달한다. 일단 버팀 링(216) 및 따라서 엔드 이펙터가 원하는 위치에 있으면, 제 위치에 고정되고 용접의 동적 하중 또는 연삭과 같은 일의 반작용 하중을 지지할 수 있는 플랫폼을 생성하기 위해 선형 잠금 액츄에이터(239)가 연장될 수 있다.
구동 유닛(214)이 머리부(202)를 전진시키는 동안에 장치(200)의 운동에 의해 장치(200)에 인장이 생길 수 있다. 특히, 후미부(204) 및 롤러 구조물(210)은 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 대해 끌리고 그래서 구동 유닛(214)의 작동으로 인한 운동에 저항하게 된다. 테더(224)의 인장은 머리부(202)와 엔드 이펙터(206)의 정확한 위치 제어를 얻는데 도움을 줄 수 있다.
도 6은 구동 유닛(214) 및 버팀 링(216-2)의 등각도이다. 나타나 있는 바와 같이, 구동 유닛(214)은 전기 모터(260)를 가지며, 이 전기 모터는 스텝퍼 모터일 수 있다. 모터(260)는 제 1 체인 구동부(262)를 통해 선형 액츄에이터(218)를 구동시킨다. 구체적으로, 모터(260)는 볼 스크류를 돌려, 제 1 회전 방향으로 선형 액츄에이터(218)를 연장시키거나 또는 제 2 회전 방향으로 후퇴시킨다.
모터(260)는 제 2 체인 구동부(266)를 통해 하나 이상의 회전 액츄에이터(264)를 구동시킨다. 이 회전 액츄에이터(264)는 용접 헤드(232)가 원주 방향으로 위치되도록 엔드 이펙터를 회전시키기 위해 엔드 이펙터(206)에 연결되어 있다.
구동 유닛(214)의 회전 액츄에이터(264)와 선형 액츄에이터(218)의 조합으로, 용접 토치(232)는, 용접 재료의 액적을 형성하여 액적을 작업물 상에 떨어 뜨려 용접 재료의 층을 작업물, 예컨대 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 상에 퇴적시키도록 작동할 수 있다.
도 7은 장치(200)를 사용하여 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 형성된 용접부(300)의 일 예를 나타낸다. 결함(104)의 위치는 파선으로 나타나 있다. 용접부(300)는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 일련의 액적으로 퇴적된다. 용접부(300)의 퇴적 동안에, 구동 유닛(214)은 제어기에 의해 작동되어 용접부(300)의 길이 방향 및 반경 방향 연장을 규정한다. 즉, 엔드 이펙터(206)의 플레이트(230)는 용접부의 원주 방향 연장 비드를 퇴적하도록 회전된다. 엔드 이펙터(206)는 선형 액츄에이터(218)에 의해 연장 또는 후퇴되어 길이 방향 연장 용접부를 퇴적한다.
나타나 있는 바와 같이, 용접부(300)는 결함(104) 주위에 있는 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 영역을 덮고 그 결함을 구조적으로 메운다. 즉, 용접부(300)는 결함(104)의 양측에서 비결함 금속과 구조적으로 결합한다.
어떤 실시 형태에서, 추가의 구조적 보강을 위해 추가 용접 재료를 용접부(300) 위에 퇴적시키는 것이 바람직할 수 있다. 편리하게는, 구조적으로 온전한 용접부(300)는 작업물에 대한 추가 손상 없이 추가의 열 입력을 견딜 수 있다. 다시 말해, 용접부(300)는 추가의 수리 절차를 위해 열 싱크로서 효과적으로 작용할 수 있다. 따라서, 어떤 실시 형태에서, 추가의 용접 재료가 가스 금속 아크 용접(GMAW)와 같은 종래의 용접 기술로 퇴적될 수 있다. 그러므로 용접부(300)를 보호 용접 층이라고 할 수 있다. 다음 층은 보강 층이라고 할 수 있다.
