【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、既存の配管系設備において廃棄される構成要素を交換用構成要素で置き換える際に溶接予備処理部の位置を決定する方法に関し、特に、既存の放射性配管系設備において廃棄される蒸気発生器を交換用蒸気発生器で置き換える際に溶接予備処理部の位置を決定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】既存の配管系システムにおける構成要素、例えばタンクや熱交換器の交換は多種多様な産業界における通例の作業である。 構成要素が小型であって作業環境に恵まれている場合、交換用構成要素の取付け又は嵌込み（fit)は、廃棄される構成要素をシステムから取り外した後、試行錯誤により実施可能である。 しかしながら、構成要素が大型であると共に、或いは、作業環境が危険である場合、交換用構成要素を大きな間違いなく適所に取り付けることが重要である。

【０００３】現在までに達成された一層困難な構成要素の交換作業のうちで一つは、原子力発電所における蒸気発生器の交換である。 当該構成要素は大きくて重く、しかも作業スペースが制約されているだけでなく、作業域及び既存の構成要素は放射性が非常に強い。 溶接予備処理部を交換用蒸気発生器のノズル及び原子炉冷却系の管端部に、交換中に構成要素の取扱い上の問題や嵌合（fi
t-up）上の問題が無いように正確に準備できることが重要である。

【０００４】機械的テンプレートが蒸気発生器の交換プロジェクトに対して首尾よく利用されていた。 この方法では、交換用蒸気発生器を表示する機械的テンプレートの製作が必要である。 次いで、廃棄される蒸気発生器（以下、「廃棄蒸気発生器」という）を原子力発電所から取り出した後、テンプレートを所定位置に移動させ、
これを用いて溶接予備処理部の所望の位置を機械的に決定する。 この方法には多くの欠点がある。 かかる欠点として、機械的テンプレートのコストがかかること、テンプレートを定位置に移動させるのに必要な時間及び放射線被ばくが生じることが挙げられる。 さらに、廃棄蒸気発生器の取外し後までは、嵌合に関してどのような問題点があるのか分からない。 この種のシステムでは、溶接予備処理部の機械加工に用いられる機器は通常、ノズル又は管で作られた一連の印又はマークに関連して機器の位置を測定することにより位置決めされる。

【０００５】計算機援用設計（ＣＡＤ）ソフトウエアが当該技術分野で公知であり、種々の目的のために蒸気発生器のモデルを作製するのに用いられてきた。 図１は、
ＣＡＤによって得られた代表的な原子炉用蒸気発生器のチャンネルヘッド部分のモデル（以下、「ＣＡＤモデル」という）であり、入口ノズル、出口ノズル、及び３
つの支持パッド位置を示している。

【０００６】既存の配管類及び交換用蒸気発生器の完成状態における寸法を得るために、セオドライト（経緯儀）の利用が公知である。 これら光学機器又は計器では、２つの機器の各々についてオペレータが必要であり、かかるオペレータは原子炉用途に関しては放射性環境中に居なければならない。 しかしながら、セオドライトのみの使用では、現場における据付けプロジェクトに関して最適なサポートを提供する際におけるスピード、
融通性及び本出願人が望むプラント所有者の信頼を得ることはできない。

