[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Manipulator zum fernbedienbaren Positionieren
von der Inspektion und gegebenenfalls Reparatur dienenden Rohrsonden gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Ein solcher Manipulator ist durch die DE-PS 22 63 143 bekannt. Bei diesem bekannten
Manipulator deckt der Tragkörper - dort als Geräteträger bezeichnet - die im Bereich
seiner Grundfläche liegenden Rohrmündungen ab. Ohne ein Umsetzen des Tragkörpers ist
also eine Zugänglichkeit zu den abgedeckten Rohrmündungen für die Rohrsonde nicht
gegeben.
[0003] Ein anderer bekannter Manipulator der eingangs genannten Art nach der DE-OS 25 52
341 arbeitet nach dem sogenannten Fingerwalker-Prinzip. Ein solcher Fingerwalker besteht
im Prinzip aus zwei relativ zueinander beweglichen, ineinandergleitenden Teilen, von
denen jeder Teil seine eigenen Spreizdorne aufweist, die zur Arretierung des gesamten
Manipulators am Rohrfeld, auch in einer Uberkopf-Position, ausreichen müssen, so daß
der andere Teil bei gelösten Spreizdornen sich fortbewegen bzw. schreiten kann und
- nachdem nach Ausführung des Schrittes seine Spreizdorne wieder verriegelt sind -
der andere Manipulatorteil einen Schritt ausführen kann, und so fort. Bei dem vorgenannten
bekannten Manipulator nach der DE-OS.25 52 341 bestehen die beiden Manipulatorteile
aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Armen, welche in X- bzw. Y-Richtung
eines gedachten Koordinatensystems relativ zueinander und damit auch zum Rohrfeld
verschiebbar sind und deren jeder an seinen Enden mit Spreizdornen versehen ist. Ein
solcher Fingerwalker ist ein verhältnismäßig kompliziert aufgebautes Gebilde, welches
nicht nur die Ortssteuerung für den das Mundstück tragenden Ausleger, sondern auch
die Fortbewegungssteuerung für das Schreitwerk aufweisen muß.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Manipulator der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit dem eine 100%-ige Prüfung des Rohrfeldes eines Wärmetauschers,
insbesondere innerhalb der Primärkammer eines Dampferzeugers für Kernreaktoren, ermöglicht
ist, ohne daß der Manipulator nach seiner einmaligen Befestigung umgesetzt werden
und ohne daß er die Mechanik und Steuerung eines Fingerwalkers aufweisen müßte.
[0005] Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Manipulator der eingangs genannten
Art durch die im Kennzei- - chen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die mit der Erfindung erzielbaren
Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß der einmal mit den Spreizdornen seines
Tragkörpers am Rohrfeld befestigte und zentrierte Manipulator für eine 100%-ige Rohrprüfung
nicht mehr umgesetzt zu werden und auch nicht fortzuschreiten braucht; es genügt zum
Überstreichen aller Rohrmündungen die geradlinige Bewegung des Supports und die stufenlose
Schwenkbewegung des Auslegers. Die Spreizdorne werden also nicht zum Fortschreiten
eingefahren, sondern nur, um eine Schwenkung oder Längsverstellung des Auslegers in
diesem Bereich und/oder um eine Zugänglichkeit zu der vom Spreizdorn besetzten Rohrmündung
zu ermöglichen; die einmal vorgenommene Montage und Zentrierung des Manipulators bleibt
erhalten.
[0006] Im folgenden wird anhand der mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung
die Erfindung noch näher erläutert. Darin zeigt in vereinfachter Darstellung unter
Fortlassung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile:
Fig. 1 in einem Längsschnitt eines Dampferzeugers die Seitenansicht des in der einen
Primärkammerhälfte am Rohrboden befestigten und zentrierten Manipulators;
Fig. 2 die Draufsicht auf den Manipulator nach Fig. 1 mit Blickrichtung von unten,
wobei vier Ausleger-und zwei Support-Positionen.dargestellt sind;
Fig. 3 die Ansicht in Blickrichtung A auf den Manipulator nach Fig. 2 und
Fig. 4 im Ausschnitt eine Variante für den Ausleger des Manipulators mit Teleskopverstellung.
