TWI518705B - 爐心側板焊接檢驗系統及方法 - Google Patents

Description

爐心側板焊接檢驗系統及方法

技術領域通常係用於檢驗水下結構之系統及方法，且更具體言之，技術領域係用於檢驗一沸水反應器之一爐心側板之焊接之系統及方法。

出於安全及維護之目的需要檢驗沸水反應器(BWR)。尤其是需要檢驗該BWR之爐心側板之焊接以識別沿晶應力腐蝕破裂(IGSCC)。普遍在一反應器單元停電期間使用目測檢驗方法及超聲波探針執行檢驗。該等超聲波探針測量該等焊接中之裂縫之長度及深度。

大多數BWR包含諸如噴射泵之各種結構，其等使目前可用之檢驗裝置難以到達該爐心側板上之某些焊接位置。另外，所有BWR都是唯一的使一單一工具難以能檢驗整個BWR機隊。BWR爐心側板含有隨著深度增加而減小之不同直徑的套筒。所得之端圍緣及直徑之變化使可及性成為一挑戰。

檢驗儀器通常經嚴密設計以最小化碎屑掉落或失去於該反應器中之機會。大多數檢驗儀器係經客制化設計以最大化可及性同時防止材料之損失及最小化破壞。就增加檢驗該BWR之時間而言，儀器之破壞可能代價很高。

遙控載具(ROV)通常太大以無法用以檢驗該爐心側板，大多數由於其等必須可潛水至一百英尺之事實。普偏於一ROV上使用推力扇以抵著該爐心側板將其固持。需要用來產生所需推力之該等推力扇增加該ROV之尺寸藉此限制其之可及性。推力扇亦增加移動部件之數量以承擔該反應器中部件之故障及損失潛在性兩者之風險。

各種實施例提供用於檢驗一核反應器之一爐心側板之系統及方法。根據一例示性實施例，一檢驗遙控載具(ROV)經組態以於鄰接一沸水反應器(BWR)之爐心側板之外直徑之結構後方移動並在不使用移動部件之下附接至該BWR之爐心側板。該ROV經組態以有效率地檢驗該爐心側板之焊接，這是由於其無需如藉由一伸縮裝置般經常從該爐心側板之表面移除以覆蓋該爐心側板上之不同位置，無需被移除並經重新組態以檢驗不同定向之焊接，及無需如此經常被移除用於維護(由於其具有較少移動部件)。因此，該ROV使檢驗更具成本效益及效率。低輪廓、掃描能力及增加的可靠性有助於擴展檢驗覆蓋範圍並減少檢驗時間。

根據一例示性實施例，一種用於檢驗一爐心側板之檢驗系統包含一遙控載具，其經組態以符合該爐心側板之表面以當從該爐心側板之表面測量時最小化該遙控載具之高度。在某些實施例中，該遙控載具之輪廓係彎曲的以符合該爐心側板之表面；及在某些實施例中，該遙控載具包含由一彈簧負載鉸鏈連接至一翼部的一腹部。在某些實施例中，該例示性實施例之該遙控載具進一步包含：一個或多個之超聲波探針及經組態以平移及轉動該超聲波探針之一探針定位系統；經組態以圍繞該爐心側板之圓周移動該遙控載具之一組水平輪及經組態以沿著該爐心側板之軸移動該遙控載具之一組垂直輪；經組態以將一安裝臂導引至其之一平坦中間部分的一把手；及經組態以將該遙控載具黏附至該爐心側板之表面的一真空系統。該真空系統包含經組態以從該遙控載具中之一空隙抽取水之一文氏管閥及經組態以將水壓供應至該文氏管閥之一泵。

前文已廣泛地概述該等各種實施例之若干態樣及特徵，應僅僅將其等詮釋為各種潛在應用之繪示。藉由以一不同方式應用所揭示之資訊或藉由結合該等所揭示實施例之各種態樣可獲得其他之有利結果。除由該等技術方案界定之範疇之外，藉由結合附圖參考該等例示性實施例之詳細描述可獲得其他態樣及一更全面的理解。