【０００７】従来技術の問題に鑑みて、本発明の目的は、交換用構成要素のための溶接予備処理部の位置を決定する方法を提供することであり、かかる本発明の方法は、配管系設備の環境に対する作業員の被ばくを最小限に抑え、正確で再現性のある測定値を得ることができ、
予期しえない現場条件、例えば廃棄蒸気発生器の取外しの際の管端部の動きに対する応答において迅速性及び融通性があり、しかも、交換用構成要素を首尾よく既存の配管系設備内に取り付けできるという高信頼性をプラント所有者に与えることができる方法である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明の要旨は、既存の配管系設備において廃棄される構成要素を交換用構成要素で置き換える際に溶接予備処理部の位置を決定する方法であって、廃棄される構成要素と交換用構成要素はそれぞれ、溶接予備処理部を備えた複数のノズル及び複数の支持体位置を有し、配管系設備は前記構成要素のノズルに対応する溶接予備処理部を備えた複数の管端部を有しており、前記方法は、追跡用レーザ干渉計を用いて、前記支持体位置に関連して前記管端部の位置に対応する第１のデータファイルを作成する段階と、
複数の位置における前記管端部についての肉厚データを得る段階と、前記干渉計を用いて、前記交換用構成要素の幾何学的形状に対応する第２のデータファイルを作成する段階と、ＣＡＤシステムを用い、前記第１のデータファイル、第２のデータファイル及び前記肉厚データに基づいて前記配管系設備及び前記交換用構成要素のＣＡ
Ｄモデルを作製する段階と、前記ＣＡＤモデルを用いて、前記交換用構成要素のノズル及び前記管端部の溶接予備処理部の所望位置を決定する段階と、前記ＣＡＤモデルを用いて前記溶接予備処理部の前記所望位置に対応する第３のデータファイルを作成する段階と、前記干渉計を用いて前記第３のデータファイルに従い機械加工機器を位置決めして前記所望位置に溶接予備処理部を形成する段階とを有することを特徴とする方法にある。

【０００９】

【実施例】加圧水型軽水炉原子力発電所における交換用蒸気発生器の溶接予備処理部（weld preps）の位置の決定方法及び装置を、本発明の好ましい実施例として説明する。 図２は、流れ図の形で本発明の方法の諸段階を示している。

【００１０】プラント保守計画の最初の段階は、完成状態の構成部品と配管系の図面を含む既存の設計情報を入手して検討することである（１）。 通常、この情報は不完全であったり不正確であったりするが、測定機器を位置決めするための予想位置を決定し、座標系を基準とするのに利用されるべき不変の基準点を確立し、そして、
除去しなければならない絶縁材の範囲を決定する良好な開始点となる。 放射線領域中における滞在時間を最短にするために図面を検討することにより、実際のプラントのウォークダウン（walk-down)（２）の事前計画が容易になる。 実際のプラントのウオークダウンは、予想される追跡装置位置の観点から取られた重要な特徴の全体領域写真及び特定領域写真を含むべきである。 次に、放射線領域中における実際の測定及び交換作業に先立って、
専用の工具（又は機械加工機器）及びプロジェクトの特定手順の設計及び開発を行うことが出来る。

【００１１】蒸気発生器の交換による運転停止に先立つ運転停止中、実際のプラント測定を行う。 本発明によれば、高放射線領域中で働かなければならず、ＣＡＤシステムに直接入力できるフォーマットで出力が得られるオペレータの人数を絞ることができる測定手段が望ましい。 セオドライトは所望の出力能力を有しているが、２
人のオペレータ及び被測定構成要素の近くに設定されるべき２つの位置を必要とする。 好ましい機器は、赤外線測距システムが組み込まれた最新式のセオドライトであり、それにより２人のオペレータのうち一人が必要でなくなる。 この機器の正しい操作は、オペレーターの目がどれくらい効くかによる。 これら測定値を得るための好ましい機器は、追跡用レーザ干渉計である。 追跡用レーザ干渉計は当該技術分野で公知であり、かかる干渉計としては、ペンシルベニア州ケネットスクエアに所在するチェサピーク・レーザ・システムズ・インコーポレイテッドによって製造されている“CMS-3000 Portable 3-D
Laser Coordinate MeasuringSystem ”が挙げられる。
かかる測定機器は、レーザ干渉計の精度と自動サーボ追跡の融通性の両方を兼ね備えているこの測定機器は、三次元極座標系の標的位置情報を収集する。 このフォーマットでは、標的までの距離は、サーボ帰還システムによって標的の光学中心にロックされるヘリウム−ネオン・
レーザ干渉計で測定される。 サーボモータは、干渉計のステアリング光学装置を駆動して標的の動作の調和を保つ。 これにより、干渉計は妨害されないフリンジカウントが達成されるようターゲットからの連続戻りビームを維持することができ、かかるフリンジ・カウントは、赤外線の波長（０．６２３８ミクロン）の分解能の範囲内で標的距離を決定する。 角度情報は、アーク二次分解能内の方位及び高さ位置が得られるよう各サーボ軸線に取り付けられた回転エンコーダによってモニタされる。 出力情報をユーザの定める座標系の直交Ｘ・Ｙ・Ｚフォーマットに変換するのがよい。

