Brevet FR2570314A1 — publié le 19860321

ROBOT PORTE-OUTIL POUR EFFECTUER DES INTERVENTIONS A L'INTERIEUR D'UNE ENCEINTE POSSEDANT UNE OUVERTURE D'ACCES La présente invention a pour objet un robot porte-outil permettant d'effectuer toutes sortes d'interventions à l'intérieur d'une enceinte close possédant une ouverture d'accès. Elle vise plus particulièrement à permettre l'entretien et les réparations des boites à eau des générateurs de vapeur des centrales nucléaires à eau légère pressurisée. La boite à eau d'un générateur de vapeur est constituée dans certains modèles courants par une en- ceinte hémisphérique délimitée par un plan diamétral constitué par la plaque tubulaire de l'échangeur dis- posée horizontalement en partie supérieure. La boite à eau est séparée verticalement, en une demi-boite chau- de et une demi-boîte froide, par une cloison verticale de séparation passant par le plan médian de la demi- sphère. Chaque demi-boîte à eau constitue ainsi une enceinte close en forme de quart de sphère sur laquel- le est prévue au moins une ouverture d'accès de forme sensiblement cylindrique et orientée suivant un rayon de la sphère. Chaque ouverture d'accès, appelée "trou d'homme", possède des dimensions permettant à un opé- rateur de pénétrer après vidange à l'intérieur de l'enceinte lorsque des interventions doivent y être effectuées. En fonctionnement normal du générateur de vapeur, le trou d'homme est obturé par un tampon d'ob- turation goujonné sur une bride circulaire délimitant le trou d'homme. Les opérations à effectuer à l'intérieur des boites à eau sont de divers types. IL est d'abord envisagé de procéder réguliè- rement à La décontamination des parois internes des demi-boites qui sont superficieLlement fortement con- taminées en éléments irradiants. Cette décontamina- tion permet d'améliorer Les conditions de travail du personnel ayant à intervenir tant à L'intérieur des demi-boites o règne un rayonnement très important, qu'à L'extérieur, et en particuLier au voisinage du trou d'homme. Les procédés de décontamination à mettre en oeuvre sont soit chimiques, soit mécaniques (sabla- ge à l'eau sous forte pression). Lors de chaque arrêt de fonctionnement, une opération d'inspection systématique de l'état des tubes de chaque générateur est effectuée par divers procédés dont l'un consiste à contrôler chaque tube en y introduisant une sonde à courants de Foucault. Cette inspection systématique et réglementaire vise à détec- ter les différentes altérations pouvant apparaître en cours d'exploitation: fissuration des tubes, stric- tion de ceux-ci due à la corrosion des plaques entre- toises intermédiaires, bouchage des tubes... Les tubes fuitards ou défectueux doivent alors être réparés ou obturés ce qui requiert de nombreux outilLages de mise en oeuvre délicate compte tenu de l'environnement. Il est enfin utile de pouvoir inspecter et réparer la plaque tubulaire proprement dite qui peut être endommagée par des corps migrants transportés par l'eau du circuit primaire. Toutes les opérations à effectuer à l'inté- rieur d'enceintes fortement contaminées en éLéments irradiants présentent des dangers importants pour le personnel d'intervention qui est exposé à un fort rayonnement radioactif. Afin de minimiser ou de supprimer les inter- ventions humaines, on a déjà proposé diverses solu- tions qui peuvent être regroupées en deux catégories de dispositifs. Première catégorie, les dispositifs télécommandés d'interventions sur les tubes. Un grand nombre d'opérations à effectuer sur les tubes étaient effectuées manuellement par un opé- rateur qui devait pénétrer à plusieurs reprises pour mettre en place les outils sur la plaque tubulaire. Un premier dispositif porte-outil connu sous le nom d'araignée" a permis de mécaniser les déplacements des outils sur la plaque tubulaire. Toutefois, l'arai- gnée nécessite sa mise en place par un opérateur, ce dernier devant également procéder aux changements d'outils et à la dépose de l'araignée en fin d'opéra- tion. Par ailleurs, l'araignée évolue très lentement et présente une garantie de fonctionnement limitée, no- tamment dans le cas o certains tubes sont obturés sur lesquels elle ne peut se fixer. Enfin, l'araignée ne pouvant être repérée en position que par comptage du nombre de pas effectués, il est impossible d'effectuer le repérage absolu de la position du tube exploré. Un autre type de porte-outil à fixation sur la plaque a été proposé dans la demande de brevet d'invention français publiée sous le numéro 2 211 721. Si ce type de porte-outil présente certains avantages par rapport à l'araignée, tels un repérage absolu des tubes, des déplacements rapides et la possibilité de monter plusieurs types d'outils, il possède toutefois des inconvénients importants tels que son encombre- ment, l'occultation d'une rangée de tubes sur lesquels il est impossible d'intervenir, et l'entrée de person- nel humain