엔드 이펙터(206)는 또한 용접부(300)의 예비 검사를 가능하게 해준다. 구체적으로, 카메라(238)(도 3)가 용접부(300)의 퇴적 동안 및 그 후에 전극(236)을 촬영하기 위해 배향 및 초점 맞춰진다. 선택적으로, 카메라(238)는 보는 사람의 눈 또는 카메라 센서를 보호하기 위해 또는 용접 무결성의 평가를 돕기 위해 예컨대 광학 필터(나타나 있지 않음)를 구비할 수 있다.
도 8은 결함을 수리하기 위한 예시적인 공정(1000)을 나타내는 흐름도이다. 블럭 1010에서, 엔드 이펙터(206)는 구동 유닛(214)을 사용하여 결함(104)의 위치에 전개된다. 수리 장치(200)는, 엔드 이펙터(206)를 포함하는 머리부(202)와 함께 원위 단부에서 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 안에 삽입된다. 구동 유닛(214)은 버팀 링(216-1, 216-2) 각각의 순차적인 연장 및 정착 및 다른 버팀 링의 정착된 버팀 링에 대한 운동을 사용하여 수리 장치(200)를 결함 위치 쪽으로 이동시킨다. 수리 장치(200), 엔드 이펙터(206)의 위치는 위치 센서(234)에 의해 추적되고 제어기에 보고된다. 일 예에서, 구동 유닛은 수리 장치(200)를 결함(104)에 대해 약간 원위인 위치로 이동시킨다. 다시 말해, 구동 유닛(214)은 수리 장치가 바람직하게는 선형 액츄에이터(218)의 행정 길이 보다 작은 양으로 결함(104)의 위치를 지나칠 때까지 수리 장치(200)를 전진시킬 수 있다.
블럭 1020에서, 엔드 이펙터(206)는 도 7에서 A 점으로 나타나 있는 용접 시작 위치로 후퇴된다. 구체적으로, 구동 유닛(214)의 선형 액츄에이터(218)는 엔드 이펙터(206)를 후퇴시켜 용접 토치(232)를 용접 시작 위치에 정렬시킨다. 어떤 실시 형태에서, 용접 시작 위치는 결함의 끝점 또는 결함의 끝점에 대한 특정된 위치에 있을 수 있다. 바람직하게는, 엔드 이펙터(206)는 선형 액츄에이터(218)의 행정 길이 보다 작은 양으로 후퇴된다. 그래서, 후퇴는 버팀 링(216-2)을 캘런드리아 릴리프 덕트(102)에 정착시키고 선형 액츄에이터(218)를 작동시켜 버팀 링(216-1)을 버팀 링(216-2) 쪽으로 끌어 당겨 수행될 수 있다. 선형 잠금 액츄에이터(239)가 또한 연장되어 캘런드리아 릴리프 덕트(102)의 내면에 접촉하여, 결함에 대한 엔드 이펙터(206)의 위치를 고정시킬 수 있다.
블럭 1030에서, 용접 토치(232)가 결함 위치에 대해 위치된다. 용접 헤드(232)가 원주 방향으로 용접 시작 위치에 정렬될 때까지 엔드 이펙터(206)의 기부 플레이트(230)가 머리부(202)의 길이 방향 축선 주위로 회전된다. 정렬은 하나 이상의 위치 센서(234)로부터 받은 신호에 근거하여 결정될 수 있다. 정렬은 용접 위치에서의 관형 구조물의 접선에 수직하거나 또는 용접 위치의 표면에 대해 각도를 이룰 수 있다.