【００１２】追跡用レーザ干渉計の使用に当たり、蒸気発生器のチャンネルヘッドの付近に最低３つの基準点又は基準箇所を設定する必要がある。 これら基準点は、蒸気発生器全体を交換している間に動くことはない定置構造物、例えば、プラント壁又は構造用鋼に恒久的に再帰反射器を取り付けることによって設定される。 再帰反射器は通常、種々の形態を取ることができるネスト（nes
t）内に設けられる。 構造物へのネストの恒久的な取付け法は放射線領域への導入前に計画される。 基準点を計画した全てのレーザ追跡装置位置から測定でき、追跡装置を移動のたびに配向し直すことができるようにすることが重要である。 従って、予期し得ない障害物がプロジェクト中いつでも制御点のうち１又は２以上の追跡装置の視野を遮蔽しても、６つという多くの制御点を設定することが望ましい。

【００１３】原子炉冷却系の配管及び蒸気発生器を所定の温度範囲に冷却させた後、レーザ干渉計の追跡装置部分を組み立ててこれを校正する（４）。 次に、制御点を追跡装置で測定し（５）、ベースライン大域座標系を確定する。

【００１４】次に、蒸気発生器の支持パットを測定する（６）。 追跡用レーザ干渉計による測定は、一人の人が小型再帰反射器を追跡装置上の既知の校正位置から、測定されるべき点まで運ぶだけで達成できる。 追跡装置のサーボ機構は、毎秒最高６ｍの再帰反射器の移動量に追従することができる。 オペレータは追跡装置と再帰反射器との間の視線（a line of sight)を保ち、従ってレーザ光ビームが遮られないよう注意を払う必要がある。 追跡装置をすべての支持パッドへの視線のアクセスが得られるよう再位置決めする必要があれば、座標系を、制御点のうち少なくとも３つを再測定することにより再設定できる。 いったん支持パッドを測定すると、Ｘ−Ｙ平面を支持パッドの底面に合わせ、そして図１に示すように原点をパッドの中心線の交点に置くことによって局所座標系を設定できる（７）。

【００１５】次に、溶接中心線周りの複数の点を測定する（８）ことにより、ホットレッグ及びコールドレッグのパイプとノズルの溶接位置を設定する。 溶接中心線のいずれか一方の側における管端部領域の追加の点を測定することが好ましい。 代表的には、中心線に関して測定されたこれらの点をいずれか一方の側において１〜２インチおきに位置するのがよい。 これら追加の点は、既知の面あてはめ法（surface fitting)ソフトウエアを用いることにより、円としてではなくて円柱としてこの領域のモデルとするのが良い。 円柱モデルの使用により、ソフトウエアによって定まる曲線中に大きな偏りを起こす溶接中心線から外れて位置する１つの測定装置をもつ潜在的な問題がなくなる。 また、測定した点は、管厚さの超音波測定のために用いられる点と一致すれば好ましいことである。 かかる管壁測定値を既に行った供用期間中検査から得ることができ、或いはこれらをプロセス９中のこの時点において得ることができる。

【００１６】この段階で得られるべき最終の測定値は、
ホットレッグ及びコールドレッグの配管上の複数の点である（１０）。 廃棄蒸気発生器の取外し後、これらの点を選択して、考えられる管の動きをモニターする。

