JP4551920B2 - 振動・劣化監視装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は振動・劣化監視装置に係り、容器内に配設された監視対象物、特に原子炉圧力容器内に配設されたジェットポンプなどの炉内構造物の振動、劣化を監視する振動・劣化監視装置に関する。
沸騰水型原子炉においては、炉水流量の調整に用いられる再循環系機器の１つであるジェットポンプの流体振動を低減するために、ライザブラケットにウェッジ（楔）が用いられている。しかしながら、このウェッジには、流体振動を原因とする摩耗によって劣化が発生する恐れがある。特に、既存の原子力発電プラントの出力増加においては、炉心流量を増加させることが考えられており、その場合、ジェットポンプの流量が増加して、このジェットポンプの振動も増加することが予想される。そこで、原子炉の安全性確保の観点から、原子炉の運転中に原子炉圧力容器の外部からジェットポンプの振動やウェッジの劣化を監視する技術が必要となる。
このような振動・劣化監視手段としては、超音波による炉内構造物の振動・劣化監視装置（特許文献１参照）が知られている。また特許文献２においては、同様の手法を用いた際、監視対象物の形状によって複数の反射波が重なって測定される場合に、複数の反射波を分離して高精度に振動変位を計測し監視する手法が示されている。
特開平１１−１２５６８８号公報 特開２００４−３６１１３１号公報
ジェットポンプは原子炉圧力容器内に存在する炉内構造物であり、原子炉圧力容器及び炉水を介して振動を評価するためには、光学的計測手段は利用できない。また、ひずみゲージ等の機械的計測手段では、圧力バウンダリ内外で計測線を引き回す必要があり、可能ではあるが、その煩雑さ故に事実上困難である。従って、上記特許文献１に示す超音波を用いた計測監視手段により、原子炉圧力容器外からジェットポンプの振動を計測し監視することが適切であると考えられる。
一方、ジェットポンプの振動については、低次の固有モードとしての、原子炉圧力容器の半径方向（ジェットポンプの長手方向に直交する方向）に振動する振動モード以外にも、振動モードが存在することが確認されている。しかし、上記両特許文献においては、超音波入射方向である、上述の原子炉圧力容器の半径方向と同方向の振動しか計測（監視）することができない。また、ジェットポンプの構成部材は表面に曲面を有しており、ジェットポンプの表面にて反射した超音波を好適に捉えることができない可能性がある。
更に、ジェットポンプのウェッジは、流体振動を原因とする摩耗によって劣化する恐れがあるため、この摩耗状況を確認する必要があるが、この摩耗状況の確認は、通常、原子炉の運転停止中の定期検査で、原子炉圧力容器が開放された状態でなければ実施できない。従って、ウェッジの摩耗が極度に進行し交換しなければならないことが判明した場合には、ウェッジ交換の準備期間はそのまま定期検査期間の延長期間となってしまう。
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、表面に曲面を有する監視対象物であっても、超音波を用いその振動を適確に監視できる振動・劣化監視装置及び方法を提供することにある。
本発明に係る振動・劣化監視装置は、容器内に配設された監視対象物の振動を、超音波を用いて監視する振動・劣化監視装置において、前記容器外に設置されて、超音波を送信し且つ受信する超音波センサと、前記監視対象物の表面に設けられ、超音波を反射可能な平面形状の反射面を備えた反射体と、前記超音波センサにて送信され前記反射体の反射面にて反射され当該超音波センサにて受信された超音波を信号処理して、前記監視対象物の振動変位を計測する信号処理部と、を有し、前記反射体は、前記監視対象物の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな部位に設置されたことを特徴とするものである。
また、本発明に係る振動・劣化監視方法は、容器内に配設された監視対象物の振動を、超音波を用いて監視する振動・劣化監視方法において、前記容器外に設置された超音波センサからの超音波を、前記監視対象物の表面で且つ前記監視対象物の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな部位に設けられた反射体の平面形状の反射面にて反射して、当該超音波センサが受信し、この受信した超音波を信号処理して前記監視対象物の振動変位を計測することを特徴とするものである。
本発明に係る振動・劣化監視装置及び方法によれば、監視対象物の表面が曲面を有する場合にも、超音波センサは、監視対象物の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな部位に設けられた反射体の反射面から反射された超音波を確実に受信できるので、その監視対象物の振動を、超音波を利用して適確に監視することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１の実施形態（図１〜図３）
図１は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第１の実施の形態が適用された沸騰水型原子炉を示す縦断面図である。図２は、図１のジェットポンプを示す正面図である。図３は、図１の原子炉圧力容器及びジェットポンプと共に、振動・劣化監視装置の構成を示す要部拡大構成図である。
図３に示す振動・劣化監視装置１０は、例えば図１に示す沸騰水型原子炉１１に適用されたものであり、容器としての原子炉圧力容器１２の外側から、この原子炉圧力容器１２内に配置された監視対象物としての炉内構造物、特にジェットポンプ１３の振動を、超音波を用いて監視するものである。
ここで、沸騰水型原子炉１１は、図１に示すように、原子炉圧力容器１２内に炉心１４を収容し、この炉心１４を構成する多数の燃料集合体（不図示）は、シュラウド１５に囲まれると共に、炉心支持板１６及び上部格子板１７によって支持されて構成されている。シュラウド１５の上部はシュラウドヘッド１８により閉塞され、このシュラウドヘッド１８にスタンドパイプ１９を経て気水分離器２０が設置される。原子炉圧力容器１２内には、気水分離器２０の上方に蒸気乾燥器２１が配置される。