블럭 1040에서, 보호 용접 층이 퇴적된다. 용접 헤드(232)는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 저온 금속 전달로 용접 재료를 작업물 상에 퇴적시킬 수 있다. 즉, 용접 액적들은 순차적으 형성 및 방출되어 작업물, 즉, 캘런드리아 릴리프 덕트(102) 상으로 떨어지게 된다. 언급한 바와 같이, CMT 용접 기술이 작업물에 도입되는 열을 제한하고, 그리하여 재료의 무결성을 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 예컨대, 이 기술은 특히 방사선 조사를 받은 또는 얇은 부품에서 균열 형성 또는 전파의 가능성을 줄일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 다른 종류의 용접 기술을 이용하여, 용접 재료를 작업물, 예컨대 PTAW에 퇴적시킬 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 용접 토치(232)는 용접 재료를 전체 결함 위에 또한 작업물의 주변 영역의 일부분 위에 퇴적시키는 경로에서 이동된다. 예컨대, 용접 토치(232)가 용접 재료를 퇴적시키는 동안에 기부 플레이트(230)를 머리부(202)의 길이 방향 축선 주위로 회전시켜 용접 재료를 원주 방향으로 분포시킬 수 있다. 용접 재료는 엔드 이펙터(206)와 용접 토치를 움직이는 선형 액츄에이터(218)의 운동(예컨대, 후퇴)에 의해 길이 방향으로 분포될 수 있다. 예컨대, 원주 방향 연장 용접 비드의 끝에서, 구동 유닛(214)은 엔드 이펙터를 작업물의 근위 단부 쪽으로 이동시킬 수 있고, 그래서 인접 비드가 퇴적될 수 있다. 이렇게 해서, 용접부가 용접 끝 위치(도 7에서 B 점으로 나타나 있음)에 도달할 때까지, 보호 용접 층의 퇴적이 이런 식으로 계속될 수 있다. 나타나 있는 바와 같이, 완성된 용접 층은 결함을 덮고 정해진 허용범위로 주변 금속과 겹치게 된다. 따라서, 보호 용접 층은 결함을 구조적으로 메울 수 있다. 다시 말해, 용접부는 결함을 둘러싸는 온전한 금속의 영역 사이에 연장되어 있을 수 있다.
블럭 1050에서, 보강 용접 층이 예컨대 보호 용접 층 위에 퇴적될 수 있고, 이 경우, 증가된 구조적 무결성을 위해서는 복수의 용접 층이 바람직하다. 작업물 안으로의 열 도입을 더 최소화하기 위해 보강 용접 층은 여기서 설명한 바와 같은 저온 금속 전달을 사용하여 수리 장치(200)에 의해 퇴적될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 보강 용접 층은 대신에 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같은 다른 예컨대 종래의 용접 공정을 사용하여 퇴적될 수 있다. 보호 용접 층은 작업물과 용접 공정에 관여되는 용접 헤드, 전극, 용접부, 용접 풀 또는 다른 부품과의 후속 결합부 사이에 장벽을 형성할 수 있고, 그래서 작업물 외에 또는 그에 추가로 보호 층이 열을 흡수하게 된다. 그러므로 이 보호 용접 층은 여기서 설명하는 수리 장치(200) 또는 저온 금속 전달 공정이 예컨대 방사선 조사를 받은 금속을 수리하기 위해 다른 용접 장치 또는 용접 공정과 함께 사용될 수 있게 해준다.
하나 이상의 보강 용접 층이 이전에 퇴적된 용접 층 상에 순차적으로 퇴적될 수 있다. 예컨대, 복수의 보강 용접 층을 사용하여 작업물에 대한 수리를 수행할 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 각 보강 용접 층은 구조적 무결성을 개선하거나 수리를 행하도록 설계된 하나 이상의 상이한 패턴에 따라 퇴적될 수 있다.
다른 예에서, 관통 벽 구멍이 생길 수 있고, 주된 요건은 관통 벽 누설 경로를 막는 것이다. 관통 벽 구멍이 존재하는 벽의 재건은, 장치(200)로 기부 플레이트 또는 플러그를 제자리에서 임시 용접한 다음에 초기 빌드업 층을 플레이트 또는 플러그 주위 및 그 위에 용접하여 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이 용접부를 증강시키기 위해 추가적인 보강 용접 층이 계속 추가될 수 있다.