根據需要，文中揭示詳細之實施例。必須瞭解所揭示之實施例僅僅係例示性的並可以各種及替代形式以及其之組合具體實施。如文中所使用，單詞「例示性」被廣泛地用以指代作為繪示、樣本、模型或圖案之實施例。圖式不一定按比例且若干特徵可經誇大或最小化以顯示特定組件之細節。在其他例項中，並未詳細描述一般技術者已知之組件、系統、材料或方法以避免與本發明混淆。因此，並不應將文中所揭示之具體結構及功能細節理解為限制性的而僅僅作為申請專利範圍之一基礎及作為教示熟習此項技術者之一代表性基礎。

本文中在一沸水反應器(BWR)之一爐心側板之背景下描述例示性實施例。然而，熟習此項技術者將明白該等例示性實施例可應用於包含其他水下結構之其他背景。雖然可將文中之教示應用於一結構之一內表面或內直徑，但是文中所述之該等實施例相對於一結構之一外表面或外直徑而組態。

參考圖1，一BWR之一反應器壓力容器(RPV)10包含一爐心側板20。該爐心側板20為該RPV 10內側環繞一反應器爐心22之一多直徑、階層式圓筒。通常所述之該爐心側板20導引冷卻液之流動向上通過該反應器爐心22並為一頂部導件、蒸汽乾燥器及爐心噴灑總成提供支撐。該RPV 10包含各種爐心側板結構24(諸如，一環形物中之噴射泵)。該爐心側板20可用垂直及水平焊接由(例如)不鏽鋼製成。

參考圖1至圖3，一檢驗系統100包含一遙控載具(ROV)110及控制該ROV 110之一控制單元112。該ROV 110經組態以符合該爐心側板20之外表面之輪廓、附接至該爐心側板20之外表面、沿著該爐心側板20之外表面導航、及檢驗該爐心側板20之焊接。為此，該ROV 110包含下文中進一步詳細描述之一真空系統、一導航系統及一檢驗系統。該控制單元112經組態以控制馬達、泵及活塞並接收來自馬達及其他感測器之回饋以相對於焊接中之裂縫或其他位置定位該ROV 110及超聲波探針。此外，該控制單元112經組態以控制該超聲波探針對(例如)裂縫之長度及寬度進行測量。該控制單元112與此等元件之各者之間之連接由電纜114表示。

該控制單元112包含一處理器及記憶體或儲存軟體模組之其他電腦儲存媒體。該等軟體模組包含用於控制文中所述之系統以執行文中所述之方法之電腦可執行指令。雖然文中所述之方法有時可在電腦可執行指令之一通用背景下描述，但是本發明之方法亦可結合其他程式模組及/或作為硬體及軟體之一組合而實施。該術語模組或其之變形在本文中廣泛地使用以包含常用程式、程式應用、程式、組件、資料結構、演算法及類似物。模組可在各種系統組態上實施，該等系統組態包含伺服器、網路系統、單處理器或多處理器系統、小型電腦、大型電腦、個人電腦、手持型計算裝置、行動裝置、基於微處理器之可程式消費性電子產品、其之組合及類似物。

電腦可讀媒體包含(例如)揮發性媒體、非揮發性媒體、可移除媒體及不可移除媒體。該術語電腦可讀媒體及其變形(如說明書及申請專利範圍中使用)指儲存媒體。在一些實施例中，儲存媒體包含揮發性媒體及/或非揮發性媒體、可移除及/或不可移除媒體，諸如(例如)隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、電子可抹除可程式唯讀記憶體(EEPROM)、固態記憶體或其他記憶體技術、CD ROM、DVD、BLU-RAY或其他光碟儲存器、磁帶、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置。

該ROV 110包含一腹部120及定位於該腹部120之相對側上之翼部122。參考圖3，該腹部120及該等翼部122具有一彎曲輪廓使得該ROV 110之輪廓符合該爐心側板20之外表面之曲率。通常，該腹部120及該等翼部122之各者之曲率為一爐心側板之外半徑之一函數。