【００１７】レーザ干渉計によって得られたデータを、
フロッピーディスク又は他の媒体を介してＣＡＤシステムにダウンロードできるファイルフォーマットに変換する（１１）。 例えば、かかるデータを、カリフォルニア州ソーサリトに所在のオートディスク・インコーポレイテッド（Autodesk, Inc.）によって供給されるオートキャッド（AutoCAD)・ソフトウエアと併用されるＡｕｔｏ
ＣＡＤ ＤＸＦ（データ交換フォーマット）に変換するのが良い。 追跡装置システムを依然として放射線領域中でセットアップしている間、データを現場に置かれたＣ
ＡＤシステムにアップロードするのが好ましい。 データを、大誤差又はデータ損失があるかどうかにつき素早くチェックするのがよい（１２）。 いったんオペレータがかかるデータが有効であると確信すれば、追跡装置機器を放射線領域から取り出すのが良く（１３）、それにより機器の追加の組立て及び分解の恐れをなくす。

【００１８】また、交換用蒸気発生器の寸法をＣＡＤソフトウエアにロードする。 これら寸法は、製作図に基づいているが、必要ち応じて補充測定値を得るのがよい（１４）。 追跡用レーザ干渉計を用いて上述と類似の方法で交換用蒸気発生器の完成状態（as-built）の寸法を得る。 干渉計を放射線領域の外側の場所、例えばオンサイト貯蔵位置又は製造プラント内における交換用蒸気発生器の付近にセットアップする。 再び、追跡装置を動かさなければならない時はいつでも追跡装置を配向させるために最小限３つの基準位置を設定する。 次に、支持パッドを測定し、極所座標系を図１に示すように設定する。 次に、ノズルを測定し、ＣＡＤシステムにロードするためのデータファイルを作成する（１５）。

【００１９】この方法における次の段階は、好ましい溶接予備処理部位置を識別するために測定データを分析することである。 これを行うには、ＣＡＤソフトウエアを用いて既存の蒸気発生器及び配管系のモデルを作成し（１６）、次に交換用蒸気発生器のモデルを重ね合わせる。 三次元表面メッシュ（3-D surface mesh）を先ず最初にノズル／管溶接領域のグリッド測定値に基づいて生じさせる。 第２メッシュ（second mesh)を、同一領域における壁厚測定値に基づいて生じさせる。 次に、ＣＡＤ
ソフトウエアを用いてこれら２つのメッシュによって境界付けられた容積を固体化させて管端部の代表的なモデルを作成させる。

【００２０】交換用蒸気発生器のモデルを、管端部及び蒸気発生器の支持位置のモデルに重ね合わせることにより、新しい溶接端部前処理のための最適位置を設定できる（１７）。 ＣＡＤソフトウエアにより、別の溶接予備処理部位置を評価することが容易になる。 かかる評価の基準は、溶接予備処理部の加工により除去される材料の最少量をもつことであり、それと同時に管の最大管厚さを維持することである。 平面のあてはめ（planar fit)
、中心線のあてはめ（centerline fit) 及び壁厚さを一緒に考慮する。 運動の自由度は、プラントによりけりであるが、一般に支持パッドの下にシムを配置するだけでなく水平方向の限られた回転量を含む。 交換用蒸気発生器モデルを別な位置に移動させると、ＣＡＤソフトウエアは、機械加工中に除去される材料の量を表わす干渉量（interferance volume)を出すことになる。 また、ソフトウエアを尋問して壁厚さを求める。 干渉計の測定の速度及び精度等ＣＡＤソフトウエアの融通性及び経済性を組み合わせることにより、好ましい溶接予備処理部位置を識別する改良方法が達成される。 いったん所望の溶接予備処理部位置を識別すると、ＣＡＤソフトウエアを用いて溶接予備処理部１８の座標を含む「蓄積」データファイルを生じさせる。 次に、蓄積データファイルを追跡用レーザ干渉計とこれと併用して、溶接予備処理部位置の加工に用いられる加工機器を位置決めする。