블럭 1060에서, 예컨대 다양한 법적 기준에 따른 하나 이상의 공정에 따라 용접부가 검사된다. 보호 용접 층 및/또는 하나 이상의 보강 용접 층.
블럭 1070에서, 결함(104)의 추가 성장이 일어나지 않도록 하기 위해 수리의 완료 후에 결함을 모니터링한다.
도 11은 블럭 1020에서 용접부를 검사하기 위한 공정의 일 예를 나타내는 흐름도이다. 용접부를 검사하는 나타나 있는 공정은 용접부 또는 작업물의 주변 영역의 구조적 무결성 및 원자로에서 다시 사용되기 위한 수리된 부품의 적합성을 확인할 수 있다. 결함이 제거될 때까지, 연속적인 검사는 예컨대 매 정전시에(예컨대, 작업물이 사용되지 않을 때) 계획에 따라 수행될 수 있다.
블럭 1110에서, 하나 이상의 보호 및/또는 보강 용접 층, 및 작업물의 주변 영역을 포함하여 용접에서 시각적 검사가 수행된다. 예컨대, 인공 조명을 사용하여 표면 검사를 수행할 수 있다. 용접 크라운은 표면 준비 없이 검사될 수 있다. 시각적 검사는 용접부의 퇴적 동안에 또는 그 바로 후에 카메라(238)를 사용하여 수행될 수 있다.
블럭 1120에서, 예컨대 하나 이상의 보호 및/또는 보강 용접 층, 및 작업물의 주변 영역을 포함하여 용접에서 와전류 검사를 수행하여 재료 내의 결함을 검출한다. 용접 크라운은 표면 준비 없이 검사될 수 있다.
블럭 1130에서, 하나 이상의 보호 및/또는 보강 용접 층을 포함하는 용접 빌드업 두께가 초음파 방법으로 측정된다.
블럭 1140에서, 하나 이상의 보호 및/또는 보강 용접 층, 및 작업물의 주변 영역을 포함하여 용접에서 초음파 부피 검사가 수행된다. 예컨대, 초음파 각도 비임 검사를 사용하여 용접 퇴적물의 무결성을 확인할 수 있다. 어떤 실시 형태에서 용접 크라운은 표면 준비 없이 검사될 수 있다.
이상의 예를 캘런드리아 릴리프 덕트의 수리를 참조하여 설명했지만, 여기서 개시된 장치 및 방법은 다른 원자로 부품에 대한 수리를 수행하는데도 이용될 수 있다. 특히, 그러한 방법 및 장치는 방사선 조사를 받은 부품 및 얇은 벽의 부품을 수리하는데 사용될 수 있다.
유사하게, 수리 장치(200)는 캘런드리아 릴리프 덕트 외의 관형 구조물 내부에 엔드 이펙터(206)를 전개시키기 위해 사용될 수 있다.
실시 형태를 상세하게 설명하였지만, 다양한 변화, 치환 및 변경이 본원에서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 출원의 범위는 명세서에서 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시 형태에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 본 발명의 개시 내용을 용이하게 이해할 것이기 때문에, 본원에서 설명된 대응하는 실시 형태와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 기존의 또는 나중에 개발될 처리, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계가 이용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항은 그 범위 내에 이러한 처리, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 포함하도록 되어 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 위에서 설명되고 도시된 상세한 실시예는 단지 예일 뿐이다. 본 발명은 첨부된 청구항에 의해 규정된다.