該ROV 110經組態以符合各種爐心側板20表面。例如，該ROV 110經組態以符合一個六十英寸半徑之爐心側板及一個一百一十英寸半徑之爐心側板兩者。為符合不同直徑之爐心側板20，該等翼部122各係藉由一彈簧負載鉸鏈124附接至該腹部120。當安裝於該爐心側板20上時，該ROV 110係相對於該爐心側板20而定向使得各鉸鏈124之軸實質上垂直或平行於該爐心側板20之一縱向軸。該等彈簧負載鉸鏈124使該等翼部122朝向該爐心側板20之表面偏向。該等彈簧負載鉸鏈124包含扭轉彈簧。該等翼部122之行進範圍被限定於某一範圍使得該等翼部122保持開放及可很容易地將該ROV 110安裝於該爐心側板20上。該等扭轉彈簧之強度經選定以不至於太大而使得該等扭轉彈簧不會中斷下文進一步詳細描述之附接系統之功能。例如，該等扭轉彈簧之強度經選定以不至於實質上強迫該ROV 110之該腹部120遠離該爐心側板20。該等扭轉彈簧之強度亦經選定以足以抵著該爐心側板20固持一檢驗系統之元件，如下文中進一步詳細描述。

由於該ROV 110符合該爐心側板20之外側表面，所以該ROV 110經組態以靠近該爐心側板20而定位並維持一低輪廓。例如，該輪廓高度可測量成從該爐心側板20之表面於一徑向方向上之一距離。參考圖1，該ROV 110之該低輪廓使得該ROV 110能在各種爐心側板結構24(諸如，噴射泵及該環形物中之其他阻體)下移動。例如，該ROV 110具有1.7英寸之一最大輪廓高度。在此高度，該ROV 110可於該環形物中之大多數阻體後方調運。此外，由於該爐心側板20具有一彎曲輪廓，所以該ROV 110之該彎曲形狀甚至於該等翼部122之該等外邊緣處維持小於1.7英寸之高度。

參考圖1、圖2、圖4及圖8，該ROV 110包含經組態以可控制地將該ROV 110黏附或強迫至該爐心側板20之表面的一真空系統130之元件。該真空系統130於該腹部120中之一空隙126中產生一低壓或真空空間。該空隙126由一密封環132界定。該密封環132經組態以抵著該爐心側板20之表面密封以使該空隙126與該環形物隔絕使得可降低或以其他方式控制該空隙126中之壓力以將該ROV 110附接至該爐心側板20之表面。該密封環132經組態以於該爐心側板20之表面上之障礙物之上移動。通常而言，該密封環132具有一圓形輪廓並由一撓性材料製成以允許該ROV 110於表面變化(諸如，焊接***)之上行進。例示性密封環132包含j形聚胺酯、發泡體及類似物。該發泡體密封環132將進一步詳細地描述。

參考圖8，該密封環132包含包覆有氯丁橡膠塗層之尼龍蓋232之一閉合胞發泡體環230或裙部。內環形平板234及外環形平板236經螺栓連接至該腹部以將該尼龍蓋232之內邊緣及外邊緣固持至該腹部並將該尼龍蓋232固持於該發泡體環230之上。該發泡體環230可壓縮及擴展以當依然維持一真空密封時於障礙物之上移動。已發現該發泡體環在無需折疊及失去吸力(關於某些其他密封設計，其係一問題)之情況下於障礙物之上移動。該氯丁橡膠塗層之尼龍蓋232保護該發泡體環230使得該密封環132耐用且穩固。

在某些實施例中，使用多個密封環132使得當於一阻礙或障礙物之上移動時若一個密封環失去吸力，該ROV保持附接至該表面。

參考圖2及圖4，該真空系統130進一步包含一文氏管閥134或噴嘴、一泵136或其他加壓水供應器及將該泵136連接至該文氏管閥134之一軟管138。該控制單元112經組態以控制該泵136。該泵136從該環形物抽取水並將該水供應至文氏管閥134。該泵136可位於(例如)該更換燃料底板上之該水位上方之該爐心側板20之頂部處。該泵136經組態以再循環已在該RPV 10中之水。