炉心１４にて発生した蒸気は、気水分離器２０にて水分が分離され、蒸気乾燥器２１にて乾燥されて上部ドーム２２に至り、主蒸気ノズル２３から主蒸気系を経てタービン系へ至る。（共に図示せず）。タービン系で仕事した蒸気は復水となり、給水管２４を経て原子炉圧力容器１２内へ冷却材３２として供給される。この冷却材（炉水）３２は、原子炉再循環系２５の再循環ポンプ２６により昇圧され、原子炉圧力容器１２とシュラウド１５との間の環状部に複数本配置されたジェットポンプ１３によって、炉心１４の下方の下部プレナム２７へ導かれる。
複数のジェットポンプ１３は、原子炉圧力容器１２とシュラウド１５との間の環状部に設置されたポンプデッキ２８上に、炉心１４の周方向に沿って均等に配置される。また、各ジェットポンプ１３は、図２（Ａ）に示すように、再循環ポンプ２６にて昇圧された冷却材３２をライザ管２９へ導き、更にエルボ管３０を経てノズル部３１へ導くことにより、このノズル部３１で周囲の冷却材３２を取り込み、これらの冷却材３２をインレットミキサー管３３内で混合した後、ジェットポンプディフューザ３４から炉心１４の下方へ吐出する。
インレットミキサー管３３は、図２（Ｃ）に示すように、最下端がジェットポンプディフューザ３４に隙間部４０Ａを有して嵌合されており、この嵌合部分がスリップジョイント４０と称される。インレットミキサー管３３は、図２（Ｂ）にも示すように、ライザ管２９に設置されたライザブラケット３５を用い、ウェッジ（楔）３６及びセットスクリュー３６Ａを介して支持される。これにより、インレットミキサー管３３とジェットポンプディフューザ３４のそれぞれの中心軸が一致して配置される。従って、インレットミキサー管３３は、スリップジョイント４０の隙間部４０Ａを流れる冷却材３２の流れαによる振動によっても、ジェットポンプディフュ−ザ３４に衝突しないように調整される。
ところが、スリップジョイント４０の隙間部４０Ａを流れる流体の振動によって、ライザブラケット３５とウェッジ３６との間や、ライザブラケット３５とセットスクリュー３６Ａとの間で摺動摩耗が発生し、これらの間に隙間が生ずる可能性がある。この隙間が一旦発生すると、スリップジョイント４０の隙間部４０Ａを流れる流体の流れの変動が増加するため、ライザブラケット３５とウェッジ３６との間や、ライザブラケット３５とセットスクリュー３６Ａとの間で摺動摩耗が更に増大し、最終的には、インレットミキサー管３３がジェットポンプディフューザ３４に衝突する可能性がある。また、スリップジョイント４０の隙間部４０Ａの変動は、ジェットポンプ１３の性能にも影響を与える。従って、摩耗が進行して劣化したウェッジ３６やセットスクリュー３６Ａ、特にウェッジ３６は交換されて、スリップジョイント４０の隙間部４０Ａを常に適切に保持する必要がある。
尚、原子炉圧力容器１２は、図１に示すように、圧力容器本体３７の上部開口と下部開口が容器蓋３８、下鏡部３９によりそれぞれ閉塞されて構成される。圧力容器本体３７は、シュラウド１５との間に、ジェットポンプ１３が配置される環状部を形成する。
さて、上述のように構成された沸騰水型原子炉１１を具備する原子力プラントにおいては、通常の運転状態においても、沸騰水型原子炉１１の原子炉圧力容器１２内における冷却材３２の流れの作用によってジェットポンプ１３に微小な振動が生じている。このような振動現象を原子炉圧力容器１２の外側から監視するために、振動・劣化監視装置１０（図３）が設けられている。
この振動・劣化監視装置１０は、図３に示すように、原子炉圧力容器１２の外表面に設置された超音波センサ４１及び４２と、ジェットポンプ１３の監視対象部分である例えばライザ管２９の表面に設置された反射体４３及び４４と、超音波センサ４１及び４２に電気的に接続された信号処理部４５と、を有して構成される。
超音波センサ４１及び４２のそれぞれは、超音波を送信し且つ受信するものであり、振動子４６、集束部４７及びカプラント４８を有して構成される。振動子４６にて発生した超音波が集束部４７にて平行波として集束され、この平行な超音波がカプラント４８を介して送信される。
超音波センサ４１及び４２のそれぞれは、固定治具４９によって原子炉圧力容器１２の外表面に固定して設置される。このとき、超音波センサ４１は、その軸線Ｏ１が、ジェットポンプ１３におけるライザ管２９の長手方向（図３のＹ方向）に直交する方向（図３のＸ方向）となるように設置される。また、超音波センサ４２は、その軸線Ｏ２が、上記Ｘ方向からＹ方向へ向けて所定角度θだけ離れた方向（Ｍ方向）となるように設置される。
反射体４３、４４は、ジェットポンプ１３のライザ管２９の表面において、超音波センサ４１、４２のそれぞれに対応する位置に設置される。つまり、超音波センサ４１、４２のそれぞれから送信された超音波は、原子炉圧力容器１２（圧力容器本体３７）内を通過し、冷却材（炉水）３２を伝播してジェットポンプ１３のライザ管２９へ向かう。超音波センサ４１、４２からの超音波がライザ管２９にそれぞれ到達する位置に反射体４３、４４が設置される。これらの反射体４３、４４のそれぞれは、超音波を反射可能な平面形状の反射面４３Ａ、４４Ａを備える。尚、反射体４３及び４４は、ライザ管２９の長手方向（Ｙ方向）において近傍位置に、例えば隣接して設置される。
反射体４３の反射面４３Ａ、反射体４４の反射面４４Ａにて反射したそれぞれの超音波は、超音波センサ４１、４２から送信されて反射体４３、４４へ伝播した方向と逆向きの経路を通って超音波センサ４１、４２のそれぞれ至り、これらの超音波センサ４１、４２により受信される。信号処理部４５は、超音波センサ４１、４２のそれぞれにて受信された各超音波を信号処理し、ライザ管２９におけるＸ方向、Ｍ方向の振動変位としての振動振幅を計測し、更に、ライザ管２９におけるＹ方向の振動振幅を演算して計測する。
つまり、信号処理部４５は、超音波センサ４１にて発信され受信された超音波の伝播時間から、当該超音波の伝播速度を用いてライザ管２９のＸ方向の振動の振幅Ｖｘを計測し、時々刻々変化する超音波の伝播時間から、ライザ管２９のＸ方向の振動波形を求める。同様にして信号処理部４５は、超音波センサ４２にて発信され受信された超音波の伝播時間から、ライザ管２９のＭ方向の振動の振幅Ｖｍを計測し、このＭ方向の振動波形を求める。次に、信号処理部４５は、ライザ管２９のＸ方向、Ｍ方向の振幅Ｖｘ、Ｖｍから、Ｘ方向に直交するライザ管２９の長手方向（Ｙ方向）の振幅Ｖｙを次式を用いて算出し、更にこのＹ方向の振動波形を求める。