그러한 제한이 "∼을 위한 수단" 또는 "∼을 위한 단계" 라는 어구를 각각 사용하는 주어진 청구 범위에 명시적으로 기재되어 있지 않으면, 청구 범위는 수단+기능 또는 단계+기능 한정을 포함하지 않으며 또한 그러한 한정을 포함하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (30)

  1. 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법으로서,
    상기 관형 구조물과 접촉하도록 잠금 액츄에이터를 연장시키는 단계 - 잠금 액츄에이터를 정착시켜 관형 구조물에 대한 엔드 이펙터의 위치를 고정시키고, 상기 엔드 이펙터는 와이어 전극을 포함하며, 상기 잠금 액츄에이터는 진동 중에 동적 하중을 지지하도록 구성됨 -;
    와이어 전극에 용접 재료의 액적을 형성하는 단계;
    전극이 관형 구조물로부터 후퇴함에 따라 용접 재료의 액적을 분리시키도록 와이어 전극을 진동시키는 단계; 및
    진동하는 와이어 전극으로부터 분리된 각각의 용접 재료의 액적을 상기 관형 구조물의 용접 풀(pool) 위에 순차적으로 퇴적하여 보호 용접 층을 상기 결함 위에 퇴적하는 단계를 포함하고,
    상기 보호 용접 층은 상기 결함을 둘러싸는 상기 구조물에 결합하여 상기 결함의 양측에서 비결함 금속과 구조적으로 결합하게 되며, 상기 결함을 덮고 정해진 허용범위로 상기 결함을 둘러싸는 상기 구조물과 겹치게 되고,
    용접 액적을 순차적으로 퇴적하는 단계는 용접 토치의 와이어 전극을, 상기 용접 액적이 형성되는 후퇴 위치와 상기 용접 액적이 상기 구조물 상에 퇴적되는 전진 위치 사이에서 선택적으로 움직이는 것을 포함하고,
    용접 액적을 순차적으로 퇴적하는 단계는, 상기 보호 용접 층을 형성하도록 각각의 용접 재료의 액적을 이전에 퇴적된 액적에 인접하여 퇴적하고, 용접 재료를 상기 결함의 전체 위에 그리고 상기 결함을 둘러싸는 상기 구조물의 일부분 위에 퇴적시키는 경로로 와이어 전극을 이동시키는 단계를 포함하는, 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 액적은 상기 관형 구조물 상에 떨어지는, 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 용접 층을 상기 결함 위에 퇴적하는 단계는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 또는 플라즈마 전달 아크 용접(PTAW)으로 수행되는, 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    관형 구조물은 원자로의 일부분인, 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    수리 장치를 상기 관형 구조물 안으로 삽입하는 단계 및 그 수리 장치를 상기 결함의 위치까지 이동시키는 단계를 포함하는, 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 또는 플라즈마 전달 아크 용접(PTAW)으로 보강 층을 상기 보호 용접 층 위에 퇴적하는 단계를 포함하되, 상기 보호 용접 층은 작업물 외에 또는 작업물에 추가하여 보호 층이 열을 흡수하도록 작업물과 용접 헤드, 와이어 전극, 용접부, 용접 풀 또는 용접 공정 부품과의 후속 결합부 사이에 장벽을 형성하는, 관형 구조물의 결함을 현장 수리하기 위한 방법.