該文氏管閥134經組態以依據由該泵136供應之水壓位移來自該空隙126之水。一通道140將該空隙126連接至該流動路徑142。該文氏管閥134之流動路徑142變窄並接著於該流動方向上擴展使得由該泵136供應至該文氏管閥134之加壓水於該文氏管閥134中之一低壓位置144處產生低壓。該通道140連接至該低壓位置144處之流動路徑142。如此一來，由該泵136供應而通過該文氏管閥134之加壓水使來自該空隙126之水抽取至該文氏管閥134之流動路徑142中並降低該空隙126中之壓力。該文氏管閥134無需移動部件以降低該空隙126中之壓力。因此，該文氏管閥134降低該真空系統130之破壞之風險並減少將碎屑引入該RPV 10中。相比使用一泵將水直接從該空隙泵取，該文氏管閥134允許更好地控制真空力。依據來自泵136之加壓水或泵流動控制由該文氏管閥134提供之真空力。

參考圖2，該ROV 110進一步包含一導航系統150，該導航系統經組態以沿著該爐心側板20之表面移動該ROV 110以全域地定位超聲波探針，如下文進一步詳細描述。該ROV 110在移動時維持相對於該爐心側板20之其之定向使得該ROV 110之輪廓匹配該爐心側板20之表面之輪廓。該ROV 110經組態以使用馬達經驅動輪在水平及垂直兩者上調運。通常，該ROV 110平移但不轉動。

該導航系統150包含一組水平輪152，其等經組態以水平地或圍繞該爐心側板20之圓周移動該ROV 110。該導航系統150亦包含一組垂直輪154，其等經組態以垂直地或沿著該爐心側板20之縱向軸移動該ROV 110。參考圖5及圖6，該等水平輪152固定於適當位置中且該等垂直輪154經組態而回縮及延伸。在圖5中繪示之操作之一水平行進模式期間，該等水平輪152接觸該爐心側板20之表面及該等垂直輪154回縮以不至於與該爐心側板20之表面接觸。在圖6中繪示之操作之一垂直行進模式期間，該等垂直輪154延伸以接觸該爐心側板20之表面並鬆開該等水平輪154使得該等水平輪154並不與該爐心側板20之表面接觸。藉由該控制單元112致動氣動活塞155(圖2、圖5及圖6中示意性顯示)延伸該等垂直輪154。例如，此等氣動活塞155經客制化設計具有用於該圓筒之一四邊形環密封件及青銅***物。該等垂直輪154藉由深處水壓、真空附接力及/或張力彈簧(未顯示)回縮。

再參考圖2，各組輪152、154經組態以當驅動各組輪152、154之馬達156、158由該控制單元112控制時由該控制單元112驅動。輪152、154經組態以由該等馬達156、158獨立致動以促進校正一行進方向(若需要)。各組輪152、154具有將定位回饋提供至該控制單元112之獨立非經驅動輪162、166。該等非經驅動輪162、166係被動的並耦合至編碼器160、164。該等編碼器160、164與其他感測器(未顯示)(諸如，輻射硬化傾斜儀、陀螺儀感測器、深度感測器及類似物)結合使用以判定該爐心側板20之表面上之該ROV 110之位置及尤其超聲波探針之位置。該等輪之材料經選定以遵守用於一核電廠(Nuclear Power Plant)中之要求並當處於水下且抵著該爐心側板20之表面時具有最佳摩擦係數。此外，該導航系統150包含支撐該等翼部122之球形滾子168。

用圖2及圖7繼續，該ROV 110包含經組態以檢驗該爐心側板20之焊接之一焊接掃描系統170。該焊接掃描系統170包含超聲波探針172及經組態以局部地定位該等超聲波探針172以檢驗各種焊接之一探針定位系統174。該探針定位系統174經組態以定位該等超聲波探針172以檢驗各種定向之焊接(包含水平焊接、垂直焊接與介於水平及垂直之間之若干角度處的焊接)。該探針定位系統174包含於該等翼部122之外邊緣處之掃描臂176。通常而言，該等掃描臂176實質上類似且對稱地定向。為教示之目的，進一步詳細地描述該等掃描臂176之一者且該描述適用於該等掃描臂176之各者。