[0007] Der in Fig. 1 dargestellte Dampferzeuger DE für Druckwasser-Kernreaktoren hat eine
Kesselwandung 1 mit eingeschweißtem Rohrboden 2 und Bodenkalotten-Wandteil 1a für
die beiden Primärkammerhälften Ia, Ib. In den Rohrboden sind die Wärmetauscherrohre
3 eingeschweißt, von denen nur drei deutlicher herausgezeichnet und die anderen lediglich
gestrichelt angedeutet sind, mit in die Primärkammer 1a, 1b weisenden Rohrmündungen
3a. Das Primärmedium, aufbereitetes normales Wasser, welches im Kern des nicht dargestellten
Reaktordruckbehälters erwärmt wird, gelangt über eine gleichfalls nicht dargestellte
Primärkreisrohrleitung über einen nicht ersichtlichen Einlaßstutzen z.B. in die Primärkammerhälfte
1a, welche von der Primärkammerhälfte 1b durch eine gewölbte Trennwand 4 abgetrennt
ist. Es tritt über die Mündungen 3a in das Rohrbündel 3.1 ein, gibt seine Wärme an
das in der Sekundärkammer II enthaltene, zu verdampfende Sekundärmedium ab und strömt
über die U-RohrBögen in das zweite Rohrbündel 3.2, welches es über die Rohrmündungen
3a verläßt und so in die Primärkammerhälfte Ib und deren nicht gezeichneten Auslaßstutzen
in den Primärkreislauf zwecks erneuter Aufheizung im Reaktorkern zurückgespeist werden
kann. Die wärmetauschenden Rohre 3 des Dampferzeugers DE müssen einer periodischen
Überprüfung auf Anrisse unterzogen werden. Das geschieht mit einer in die Rohre 3
einfahrbaren Rohrsonde RS eines Wirbelstrommeßgerätes, welche in Fig. 1 in einer Einfahrposition
im Rohrmündungsbereich gezeigt ist. Außer der erwähnten Wirbelstrommeß-Sonde RS kann
es sich dabei auch um Reinigungswerkzeuge zur Rohrreinigung von innen handeln oder
um Reparaturwerkzeuge, durch welche ebenfalls Sprengstopfen zur Abdichtung von Rissen
eingebracht werden können.
[0008] Zur Manipulation all dieser Sonden dient der Manipulator M, welcher folglich zum
fernbedienbaren Positionieren von der Inspektion und gegebenenfalls Reparatur dienenden
Rohrsonden RS an den Rohrmündungen 3a der in der Rohrplatte 2 gefaßten Rohre 3 von
Dampferzeugern DE für Kernreaktoren dient. Anstelle von Dampferzeugern könnte es sich
auch allgemein um Wärmetauscher mit einer entsprechenden Rohrplatte 2 handeln. Die
Sonde RS ist an einen flexiblen Versorgungsschlauch 5.1 angeschlossen, welcher zugleich
als Schubschlauch für die Rohrsonde RS an seinem Ende dient und der innerhalb eines
flexiblen Führungsschlauches 5.2 hin und her bewegbar gelagert ist. Versorgungs- und
Führungsschlauch 5.1, 5.2 sind für ein Teilstück in Fig. 1 vergrößert herausgezeichnet
und als Ganzes mit 5 bezeichnet. Der Führungsschlauch 5.2 endet in einem Mundstück
6, welches von dem freien Ende eines in einer rohrqueren Ebene schwenkbar gelagerten
Auslegers 7 getragen ist.