【００２１】かかる方法のこの時点において、プラントの所有者は、交換作業中、殆ど意外に思うことなく、交換用蒸気発生器を首尾よく配管系設備内へ装備できるという非常に強い自信をもつことができる。 さらに、もし準備中に困難が予測されると、例えば最小限の壁厚を維持するために金属を追加することがあることが予測されると、この追加の作業を、プラントの運転停止に先立って交換のための運転停止スケジュールにおいて計画し、
見積もることができる。 正しい準備を高信頼度で得ることができるので、交換用蒸気発生器の機械加工は使用済みの蒸気発生器の除去に先立って行うことができる。 時間が許せば、蒸気発生器の取り外し後であって交換用ノズル溶接予備処理部の機械加工を始める前に、最終的な管位置の確認を待つことが妥当である。 いずれの場合においても、干渉計を、放射線領域の外側に位置した場所で交換用蒸気発生器の近傍にセットアップする。 再度説明すると、追跡装置を移動させるときはいつでも最低３
つの基準点を設定して追跡装置を配向させる。 次に、支持パッドを測定し、局所的な座標系を図１に示すように設定する。 最終的なチェック作業として、ホットレッグ及びコールドレッグのノズルボア及びフェース上の特定の点を測定して所望の位置に溶接予備処理部を機械加工するのに充分な材料が存在しているかどうかを確認する。 次に、機械加工機器を、レーザ干渉計を用いて蒸気発生器の支持パッドに対する所定の位置にノズル上に位置決めする（１９）。 この場合も又、再帰反射器を用いて機械加工機器を整列させ、干渉計からリアルタイムで得られる位置のデジタル読み出しによって、機械加工位置の正確且つ迅速な確認を行う。 このデジタルの読み出しを蓄積ファイル中の所定の値を比べる。 機械加工中、
工具の整列関係を常時チェックするのがよい。 機械加工の完了後、溶接予備処理部の幾何学的形状の最終検査を干渉計で行うと機械加工された寸法形状が確認される（２０）。 このデータをデータファイルに変換し（２
１）、ＣＡＤシステムにダウンロードするのがよい。 大誤差、データ損失等があるかどうかにつきデータをチェックした後、干渉計機器を現場から取り出すことができる。

【００２２】廃棄蒸気発生器をプラントから取り出した後、配管の位置を、恒久的に設定された基準点を参照することにより干渉計でチェックするのが良い（２２）。
これら特定の測定値を得るための手順は、ベースライン測定を確立するのに用いられたものと同じであり、即ち干渉計を恒久的に設定された基準点を測定することによって配向させ、次に前に測定された管を再び測定する。
もし配管が移動すると、好ましくはプラントの現場で得られる修正位置データを素早くＣＡＤシステムにロードするのがよく、修正モデルを生じさせ、修正溶接予備処理部位置を最初に使用されたのと同一の基準に基づいて決定し、修正蓄積ファイルを生じさせて新しい溶接予備処理部位置を反映させる（２３）。

【００２３】廃棄蒸気発生器をいったん取り外し、交換用蒸気発生器のノズルを準備し、管端部の最終的な位置を確認し、最終的な蓄積ファイルを生じさせると、管端部の機械加工を高信頼度で実施することができる。 レーザ干渉計を所定の蓄積ファイルデータに従って用いることにより機械加工機器を管端部上に位置決めする（２
４）。 溶接予備処理部位置の機械加工後、最終的な機械加工されたデータを干渉計で得る（２５）。 追跡装置及び械加工機器を取り出す前に、機械加工された状態のデータを現場のＣＡＤシステムにロードし、正しい準備の最終的な確認を行う。 この時点において、重量物の吊上げ作業に先立ち、プラントの所有者は、ほぼ絶対的な自信をもって交換用蒸気発生器の正しい準備ができていることが分かる。

【００２４】本明細書において開示した本発明の実施例は、本発明の限定例ではなく、例示として解されるべきである。 本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められるものである。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】蒸気発生器１のチャンネルヘッドの従来方式による計算機援用設計の図面である。

【図２】本発明に従って交換用蒸気発生器のための溶接予備処理部位置を決定する方法を示す流れ図である。