［数１］
Ｖｙ＝（Ｖｍ２−Ｖｘ２）１／２
前述の如く、原子力プラントの通常運転時においても冷却材３２の流れの作用でジェットポンプ１３に微小な振動が生じている。このため、信号処理４５は、ジェットポンプ１３のライザ管２９における通常運転時の微小な振動の、Ｘ方向、Ｍ方向、Ｙ方向の少なくとも１方向の振幅レベルを予測し、実測して求めた振幅レベルが上述の予測した振幅レベルを超えた場合に、異常振動であることを検知する。ここで、通常運転時の振幅レベルの予測は、振幅を予め実際に測定する場合と、振幅を数値解析により事前に算出する場合などである。
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。
（１）超音波センサ４１、４２から送信されたそれぞれの超音波が、ジェットポンプ１３のライザ管２９の表面に設置され且つ平面形状の反射面４３Ａ、４４Ａをそれぞれ備えた反射体４３、４４にて反射されることから、ライザ管２９の表面が曲面を有する場合にも、超音波センサ４１、４２のそれぞれは、反射体４３の反射面４３Ａ、反射体４４の反射面４４Ａからそれぞれ反射された超音波を確実に受信することができる。このため、表面が曲面を有するジェットポンプ１３のライザ管２９であっても、その振動を、超音波を利用して適確に監視することができる。
（２）ジェットポンプ１３におけるライザ管２９の長手方向（Ｙ方向）に対し直交する方向（Ｘ方向）に超音波センサ４１が設置され、このＸ方向から所定角度θだけ離れたＭ方向に超音波センサ４２が設置されて、ライザ管２９の振動の振幅をこれらのＸ方向とＭ方向にて計測し、更にこれらの振幅からＹ方向の振動の振幅も算出する。このように、ライザ管２９の振動を直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）で捉えることができるので、一方向（例えばＸ方向）のみの振動監視に比べ、優れた振動監視を実現できる。
（３）ジェットポンプ１３におけるライザ管２９の振動監視に際し、原子力プラントの通常運転時におけるライザ管２９の振動の振幅レベルを予測し、ライザ管２９の振動の振幅が上記振幅レベルを超えたときに異常振動であると検知することから、ライザ管２９の異常振動に対する対応を迅速に実施できる。
［Ｂ］第２の実施の形態（図４、図５）
図４は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第２の実施の形態における反射体としてのコーナーリフレクタを示す斜視図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
本実施の形態の振動・劣化監視装置５０が前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１０と異なる点は、反射体がコーナーリフレクタ５３を用いて構成された反射体５１、５２である点である。ここで、反射体５１は、反射体４３と同様に、超音波センサ４１からの超音波を反射すべくジェットポンプ１３のライザ管２９の表面に設置される。また、反射体５２は、反射体４４と同様に、超音波センサ４２からの超音波を反射すべくライザ管２９の表面に設置される。
前記実施の形態の反射体４３、４４が反射面４３Ａ、４４Ａとして１平面を有するのに対し、本実施の形態のコーナーリフレクタ５３は、図４及び図５に示すように、互いに直交する２平面を反射面５４及び５５として備える。従って、超音波センサ４１、４２から発信され、原子炉圧力容器１２等を通過した超音波は、反射体５１、５２のコーナーリフレクタ５３において例えば反射面５４にて反射し、更に反射面５５にて反射して、入射した超音波と平行した経路で同一の方向に反射する。この超音波の異なる伝播経路を、図５に実線Ａと破線Ｂでそれぞれ示す。
従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）及び（５）を奏する。
（４）ジェットポンプ１３のライザ管２９にコーナーリフレクタ５３を採用した反射体５１、５２が設置されたことから、超音波センサ４１、４２からそれぞれ送信された超音波を、コーナーリフレクタ５３の反射面５４及び５５によって、入射した方向と同じ方向に反射させることができる。このため、超音波センサ４１、４２は、反射した超音波を確実に受信してＳ／Ｎ比を向上させることができ、ジェットポンプ１３におけるライザ管２９の振動監視を高精度に実現できる。
（５）コーナーリフレクタ５３を採用した反射体５１、５２では、超音波センサ４１または４２から送信された超音波を平行な経路に反射させることから、超音波センサ４１、４２を、想定した設置位置に設置できない場合でも、この超音波センサ４１、４２を、設置が可能な位置にずらして設置して、ジェットポンプ１３におけるライザ管２９の振動を監視することができる。
［Ｃ］第３の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）が、反射体が設置された静止状態のジェットポンプを示す正面図であり、（Ｂ）が、図６（Ａ）のジェットポンプの振動モードの一例を超音波センサ等と共に概略して示す説明図である。この第３の実施の形態の振動・劣化監視装置６０が前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１０と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。尚、図６（Ｂ）において、インレットミキサー管３３は静止状態を破線で示し、振動状態を実線で示している。
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる点は、監視対象がジェットポンプ１３の、表面に曲面を有するインレットミキサー管３３であり、超音波センサ４２が設置されず、インレットミキサー管３３の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）のみに超音波センサ４１が設置され、また反射体４４が設置されず、超音波センサ４１からの超音波を反射する反射体４３が、インレットミキサー管３３の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな、インレットミキサー管３３の表面部位に設置された点である。