[0009] Wie es Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2 und 3 zeigt, weist der Manipulator M einen
mittels zueinander beabstandeten Spreizdornen 8 an den Rohrmündungen 3a befestigbaren
Tragkörper 9 mit Führungsbahn 10 in Form einer Spindel auf, einen am Tragkörper 9
gelagerten und an dessen Führungsbahn 10 geradlinig in Richtung x geradlinig verfahrbaren
Support 11 sowie den bereits erwähnten, am Support 11 in einer rohrqueren Ebene schwenkbar
gelagerten Ausleger 7. Der Tragkörper 9 besteht aus einer langgestreckten Rahmenkonstruktion
mit Endplatinen 9.1, welche mit den Drehlagern für die beiden Enden der ein Außengewinde
aufweisenden Spindel 10 versehen sind. An die eine der Platine 9.1 ist weiterhin ein
Antriebsmotor 12 für die Spindel 10 angeflanscht. Der Support 11 ist ein biegesteifer
Kragbalken, welcher mit seinem Wandermutterkörper 11.1' auf der Spindel 10 so gelagert
ist, daß sich bei Drehung der Spindel 10 der Support in x-Richtung je nach der Drehrichtung
hin und her verschieben läßt, sich jedoch nicht mitdrehen kann. Hierzu umgreift der
Support 11 mit einem U-förmigen, schematisch in Fig. 1 angedeuteten Halteteil 11.2
mit oberem und unteren Haltearum 11.21, 11.22 entsprechende obere und untere Führungsbahnen
9.2 des Tragkörpers 9. Durch das abgewinkelte Ende 11.23 des oberen Führungsarmes
11.21, welches eine nicht dargestellte Führungsleiste des Tragkörpers 9 hintergreift,
ist gewährleistet, daß der Support 11 nicht nach unten wegklappen kann. Alle die Führungsflächen
am Support 11 und ihre Gegenflächen am Tragkörper 9 zur Bewegung des Supports in x-Richtung
können mit nicht näher dargestellten Rollenkörpern zur Erzielung einer rollenden anstatt
einer gleitenden Reibung versehen sein.
[0010] Am freien Ende des Supports 11 ist auf einer oberen Tragfläche 9.3 desselben mit
in Arbeitsposition des Mani
- pulators M vertikaler Drehachse 13 das Gehäuse eines Schwenkantriebes 14 angeflanscht,
bei dem es sich um einen stufenlos verstellbaren Drehmotor handelt, mit dessen Drehachse
13 der als Gelenkkopf dienende Lagerkörper 7.1 des Auslegers 7 verbunden ist. Die
Längenerstreckung des Tragkörpers 9, des Supports 11 und des Auslegers 7 ist nun jeweils
so bemessen, daß durch ein Verfahren des Supports 11 in x-Richtung und durch ein Verschwenken
des Auslegers 7 um den Winkel ϕ in einem Winkelbereich von mindestens 360° - 2α, wie
später noch im einzelnen erläutert, mit dem Mundstück 6 des Auslegers 7 jede beliebige
Rohrmündung 3a des Rohrfeldes 30 erreichbar ist (Fig. 2). Das Rohrfeld 30 ist in Fig.2
ausschnittsweise durch einen Raster sich rechwinklig kreuzender Linien und durch die
strichpunktierten Umrißlinien eines Kreisabschnittes angedeutet.
[0011] Das Aus- und Einfahren der Spreizdorne 8 (siehe insbe
- sondere Fig. 1) erfolgt mittels Spreizdornantrieben,. bestehend aus einer den Spreizdorn
8 an ihrem freien Ende aufweisenden Schubstange 8.2 und einem Antriebsgehäuse 8.3
für die Schubstange 8.2, welche als Pneumatikzylinder für die entsprechende. (nicht
dargestellte) Pneumatikkolben aufweisenden Schubstangen 8.2 ausgeführt sein kann.
Das Aus- und Einfahren der Spreizdorne 8 erfolgt bei der dargestellten Arbeitsposition
des Manipulators in z-Richtung, vergleiche Pfeil. Aufbau und Funktion derartiger Spreizdorne
sind an sich bekannt und z.B. in der DE-OS 25 52 341 näher beschrieben, so daß. hier
auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann.