  7. 관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 장치로서,
    상기 관형 구조물 안으로 삽입되는 본체;
    상기 본체에 장착되고, 용융된 용접 액적을 형성하고 이 용접 액적을 상기 관형 구조물 상에 퇴적함으로써 상기 관형 구조물 상에 용접 재료를 퇴적시키도록 작동 가능한 용접 토치를 갖는 엔드 이펙터(end effector);
    상기 관형 구조물과 선택적으로 접촉하기 위한 연장 가능한 잠금 액츄에이터 - 잠금 액츄에이터를 정착시켜 관형 구조물 및 결함에 대한 상기 엔드 이펙터의 위치를 고정시키게 되고, 상기 잠금 액츄에이터는 진동 중에 동적 하중을 지지하도록 구성됨 -; 및
    구동 유닛을 포함하고,
    상기 구동 유닛은,
    상기 장치를 정착시키기 위해 선택적으로 상기 관형 구조물과 고정적으로 결합하는 제 1 버팀부;
    상기 관형 구조물의 길이 방향 축선을 따르는 방향으로 상기 장치를 상기 제 1 버팀부에 대해 움직이기 위한 적어도 하나의 선형 액츄에이터; 및
    용접 토치를 회전시키기 위해 상기 엔드 이펙터에 연결되는 회전 액츄에이터를 포함하는, 관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은, 선택적으로 상기 관형 구조물과 고정적으로 결합하는 제 2 버팀부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 선형 액츄에이터는 상기 장치를 길이 방향으로 움직이기 위해 상기 제 1 및 제 2 버팀부를 서로에 대해 길이 방향으로 움직이도록 구성되어 있는, 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 버팀부 각각은 상기 관형 구조물의 단면 보다 작은 단면을 갖는 버팀 링인, 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은, 각 버팀부의 면을 서로에 대한 원하는 공간적 관계로 위치시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 버팀부를 서로에 대해 움직이도록 구성되어 있는 적어도 3개의 선형 액츄에이터를 포함하는, 장치.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 토치의 와이어 전극을 선택적으로 전진 및 후퇴시키도록 구성되어 있는 와이어 이송 유닛을 포함하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 용접 토치는, 와이어 전극을 관형 구조물로부터 멀어지게 후퇴시켜 용접 액적이 떨어지게 하여 용접 액적을 상기 관형 구조물 상에 퇴적시키도록 구성되어 있는, 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 용접 토치는 용접 액적을 관형 구조물 상에 퇴적시키기 위해 상기 관형 구조물 쪽으로 전진하도록 구성되어 있는, 장치.
  14. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터 또는 본체에 연결되는 복수의 롤러 구조물을 포함하고,
    상기 롤러 구조물은,
    지지 구조물;
    상기 지지 구조물에 회전 가능하게 연결되는 롤러; 및
    상기 롤러 중의 적어도 하나를 관형 구조물과 접촉하게 편향시키도록 구성되어 있는 복수의 편향 부재를 포함하는, 장치.
  15. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터와 용접 토치의 길이 방향 위치와 회전 위치 및 용접 토치와 관형 구조물 사이의 반경 방향 거리를 나타내는 신호를 보고하도록 작동 가능한 위치 센서를 포함하는, 장치.
  16. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 구조물은 원자로의 일부분인, 장치.
  17. 관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법으로서,
    본체; 상기 본체에 장착되고 와이어 전극을 포함하며 용융된 용접 액적을 형성하고 이 용접 액적을 상기 관형 구조물 상에 퇴적함으로써 상기 관형 구조물 상에 용접 재료를 퇴적시키도록 작동 가능한 용접 토치를 갖는 엔드 이펙터(end effector); 및 상기 관형 구조물과 선택적으로 접촉하기 위한 연장 가능한 잠금 액츄에이터를 포함하는 장치를 상기 관형 구조물에 삽입하는 단계 - 잠금 액츄에이터를 정착시켜 관형 구조물에 대한 상기 엔드 이펙터의 위치를 고정시키게 됨 -; 및
    상기 관형 구조물과 선택적으로 접촉하고 상기 연장 가능한 잠금 액츄에이터를 정착시켜 관형 구조물에 대한 엔드 이펙터의 위치를 고정시키는 단계;
    상기 와이어 전극 상에 용융된 용접 재료의 액적을 형성하는 단계;
    전극이 관형 구조물로부터 후퇴함에 따라 상기 용접 재료의 액적을 분리시키도록 상기 와이어 전극을 진동시키는 단계; 및
    상기 관형 구조물 상에 상기 용접 액적을 퇴적하는 단계를 포함하는, 관형 구조물의 결함을 수리하기 위한 방법.
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