該掃描臂176包含一軌道178及利用一線性軸承182附接至該軌道178之一萬向接頭180。作為一實例，該軌道180提供兩英尺之一掃描長度。基於可靠性及最小外來材料(FM)潛力選擇該線性軸承182。一運動驅動機構經組態以被致動以沿著該軌道178移動該萬向接頭180。例如，該運動驅動結構包含驅動一導程螺桿186之一馬達184。用一皮帶或齒輪系將該馬達184耦合至該導程螺桿186以將扭矩傳輸至該導程螺桿186。該導程螺桿186耦合至該線性軸承182。該馬達184與該導程螺桿186偏移以最小地限定該萬向接頭180沿著該軌道178移動。

各超聲波探針172附接至該等萬向接頭180之一者且各萬向接頭180包含一經致動接頭190。一經致動馬達192經組態以繞該接頭190相對於該萬向接頭180之一近端部分181轉動該萬向接頭180之一遠端部分181。為達成可靠、穩固的轉動，使用一蝸桿齒輪。此允許該機構維持一低輪廓以及達成一高齒輪比以至於可使用一小馬達。在操作期間，該接頭190經定向使得一轉動方向實質上垂直於該爐心側板20之表面。該萬向接頭180包含經組態以抵著該爐心側板20之表面偏向該超聲波探針172之扭轉彈簧194。使用一外來材料排除(FME)防護板(未顯示)以覆蓋該等扭轉彈簧。該等超聲波探針172附接至該萬向接頭180以能轉動而與該爐心側板20之表面實質上以平坦面接觸。

各超聲波探針172經組態以沿著一相關聯軌道178之長度而定位並有角度地定位於一百八十度之一範圍中以檢驗焊接。該等超聲波探針172可經定位以沿著該ROV 110之側以及該ROV 110之上方及下方檢驗水平焊接及垂直焊接。可彼此獨立地移動及定位該等超聲波探針172。該控制單元112控制該等馬達184、192之致動以定位該等超聲波探針172。

參考圖1及圖2，該ROV 110進一步包含一吊環把手200以促進用一臂202安裝該ROV 110。通常，該臂202包含一標桿204及處於該標桿204之端部處之一爪鉤206且經組態以於(例如)三十至七十英尺之水下安裝該ROV 110。該吊環把手200經組態以由該爪鉤206接合並使該ROV 110於一實質上筆直垂直位置定中心及對準以促進該ROV 110附接至該爐心側板20。該標桿204為經組態以繞過爐心噴灑線並到達下套筒或其他爐心側板結構24的一偏移操縱標桿。該爪鉤206朝向一閉合位置偏向。該爪鉤206之打開操作由一活塞驅動，空氣係藉由一空氣泵(未顯示)供應至該活塞。如此一來，在供應空氣損失之事件中，該爪鉤206保持於該閉合位置中並接合至該吊環把手200。

該吊環把手200包含朝向一平坦中間部分212傾斜之凸起外邊緣210。該平坦中間部分212之寬度W實質上等於該爪鉤206之寬度。當該爪鉤206接合該中間部分212時，該ROV 110以該臂202為中心並經適當定向以待安裝。當該吊環把手200接合時，該等凸起外邊緣210朝向該中間部分212導引該爪鉤206。如此一來，該吊環把手200經組態以由該爪鉤206一致地恰當地接合，即使可能難以定位該爪鉤206以接合該吊環把手200之精確中心。

通常現在描述一種檢驗焊接之方法。各步驟係根據電腦可執行指令之一軟體模組之執行而由該控制單元112執行。該安裝臂202將該ROV 110移動至該爐心側板20上之一位置。該真空系統130將該ROV 110附接至該該爐心側板20及該臂202鬆開該ROV 110。該導航系統150沿著該爐心側板20之表面移動該ROV 110以全域地定位該ROV 110。該探針定位系統174相對於一焊接中之一裂縫或待測量之另一特徵局部地定位及定向該等超聲波探針172。該等探針172測量該裂縫之長度及寬度並將該測量記錄於該控制單元112之記憶體中。如需要重複選定之步驟以進行進一步測量。

上述實施例僅僅是對於原理之一清晰理解而提出之實施之例示性繪示。與上述實施例相關聯之變化、修改及組合可在不脫離該申請專利範圍之範疇下進行。所有此等變化、修改及組合係藉由本發明及以下申請專利範圍之範疇而包含於本文中。