[0012] Fig. 2 und 3 zeigen, daß mindestens drei, im vorliegenden Falle sind es vier, aus-
und einfahbare, über die Länge des Tragkörpers 9 verteilte Spreizdorne 8 vorgesehen
sind. Fig. 2 verdeutlicht ferner anhand der Auslegerpostionen 7, 7', 7" und 7''',
daß der Ausleger 7 in einem Winkelbereich von 360° - 2α schwenkbar ist, und zwar stufenlos
schwenkbar, damit das Mundstück 6 auf eine beliebige Rohrmündung 3a ausgerichtet und
so die Rohrsonde RS problemlos eingefahren werden kann. Die Rohrsonde RS ist darüber
hinaus an ihrem Einfahrende zweckmäßig konisch zulaufend, um die Einführung bei geringfügigen
Seitenabweichungen zu erleichtern. Der Vtinkel α ist durch die Beziehung cos α= m
: n definiert, wobei n die Länge des Auslegers 7 und m das Lot vom Auslegerschwenkpunkt
13 auf die Rohrfeldbegrenzungssehne 301 bedeutet. Dies wird deutlicher bei Betrachtung
von Fig. 2 und der Auslegerpositionen 7, 7", 7''' und 7'. Von der mit ausgezogenen
Linien dargestellten Position 7 des Auslegers kann dieser durch Verschwenken in Uhrzeigerrichtung
p
u in die Position 7" verfahren werden. Er erreicht damit die Rohrfeld- Begrenzungssehne
301 und die auf dieser Sehne liegenden Rohrmündungen. Wird jetzt der Support 11 in
Richtung x1 verfahren, so können alle in dieser Richtung liegenden Rohrmündungen vom
Mundstück 6 erreicht werden bis zur äußersten Position 7''' mit Ausnahme der von den
Spreizdornen 8c und 8d besetzten Rohrmündungen. Deshalb werden, wenn der Ausleger
mit seinem Mundstück 6 kurz vor der durch den Spreizdorn 8c bzw. 8d abgedeckten Rohrmündung
steht, die Spreizdorne kurzzeitig zurück- bzw. eingefahren in Richtung z1 (Fig. 1),
wobei aber die übrigen Spreizdorne 8a, 8b und 8d (im Falle des gelifteten Spreizdorns
8c) im Eingriff bleiben. Damit bleibt die Befestigungs- und Zentrierposition des Manipulators
M bzw. des Tragkörpers 9 erhalten. Entsprechendes gilt beim Anfahren der vom Spreizdorn
8d bedeckten Rohrmündung; dieser Spreizdorn 8d wird zur Prüfung des entsprechenden
Wärmetauscherrohres außer Eingriff gebracht, während die übrigen 8a, 8b und 8c in
Eingriff bleiben. Wenn die restlichen auf der Begrenzungssehne 301 liegenden Rohrmündungen
angefahren werden sollen, so muß der Ausleger 7 in die Position 7' verschwenkt werden,
wozu es erforderlich ist, ihn in eine Mittenposition zu bringen, d.h. den Support
11 so zu verfahren, daß der Schwenkpunkt 13 auf der Symmetrieachse y liegt. Dann ist
es möglich, den Ausleger 7 in Gegenzeigerrichtung G in die Position 7' zu verschwenken.
Bei dem dann möglichen Abfahren der Rohrmündungen auf der Begrenzungssehne 301 wird,
wie bereits grundsätzlich erläutert, der Spreizdorn 8a kurzzeitig eingezogen, damit
1. ein Weiterfahren des Auslegers möglich ist und 2. auch eine Prüfung des vom Spreizdorn
versperrt gewesenen Rohres. Wie man sieht, erreicht das Mundstück 6 des Auslegers
7 durch entsprechende Verstelloperationen sämtliche Rohrmündungen 3a des Rohrfeldes
30, und zwar gleichgültig, ob dem Rohrfeld ein karthesiches..oder ein Polar-Koordinatensystem
zugrunde liegt. Zur Rückmeldung der jeweiligen Position des Auslegers 7 ist seinem
Drehmotor 14 ein Winkelkodierer zugeordnet, und der Support 11 kann z.B. mit dem Ritzel
eines Längenkodierers mit einer parallel zur Spindel 10 am Tragkörper 9 angebrachten
Zahnstange in Eingriff stehen, so daß aus den entsprechenden Impulsen des Längen-und
Winkel-Kodierers über einen Rechner an einem Bedienungspult die genaue Rohrposition
in karthesischen Koordinaten, die das Mundstück-6 gerade einnimmt, berechnet werden
kann. Der Manipulator M ist, wie ersichtlich, symmetrisch zur Symmetrieachse y positioniert
und auf diese Position ist auch die Länge des Auslegers 7 abgestimmt. Die elektrischen
Zuleitungen für die Verstellmotoren 12 und 14 sowie die Längen- und WinkelKodierer,
ferner die pneumatischen Zuleitungen für die Spreizdorn-Zylinder 8.3 sind der Einfachheit
halber weggelassen.