ここで、インレットミキサー管３３の通常時の振動モードとは、原子力プラントの通常運転時において、原子炉圧力容器１２内のジェットポンプ１３のインレットミキサー管３３が、冷却材３２の流れの作用によって微小に振動したときの振動モードである。この振動モードは、予め実際に測定される場合と、数値解析により事前に算出される場合とがある。また、信号処理部４５は、前記第１の実施の形態と同様に、計測したインレットミキサー管３３の振幅が上記通常時の振動モードにおける振幅レベルを超えた場合に異常であると検知する。
尚、図６中には、ジェットポンプ１３における２本のインレットミキサー管３３の一本にのみ反射体４３が設置されるものを述べたが、２本のインレットミキサー管３３のそれぞれに反射体４３が設置され、これらの反射体４３に対応して、原子炉圧力容器１２の外表面に超音波センサ４１が設置されてもよい。また、反射体４３に代えて、コーナーリフレクタ５３が採用された反射体５１であってもよい。
従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）、（３）、（４）及び（５）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）を奏する。
（６）反射体４３または５１は、インレットミキサー管３３の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな部位に設置される。このことから、インレットミキサー管３３の振動検出感度を高めることができ、インレットミキサー管３３の振動監視を適確に実施できる。
［Ｄ］第４の実施の形態（図７）
図７は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が、反射体が設置された静止状態のジェットポンプを示す正面図、（Ｂ）が、図７（Ａ）のジェットポンプの振動モードの一例を超音波センサ等と共に概略して示す説明図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。尚、図７（Ｂ）において、インレットミキサー管３３は静止状態を破線で示し、振動状態を実線で示している。
本実施の形態の振動・劣化監視装置７０が前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１０と異なる点は、監視対象物がジェットポンプ１３の、表面に曲面を有するインレットミキサー管３３であり、超音波センサ４２が設置されず、インレットミキサー管３３の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に超音波センサ４１が、インレットミキサー管３３の長手方向に沿って原子炉圧力容器１２の外表面に複数個設置され、また、反射板４４が設置されず、超音波センサ４１からの超音波を反射する反射体４３が、それぞれの超音波センサ４１に対応してインレットミキサー管３３に複数個、このインレットミキサー管３３の長手方向に沿って設置された点である。
インレットミキサー管３３に複数設置された反射体４３の少なくとも１個は、インレットミキサー管３３の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな位置に設置されることが好ましい。
インレットミキサー管３３の長手方向（Ｙ方向）に複数の反射体４３が設置され、これらの反射体４３に対応して複数の超音波センサ４１が設置されたことで、信号処理部４５は、インレットミキサー管３３の一点の振動波形ではなく、インレットミキサー管３３における長手方向の複数点の振動波形、つまりインレットミキサー管３３全体の振動モードを求めることが可能となる。更に、信号処理部４５は、計測して求めたインレットミキサー管３３全体の振動モードが、インレットミキサー管３３の通常時の振動モードと異なる場合に、異常振動であると検知する。
尚、図７中には、ジェットポンプ１３における２本のインレットミキサー管３３の１本にのみ反射体４３が設置されるものを述べたが、２本のインレットミキサー管３３のそれぞれに反射体４３が設置され、これらに対応して、原子炉圧力容器１２の外表面に超音波センサ４１が設置されてもよい。また、反射体４３に代えて、コーナーリフレクタ５０が採用された反射体５１であってもよい。
従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）、（４）及び（５）と同様な効果を奏するほか、次の効果（７）を奏する。
（７）インレットミキサー管３３の長手方向に沿って複数の超音波センサ４１、反射体４３または５１が、それぞれ原子炉容器１２の外表面、インレットミキサー管３３の表面に設置され、信号処理部４５は、インレットミキサー管３３全体の振動モードを計測して求めると共に、これらの振動モードが通常の振動モードと異なる場合に異常振動を検知することから、異常振動に対する対応を迅速に実施できる。
［Ｅ］第５の実施の形態（図８）
図８は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第５の実施の形態をジェットポンプと共に示し、（Ａ）が、ジェットポンプの通常時の振動モードの場合を、（Ｂ）が、ジェットポンプの異常振動時の振動モードの場合をそれぞれ概略して示す説明図である。この第５の実施の形態の振動・劣化監視装置８０において、前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１０と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なる点は、監視対象物がジェットポンプ１３の、表面に曲面を有するインレットミキサー管３３であり、超音波センサ４２が設置されず、インレットミキサー管３３の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に超音波センサ４１が設置され、また、反射体４４が設置されず、超音波センサ４１からの超音波を反射する反射体４３が、インレットミキサー管３３の表面に設置された点である。更に、第１実施形態と異なる点は、上記超音波センサ４１が、インレットミキサー管３３の通常時以外の異常振動時における振動モードにおいて、反射体４３から反射された超音波を受信可能な位置に設置された点である。