10．．．反應器壓力容器

20．．．爐心側板

22．．．反應器爐心

24．．．爐心側板結構

100．．．檢驗系統

110．．．遙控載具

112．．．控制單元

114．．．電纜

120．．．腹部之側

122．．．翼部

124．．．彈簧負載鉸鏈

126．．．空隙

130．．．真空系統

132．．．密封環

134．．．文氏管閥

136．．．泵

138．．．軟管

140．．．通道

142．．．流動路徑

144．．．低壓位置

150．．．導航系統

152．．．水平輪

154．．．輪

155．．．氣動活塞

156．．．馬達

158．．．馬達

160．．．編碼器

162．．．非經驅動輪

164．．．編碼器

166．．．非經驅動輪

168．．．球形滾子

170．．．焊接掃描系統

172．．．超聲波探針

174．．．定位系統

176．．．掃描臂

178．．．軌道

180．．．萬向接頭

181．．．萬向接頭之遠端部分

182．．．線性軸承

184．．．馬達

186．．．導程螺桿

190．．．經致動接頭

192．．．經致動馬達

194．．．扭轉彈簧

200．．．吊環把手

202．．．臂

204．．．標桿

230．．．閉合胞發泡體環

232．．．尼龍蓋

234．．．環形平板

236．．．環形平板

圖1係根據一例示性實施例之一沸水反應器(BWR)及包含於該BWR之一爐心側板之外側上之一遙控載具(ROV)之一檢驗系統之一部分透視圖。

圖2係圖1之該ROV之一平面圖。

圖3係圖2之該ROV之一端部正視圖。

圖4係圖2之該ROV之一真空系統之一部分透視圖。

圖5及圖6係圖2之該ROV之一導航系統之部分示意性端部正視圖。

圖7係圖2之該ROV之一焊接掃描系統之一部分透視圖。

圖8係圖4之真空系統之一部分截面透視圖。

10．．．反應器壓力容器

20．．．爐心側板

22．．．反應器爐心

24．．．爐心側板結構

100．．．檢驗系統

110．．．遙控載具

112．．．控制單元

114．．．電纜

136．．．泵

138．．．軟管

172．．．超聲波探針

200．．．吊環把手

202．．．臂

204．．．標桿

Claims (11)

1. 一種用於檢驗一具有一軸及一外表面之爐心側板之遙控載具，其包括：一具有一第一側之腹部；一第一翼部，該第一翼部經由一第一鉸鏈而可擺動地連接於該腹部之該第一側，且該第一翼部具有一軸，該軸係大致平行於該爐心側板之該軸；及該第一翼部包含一軌道及一萬向接頭，該萬向接頭經由一線性軸承而附接至該軌道。
2. 如請求項1之載具，其中該遙控載具之輪廓是彎曲的以符合該爐心側板之該表面。
3. 如請求項1或2之載具，其中該第一鉸鏈係一彈簧負載鉸鏈。
4. 如請求項1之載具，另包括：一超聲波探針；及一探針定位系統，其經組態以平移及轉動該超聲波探針。
5. 如請求項1之載具，其包含：一組水平輪，其等經組態以圍繞該爐心側板之該圓周移動該載具；及一組垂直輪，其等經組態以沿著該爐心側板之該軸移動該載具。
6. 如請求項5之載具，其中該等組輪之至少一者經組態而 延伸及回縮。
7. 如請求項1之載具，另包括：一把手，其經組態以將一安裝臂導引至該把手之一平坦中間部分。
8. 如請求項7之載具，其中該把手另包括一朝向該平坦中間部分傾斜之凸起外邊緣。
9. 如請求項1之載具，其包括：一真空系統，其經組態以將該載具黏附至該爐心側板之該表面；該真空系統包括：一文氏管閥，其經組態以從該載具中之一空隙抽取水；及一泵，其經組態以將水壓供應至該文氏管閥。
10. 如請求項9之載具，該真空系統包括界定該空隙之一密封環。
11. 如請求項10之載具，該密封環包括一發泡體環及處於該發泡體環之上之一蓋。