[0013] In Fig. 3 ist gestrichelt ein Spreizdorn 8' angedeutet, der anstelle der beiden Spreizdorne
8c und 8b in einer zweiten Ausführungsform Verwendung finden könnte, so daß der Manipulator
M mit den Spreizdornen 8a, 8' und 8d ausgerüstet wäre. Drei Spreizdorne stellen das
Minimum pro Manipulator dar,da zwei von ihnen in Prüfposition des Manipulators M immer
in Eingriff stehen müssen. Eine vergrößerte Klemmsicherheit ergibt indessen die erste
Ausführung mit vier Spreizdornen, da dann, wenn einer der mindestens drei gleichzeitig
in Eingriff befindlichen Spreizdorne versagen sollte, immer noch zwei in Eingriff
sind. Es ist auch möglich, mehr als vier Spreizdorne vorzusehen.
[0014] Fig. 4. zeigt im Ausschnitt einen Ausleger 70, der in seiner Länge verstellbar ist,
und zwar bedingt durch ein Teleskopgestänge mit Zylinderteil 71 und Kolbenteil 72.
Ein solcher Ausleger kann fast um die Hälfte in seiner Länge verkürzt werden, was
z.B. den Vorteil hat, daß - siehe Fig. 2 - zum Verschwenken des Auslegers von Position
7 in Position 7' dieser nicht in die Mittenposition verfahren zu werden braucht. Außerdem
ist dadurch der Vorteil erzielbar, daß keine so genaue Abstimmung der Auslegerlänge
und der Abmessungen des Supports 11 und des Tragkörpers 9 auf die Innenkonturen der
Dampferzeugerkammer vorgenommen zu werden braucht; damit wäre ein solcher Manipulator
universeller, d.h. für verschiedene Dampferzeugergrößen mit unterschiedlichen Primärkammerabmessungen,
einsetzbar.
[0015] Zusätzlich zu den Spreizdornen kann eine noch bessere, schwingungssichere Abstützung
des Manipulators M innerhalb der Primärkammerhälfte Ib dadurch erreicht werden, daß
der Tragkörper 9 eine Stützeinrichtung 15 mit mindestens einem seitlich gegen die
Trennwand 4 verspannbaren Stützfuß 15.1 aufweist. Dabei handelt es sich vorteilhaft
um eine Pneumatikkolben-Zylinder-Anordnung. Der Stützfuß 15.1 ist dabei z.B. mit einem
Kugelgelenk an die Kolbenstange 15.2 angelenkt, um sich der Wölbung der Trennwand
4 anzupassen.
[0016] Die strichpunktierte Teildarstellung des Manipulators M im linken Teil der Figur
1 innerhalb der Primärkammerhälfte 1a verdeutlicht, daß es möglich ist, mit dem Mundstück
6 bis in spitzwinklige Nischen 16, die durch die Konvex-Wölbung der Trennwand 4 bedingt
sind, hineinzufahren, wobei jedoch an die Flexibilität von Führungs-und Versorgungsschlauch
5.2, 5.1 besondere Anforderungen gestellt werden.
[0017] Im Falle eines Geradrohrdampferzeugers ist die Primärkammer des Dampferzeugers nicht
durch eine Trennwand 4 unterteilt; in diesem Falle wäre es vorteilhaft, einen Manipulator
M zu verwenden, der durch Verdoppelung, d.h. Spiegelung an seiner Spreizdornverbindungsachse
entstanden zu denken ist und damit beidseits der Längenachse eines auf diese Weise
verdoppelten Tragkörpers'9 je einen Support 11 mit Ausleger 7 aufweist. In diesem
Falle konnten sogar beide Schwenkarme gleichzeitig arbeiten, wodurch die etwa halbe
Prüfzeit im Vergleich zu einem Manipulator mit nur einem Ausleger erzielbar wäre.