つまり、超音波センサ４１は、原子炉圧力容器１２の外表面に設置されるが、このとき、インレットミキサー管３３の通常時の振動では反射体４３から反射した超音波を受信できないが（図８（Ａ））、インレットミキサー管３３の異常振動時の如く振幅が大きくなったときには、反射体４３から反射した超音波を受信可能となる位置に設置される（図８（Ｂ））。また、本実施の形態においても、反射体４３に代えて、コーナーリフレクタ５３が採用された反射体５１であってもよい。
従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）、（４）及び（５）を有するほか、次の効果（８）を奏する。
（８）超音波センサ４１は、インレットミキサー管３３の通常時の振動モードでは反射体４３または５１から反射した超音波を受信できないが、インレットミキサー管３３の異常振動時における振動モードにおいては、反射体４３または５１から反射した超音波を受信可能な位置に設置されている。このため、インレットミキサー管３３における異常振動の発生を良好に検知することができ、その対応を迅速に実施することができる。
［Ｆ］第６の実施の形態（図９）
図９は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第６の実施の形態を示し、（Ａ）が、反射体が設置されたジェットポンプを示す正面図、（Ｂ）が、図９（Ａ）のＩＸ部を拡大し、正常位置にあるウェッジの場合を示す断面図、（Ｃ）が、図９（Ａ）のＩＸ部を拡大し、摩耗の発生により移動した位置にあるウェッジの場合を示す断面図である。この第６の実施の形態において前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
本実施の形態の振動・劣化監視装置９０が前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１０と異なる点は、監視対象物がジェットポンプ１３の、表面に曲面を有するウェッジ３６であり、超音波センサ４２が設置されず、ウェッジ３６の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に超音波センサ４１が設置され、この超音波センサ４１からの超音波を反射する反射体４３がウェッジ３６に設置された点である。更に、本実施の形態では、超音波センサ４１は、ウェッジ３６が振動による摩耗によって下方へ移動したときに、そのウェッジ３６に設置の反射体４３から反射された超音波を受信不可能な位置に設置されている。
ウェッジ３６は、前述のように、ライザ管２９に設置されたライザブラケット３５と共にインレットミキサー管３３を支持するために、このライザブラケット３５とインレットミキサー管３３との間に差し込まれたものである。このウェッジ３６は、冷却材３２の流れの作用で振動し、この振動を原因とする摩耗によって劣化して下方へ移動し、これによりインレットミキサー管３３の支持が不十分になる恐れがある。
超音波センサ４１から発信され、ウェッジ３６の表面に設置された反射体４３にて反射された超音波を超音波センサ４１が受信し、この超音波センサ４１にて受信された超音波を信号処理部４５が信号処理してウェッジ３６の振動の振幅を計測し、振動波形を求めることで、ウェッジ３６の振動が監視される。このとき、信号処理部４５は、計測したウェッジ３６の振幅がウェッジ３６の通常振動時の振幅レベルを超えている場合に、ウェッジ３６の異常振動を検知することが可能となる。
ウェッジ３６に振動による摩耗が発生して、このウェッジ３６が下方へ移動した場合には、超音波センサ４１からの超音波が反射体４３にて反射されず、超音波センサ４１は、反射体４３から反射した超音波を受信できなくなるので、このとき信号処理部４５は、ウェッジ３６に摩耗が発生して劣化したことを検知することが可能となる。尚、反射体４３に代えて、コーナーリフレクタ５３が採用された反射体５１を用いてもよい。
従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）、（３）、（４）及び（５）を奏するほか、次の効果（９）を奏する。
（９）ジェットポンプ１３のウェッジ３６に反射体４３または５１が設置され、超音波センサ４１は、ウェッジ３６の振動に基づく摩耗による移動によって、このウェッジ３６から反射される超音波を受信不可能となる位置に設置されている。このため、超音波センサ４１が超音波を受信できない場合にウェッジ３６の摩耗の発生を検知することができ、ウェッジ３６の摩耗劣化に対する対応を迅速に実施できる。
［Ｇ］第７の実施の形態（図１０〜図１２）
図１０は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第７の実施の形態を示す構成図である。この第７の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
本実施の形態の振動・劣化監視装置１００が前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１０と異なる点は、監視対象物がジェットポンプ１３のウェッジ３６であり、超音波センサ４２（図３）が設置されず、ウェッジ３６の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に超音波センサ４１が、ウェッジ３６の長手方向に沿って原子炉圧力容器１２の外表面１２Ａに、ウェッジ３６に対応して複数個設置されて超音波センサ群１０１とされ、ウェッジ３６の振動による摩耗劣化に基づく高さ位置変化を、超音波を用いて時系列に監視する点である。
反射体４４（図３）は設置されない。また、反射体４３（図３）は、各超音波センサ４１に対応してウェッジ３６の側面、及びシュラウド１５の外壁面１５Ａに設置されてもよいが、設置されなくてもよい。本実施の形態では、反射体４３が設置されていない例を示す。
本実施の形態の振動・劣化監視装置１００は、上記超音波センサ群１０１のほか、信号処理部１０２及び演算部１０３を有して構成される。これらの信号処理部１０２と演算部１０３は一体に構成されてもよい。
信号処理部１０２は、図１１に示すように、超音波センサ群１０１の各超音波センサ４１にて送信され、ウェッジ３６またはシュラウド１５にて反射され当該超音波センサ４１にて受信された超音波を信号処理、つまり超音波の発信から受信までの伝播時間差を比較処理することで、ウェッジ３６の上端部が原子炉圧力容器１２内でどの高さ位置にあるかを計測する。この図１１中の符号１０４は、超音波の伝播経路を示す。
ウェッジ３６に振動による摩耗が発生すると、このウェッジ３６は自重で徐々に下降し、高さ位置が変化する。このようなウェッジ３６の高さ位置の時系列変化Ｅ（図１２）を演算部１０３が蓄積する。この演算部１０３内には、ウェッジ３６が摩耗の進展に伴いその高さ位置をどのように変化させるかを示す位置変化データＦ（図１２）が、振動摩耗解析などを用いて別途算出されて格納されている。演算部１０３は、ウェッジ３６の計測された高さ位置の時系列変化Ｅと上記位置変化データＦとを比較して、ウェッジ３６が許容摩耗量に対応する許容限界高さＧに到達する時期を予測する。
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１０）を奏する。
（１０）超音波センサ群１０１及び信号処理部１０２がウェッジ３６の高さ位置を計測し、演算部１０３がウェッジ３６の高さ位置の時系列変化を蓄積し、ウェッジ３６が許容限界高さＧ（許容摩耗量）に到達する時期を予測することから、この到達時期が告知されることで、ウェッジ３６の摩耗による劣化の程度やウェッジ３６の寿命を原子炉運転中に把握することができる。このため、ウェッジ３６の交換時期を原子炉の定期検査前に把握することができるので、ウェッジ３６の交換のための準備を原子炉運転中に実施でき、ウェッジ３６の交換のための準備期間が、原子炉の定期検査期間の延長を引き起こす事態を回避できる。
［Ｈ］第８の実施の形態（図１３、図１４）
図１３は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第８の実施の形態を示す構成図である。この第８の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
本実施の形態の振動・劣化監視装置１１０が前記第１の実施の形態の振動・劣化監視装置１と異なる点は、監視対象物がジェットポンプ１３のウェッジ３６であり、超音波センサ４２（図３）が設置されず、ウェッジ３６の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に超音波センサ４１が、ウェッジ３６の長手方向に沿って原子炉圧力容器１２の外表面１２Ａに、ウェッジ３６に対応して複数個設置されて超音波センサ群１０１とされ、ウェッジ３６の振動、ウェッジ３６の振動振幅の最大値、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数などを監視する点である。
反射体４４（図３）は設置されない。また、反射体４３（図３）は、各超音波センサ４１に対応してウェッジ３６の側面、及びシュラウド１５の外壁面１５Ａに設置されてもよいが、設置されなくてもよい。本実施の形態では、反射体４３が設置されていない例を示す。
本実施の形態の振動・劣化監視装置１１０は、上記超音波センサ群１０１のほか、信号処理部２５、演算部１１１、周波数分析器１１２、並びに警告手段としてのアラーム１１３及び点灯ランプ１１４を有して構成される。信号処理部２５、演算部１１１及び周波数分析器１１２は一体に構成されてもよい。
信号処理部２５は、超音波センサ群１０１の各超音波センサ４１にて送信され、ウェッジ３６にて反射され当該超音波センサ４１にて受信された超音波を信号処理して、ウェッジ３６のＸ方向の振動振幅を計測し、この振動振幅の時系列変化である振動波形を求める。
演算部１１１は、ウェッジ３６の上記振動振幅の時系列変化を蓄積し、周波数分析器１１２は、この時系列変化を周波数分析して、図１４（Ａ）に示すように、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数と、その振動振幅の最大値を求める。これらのウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数の時系列変化Ｈ（図１４（Ｂ））と、ウェッジ３６の振動振幅における最大値の時系列変化Ｉ（図１４（Ｃ））は、周波数分析器１１２または演算部１１１に蓄積される。
演算部１１１には、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる周波数変化の許容値Ｊと、ウェッジ３６の振動振幅最大値の許容値Ｋとが、振動解析により予め算出されて格納されている。演算部１１１は、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数の時系列変化Ｈが許容値Ｊに至ったとき、またはウェッジ３６の振動振幅の最大値の時系列変化Ｉが許容値Ｋに至ったときに、アラーム１１３及び点灯ランプ１１４へ警告信号を出力する。これらのアラーム１１３、点灯ランプ１１４は、上記警告信号を受信してそれぞれ聴覚的、視覚的な警告を発する。
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１１）を奏する。
（１１）周波数分析器１１２が、ウェッジ３６の振動振幅の時系列変化から、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数とその振動振幅の最大値を求め、演算部１１１が、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数の時系列変化Ｈが許容値Ｊに至ったとき、またはウェッジ３６の振動振幅の最大値の時系列変化Ｉが許容値Ｋに至ったときに、アラーム１１３及び点灯ランプ１１４を作動させ、その旨を告知している。このため、ウェッジ３６の振動摩耗による劣化の程度やウェッジ３６の寿命を原子炉運転中に把握することができ、ウェッジ３６の交換時期を原子炉の定期検査前に認識することができる。この結果、ウェッジ３６の交換のための準備を原子炉運転中に実施できるので、このウェッジ３６の交換のための準備期間が、原子炉の定期検査期間の延長を引き起こす事態を回避できる。
［Ｉ］第９の実施の形態（図１５）