[0018] Der Manipulator M wird bei entwässerter Dampferzeuger-Primärkammer durch das Mannloch
ML (dessen nicht dargestellter Deckel zu diesem Zweck abgenommen ist) eingeführt und
in die aus Fig. 2 am besten erkennbare Prüfposition gebracht. Dazu ist nur ein kurzzeitiger
Aufenthalt von Bedienungspersonal in Schutzanzügen in der Primärkammer erforderlich.
Nach Durchführung der Prüfung wird der Manipulator M entsprechend-wieder demontiert
und herausgenommen. Es ist auch grundsätzlich möglich, um einen Einstieg von Bedienungspersonal
in die Dampferzeuger-Primärkammer zu umgehen, am Mannlochstutzen ML1 ein von außen
durch den Stutzen bis hinein in die Primärkammer ragendes Schienensystem zu befestigen,
an dem der Manipulator M außen aufgegleist wird und sodann fernbedient in seine Prüfposition
verfahren werden kann, wie dies in der DE-OS 28 30 306 bereits erläutert ist.
1. Manipulator zum fernbedienbaren Positionieren von der Inspektion und gegebenenfalls
Reparatur dienenden, an flexible Versorgungsschläuche angeschlossenen Rohrsonden an
den Rohrmündungen der in einer Rohrplatte gefaßten Rohre von Wärmetauschern, insbesondere
von Dampferzeugern für Kernreaktoren, wobei der Manipulator einen mittels zueinander
beabstandeten Spreizdornen an den Rohrmündungen befestigbaren Tragkörper mit Führungsbahn
aufweist, einen am Tragkörper gelagerten und an dessen Führungsbahn geradlinig verfahrbaren
Support sowie einen am Support in der rohrqueren Ebene schwenkbar gelagerten Ausleger,
der an seinem freien Ende ein Mundstück trägt, das auf die jeweils angewählte Rohrmündung
ausricht- bzw. aufsetzbar ist, welches an einen den Versorgungsschläuchen zwecks längenverschieblicher
Bewegung umgebenden flexiblen Führungsschlauch angeschlossen und durch welches die
jeweilige Rohrsonde in das zugehörige Wärmetauscherrohr einfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet
, daß mindestens drei aus-und einfahrbare, über die Länge des Tragkörpers (9) verteilte
Spreizdorne (8) vorgesehen sind und daß der Ausleger (7) in einem Winkelbereich (ϕ)
von mindestens 3600 - 2 α schwenkbar ist, wobei α durch die Beziehung cos α= m/n definiert ist, n die Länge
des Auslegers und m das Lot vom Auslegerschwenkpunkt auf die Rohrfeld- Begrenzungssehne
(301) bedeutet und jeweils einer der mindestens drei Spreizdorne (8) zwecks Zugänglichkeit
der von ihm abgedeckten Rohrmündung (3a) für das Mundstück (6) und/oder zwecks Ausführung
einer durch den betreffenden Spreizdorn (8) andernfalls behinderten Schwenk- oder
Längsverstellung des Auslegers (7) unter Beibehaltung des Spreizeingriffs der anderen
Spreizdorne einziehbar ist.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausleger (7) in seiner
Länge verstellbar ist.
3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausleger ein Teleskopausleger
(70) mit einem Teleskopgestänge (71, 72) ist.
4. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der
Tragkörper (9) vier über seine Länge gleichmäßig verteilte Spreizdorne (8a - 8d) aufweist.
5. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zu inspizierende Dampferzeuger
ein U-Rohr-Dampferzeuger ist mit einer durch eine gewölbte Trennwand in zwei Primärkammerhälften
getrennten Primärkammer, dadurch gekennzeichnet , daß der Trag- körper (9) eine Stützeinrichtung (15) mit mindestens einem seitlich gegen die Trennwand
(4) verspannbaren Stützfuß (15.1) aufweist.