図１５は、本発明に係る振動・劣化監視装置の第９の実施の形態を説明するものであり、（Ａ）が現時点より先の次の時間間隔で、ウェッジの振動振幅が最大となる振動周波数の値を予測等するためのグラフであり、（Ｂ）が現時点より先の次の時間間隔で、ウェッジの振動振幅の最大値を予測等するためのグラフである。この第９の実施の形態において、前記第１及び第８の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。
本実施の形態の振動・劣化監視装置１２０（図１３）が、前記第８の実施の形態の振動・劣化監視装置１１０と異なる点は、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数の値を予測し、またはウェッジ３６の振動振幅の最大値を予測し、これらの予測値が許容値ＪまたはＫに至ったときに警報を発する点である。
つまり、本実施の形態の演算部１１１は、自身または周波数分析器１１２に蓄積された、ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数の時系列変化を、一定の時間間隔でサンプリングして、図１５（Ａ）の黒点に示すようにプロットする。また、演算部１１１は、過去にサンプリングしたウェッジ３６の同様な振動周波数のＮ個の時系列データから（Ｎ−１）次の代数式の外挿入関数を求め、この外挿入関数を用いて周波数予想曲線Ｌを求めて格納しておく。
演算部１１１は、一定の時間間隔でサンプリングした上述の振動周波数の時系列変化と上記周波数予想曲線Ｌとを比較して、現時点より先の次の時間間隔で振動振幅が最大となる振動周波数の値を予測値Ｎとして予測する。そして、演算部１１１は、上記予測値Ｎが、予め数値解析により算出した周波数変化の許容値Ｊに至ったときに、アラーム１１３及び点灯ランプ１１４へ警告信号を出力し、アラーム１１３により聴覚的な警告を、点灯ランプ１１４により視覚的な警告をそれぞれ出力させる。
または、本実施の形態の演算部１１１は、自身または周波数分析器１１２に蓄積された、ウェッジ３６の振動振幅の最大値の時系列変化を、一定の時間間隔でサンプリングして、図１５（Ｂ）の黒点に示すようにプロットする。また、演算部１１１は、過去にサンプリングしたウェッジ３６の同様な振動振幅最大値のＮ個の時系列データから（Ｎ−１）次の代数式の外挿入関数を求め、この外挿入関数を用いて振幅予想曲線Ｏを求めて格納しておく。
演算部１１１は、一定の時間間隔でサンプリングした上述の振動振幅の最大値の時系列変化と上記振幅予想曲線Ｏとを比較して、現時点より先の次の時間間隔での振動振幅の最大値を予測値Ｐとして予測する。そして、演算部１１１は、予測値Ｐが、予め数値解析により算出した振動振幅最大値の許容値Ｋに至ったときに、アラーム１１３及び点灯ランプ１１４へ警告信号を出力し、アラーム１１３により聴覚的な警告を、点灯ランプ１１４により視覚的な警告をそれぞれ出力させる。
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１２）を奏する。
（１２）ウェッジ３６の振動振幅が最大となる振動周波数の、現時点よりも先の次の時間間隔における予測値Ｎが周波数変化の許容値Ｊに至ったとき、またはウェッジ３６の振動振幅の最大値の、現時点よりも先の次の時間間隔における予測値Ｐが振動振幅の最大値の許容値Ｋに至ったときに、アラーム１１３が作動し、点灯ランプ１１４が点灯することから、前記第８の実施の形態と同様な効果を奏するほか、ウェッジ３６の交換のための準備期間を十分に確保することができる。
以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記反射体４３、４４、５１、５２は監視対象物に一体に形成し、または監視対象物の一部に反射面を形成する構造にしても、それぞれ同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、監視対象物はジェットポンプ１３の場合を述べたが、原子炉圧力容器１２内で振動するシュラウド１５や気水分離器２０等の他の炉内構造物であってもよい。更に、監視対象物は、原子炉圧力容器１２以外の容器またはタンク内に設置された機器や、二重管の内側管、または熱交換器内のチューブであってもよい。
本発明に係る振動・劣化監視装置の第１の実施の形態が適用された沸騰水型原子炉を示す縦断面図。 図１のジェットポンプを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は水平断面図、（Ｃ）は要部拡大縦断面図。 図１の原子炉圧力容器及びジェットポンプと共に、振動・劣化監視装置の構成を示す要部拡大構成図。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第２の実施の形態における反射体としてのコーナーリフレクタを示す斜視図。 図４のコーナーリフレクタによる超音波の伝播経路を説明するための説明図。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は反射体が設置された静止状態のジェットポンプを示す正面図、（Ｂ）は図６（Ａ）のジェットポンプの振動モードの一例を超音波センサ等と共に概略して示す説明図。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が、反射体が設置された静止状態のジェットポンプを示す正面図、（Ｂ）は図７（Ａ）のジェットポンプの振動モードの一例を超音波センサ等と共に概略して示す説明図。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第５の実施の形態をジェットポンプと共に示し、（Ａ）はジェットポンプの通常時の振動モードの場合を、（Ｂ）はジェットポンプの異常振動時の振動モードの場合をそれぞれ概略して示す説明図。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第６の実施の形態を示し、（Ａ）は反射体が設置されたジェットポンプを示す正面図、（Ｂ）は図９（Ａ）のＩＸ部を拡大し、正常位置にあるウェッジの場合を示す断面図、（Ｃ）は図９（Ａ）のＩＸ部を拡大し、摩耗の発生により移動した位置にあるウェッジの場合を示す断面図。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第７の実施の形態を示す構成図。 図１０の振動・劣化監視装置の一部を拡大し、超音波の伝播経路を示す断面図。 ウェッジ１３の高さ位置の時系列変化を示すグラフ。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第８の実施の形態を示す構成図。 （Ａ）はウェッジの振動振幅と周波数との関係を示すグラフ、（Ｂ）はウェッジの振動振幅が最大となる振動周波数の時系列変化を示すグラフ、（Ｃ）はウェッジの振動振幅の最大値の時系列変化を示すグラフ。 本発明に係る振動・劣化監視装置の第９の実施の形態を説明するものであり、（Ａ）は現時点より先の次の時間間隔で、ウェッジの振動振幅が最大となる振動周波数の値を予測等するためのグラフ、（Ｂ）は現時点より先の次の時間間隔で、ウェッジの振動振幅の最大値を予測等するためのグラフ。
符号の説明
１０ 振動・劣化監視装置
１２ 原子炉圧力容器（容器）
１３ ジェットポンプ（監視対象物）
２９ ライザ管（監視対象物）
３３ インレットミキサー管（監視対象物）
３６ ウェッジ（監視対象物）
４０、４１、４２ 超音波センサ
４３、４４ 反射体
４３Ａ、４４Ａ 反射面
４５ 信号処理部
５０ 振動・劣化監視装置
５１、５２ 反射体
５３ コーナーリフレクタ
５４、５５ 反射面
６０、７０、８０、９０ 振動・劣化監視装置
１００ 振動・劣化監視装置
１０１ 超音波センサ群
１０２ 信号処理部
１０３ 演算部
１１０ 振動・劣化監視装置
１１１ 演算部
１１２ 周波数分析器
１１３ アラーム（警告手段）
１１４ 点灯ランプ（警告手段）
１２０ 振動・劣化監視装置
Ｆ 位置変化データ
Ｇ 許容限界高さ（許容摩耗量）
Ｈ 振動周波数の時系列変化
Ｉ 振動振幅の最大値の時系列変化
Ｊ 周波数変化の許容値
Ｋ 振動振幅最大値の許容値
Ｌ 周波数予想曲線
Ｎ 予想値
Ｏ 振幅予想曲線
Ｐ 予想値
Ｖｘ、Ｖｙ 振幅

Claims (9)

  1. 容器内に配設された監視対象物の振動を、超音波を用いて監視する振動・劣化監視装置において、
    前記容器外に設置されて、超音波を送信し且つ受信する超音波センサと、
    前記監視対象物の表面に設けられ、超音波を反射可能な平面形状の反射面を備えた反射体と、
    前記超音波センサにて送信され前記反射体の反射面にて反射され当該超音波センサにて受信された超音波を信号処理して、前記監視対象物の振動変位を計測する信号処理部と、を有し、
    前記反射体は、前記監視対象物の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな部位に設置されたことを特徴とする振動・劣化監視装置。
  2. 前記超音波センサは、監視対象物の長手方向に対し直交する方向と、この方向から前記長手方向に向けて所定角度離れた方向とにそれぞれ設置され、これらの超音波センサに対応して前記監視対象物に反射体が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の振動・劣化監視装置。
  3. 前記信号処理部は、計測した監視対象物の振動変位としての振幅レベルが、前記監視対象物の通常時の振幅レベルを超えた場合に異常振動であると検知することを特徴とする請求項１または２に記載の振動・劣化監視装置。
  4. 前記反射体は、互いに直交する平面を反射面として備えたコーナーリフレクタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動・劣化監視装置。
  5. 前記反射体は、監視対象物の長手方向に沿って複数設置され、これらの反射体に対応して容器外に複数の超音波センサが設置されたことを特徴とする請求項１、３及び４のいずれか１項に記載の振動・劣化監視装置。
  6. 前記容器が原子炉圧力容器であり、監視対象物が、前記原子炉圧力容器内に配設されたジェットポンプの構成部材であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動・劣化監視装置。
  7. 容器内に配設された監視対象物の振動を、超音波を用いて監視する振動・劣化監視装置において、
    前記容器外に設置されて、超音波を送信し且つ受信する超音波センサと、
    前記監視対象物の表面に設けられ、超音波を反射可能な平面形状の反射面を備えた反射体と、
    前記超音波センサにて送信され前記反射体の反射面にて反射され当該超音波センサにて受信された超音波を信号処理して、前記監視対象物の振動変位を計測する信号処理部と、を有し、
    前記超音波センサは、前記監視対象物の通常時以外の異常振動時における振動モードにおいて、当該監視対象物に設置された前記反射体から反射された超音波を受信可能な位置に設置されたことを特徴とする振動・劣化監視装置。
  8. 容器内に配設された監視対象物の振動を、超音波を用いて監視する振動・劣化監視装置において、
    前記容器外に設置されて、超音波を送信し且つ受信する超音波センサと、
    前記監視対象物の表面に設けられ、超音波を反射可能な平面形状の反射面を備えた反射体と、
    前記超音波センサにて送信され前記反射体の反射面にて反射され当該超音波センサにて受信された超音波を信号処理して、前記監視対象物の振動変位を計測する信号処理部と、を有し、
    前記容器が原子炉圧力容器であり、前記監視対象物がジェットポンプのウェッジであり、前記超音波センサは、前記ウェッジの移動により、当該ウェッジに設置された前記反射体にて反射される超音波を受信不可能な位置に設置されたことを特徴とする振動・劣化監視装置。
  9. 容器内に配設された監視対象物の振動を、超音波を用いて監視する振動・劣化監視方法において、
    前記容器外に設置された超音波センサからの超音波を、前記監視対象物の表面で且つ前記監視対象物の通常時の振動モードにおいて振幅が相対的に大きな部位に設けられた反射体の平面形状の反射面にて反射した後に、当該超音波センサが受信し、この受信した超音波を信号処理して前記監視対象物の振動変位を計測することを特徴とする振動・劣化監視方法。
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