pour sa mise en place et sa dépose. On a également décrit dans la demande de brevet d'invention français publiée sous le numéro 2 394 374 un dispositif de mise en place d'un porte- outil de type "araignée" afin de réduire les entrées de personnel dans les boîtes à eau. Ce dispositif per- met d'amener l'araignée sur la plaque tubulaire depuis l'extérieur, puis de la retirer, mais après avoir préalablement procédé à la mise en place manuelle d'un mât fixe de guidage à l'intérieur de la boite. D'autres dispositifs "porte-araignées" pré- sentant les mêmes inconvénients ont été proposés tels que par exemple celui décrit et représenté dans le brevet US 3 913 782. Deuxième catégorie, les dispositifs télécommandés d'intervention sur l'ensemble des éléments constitu- tifs d'une demi-boite à eau. Ces dispositifs ont essentiellement été dé- veloppés pour permettre la décontamination mécanique et doivent de ce fait pouvoir atteindre non seulement la plaque tubulaire mais également la plaque de sépa- ration et La paroi interne du bol sphérique. Un premier type de dispositif a été proposé, qui consiste en un bras dont une extrémité est articu- lée par une articulation sphérique sur une plaque fixée au voisinage du centre de la sphère sur la plaque tubulaire; un chariot porte-outil est monté coulissant sur le bras et porte une buse de décontami- nation à orientation fixe. Ce dispositif nécessite toujours l'intervention de personnel pour effectuer sa mise en place à l'intérieur de la boite à eau, ainsi que l'intervention d'un opérateur devant Le trou d'homme pour modifier l'orientation de la buse de dé- contamination lors du changement de surface à balayer. Ce dispositif occulte également la portion de plaque tubulaire et les tubes correspondants situés sous sa plaque d'ancrage. La présente invention a pour but de proposer un dispositif d'intervention qui remédie aux inconvé- nients des dispositifs qui viennent d'être mentionnés en permettant notamment toutes les interventions tant sur la plaque tubulaire que sur la plaque de sépara- tion et sur le bol sphérique tout en supprimant toute intervention humaine à l'intérieur des demi-boites à eau et en permettant le changement d'outil à l'exté- rieur de l'enceinte sans dépose du dispositif. A cet effet, l'invention propose un robot porte-outil pour effectuer des interventions à l'inté- rieur d'une enceinte possédant une ouverture d'accès cylindrique, caractérisé en ce qu'il comporte une vi- role cylindrique fixée sur ladite ouverture, un fût cylindrique monté à rotation dans la virole, un rail de guidage axial parallèle à l'axe dudit fût fixé sur la paroi interne de ce dernier et dans lequel un pre- mier bras est monté coulissant, un second bras monté pivotant à l'extrémité libre du premier bras autour d'un axe perpendiculaire à l'axe dudit fût, et un cha- riot porte-outil monté coulissant sur le second bras. Une telle structure de robot ne nécessite comme seule intervention humaine à l'extérieur des boites à eau, que celles nécessaires d'une part à la mise en place de la virole cylindrique, en lieu et place du tampon d'obturation du trou d'homme puis de la pose des bras sur le rail et d'autre part au chan- gement d'outil. Cette dernière opération est rendue possible depuis l'extérieur grâce à la disposition du rail de guidage sur la paroi interne du fût cylindri- que, c'est-à-dire dans une position excentrée permet- tant de dégager un espace libre, ou tunnel, à l'inté- rieur du fût pour permettre le déplacement de l'ensem- ble constitué par le premier bras, le second bras et le chariot porteoutil à l'extérieur de la demi-boîte à eau. La conjugaison de la rotation du fût cylin- drique autour de son axe et du pivotement du second bras autour de son axe d'articuLation constitue une articulation sphérique. Toutefois, étant donné la position généra- Lement occupée par le trou d'homme, cette articulation sphérique seule ne permet pas d'atteindre tous les points de la paroi interne de la demiboite à eau avec une orientation constante de l'outil. Afin de résoudre ce problème, le second bras comprend une première partie montée pivotante à l'ex- trémité libre du premier bras et une seconde partie, prolongeant la première partie, montée tournante au- tour de son axe longitudinal par rapport à la première partie et sur laquelle le chariot porte-outil est mon- té coulissant. Le robot selon la présente invention présen- te également une grande sOreté de fonctionnement. Il est en effet possible d'intervenir rapidement sur l'outil en cas de panne par repliement des bras. De plus, en cas de panne sur la commande des mouvements du robot, une intervention reste possible par des dis- positifs qui peuvent être introduits manuellement par le tunnel dégagé mentionné plus haut par un ringard agissant sur l'axe de rotation des moteurs. Afin d'améliorer encore la fiabilité tech- nologique de l'ensemble, le moteur assurant l'entraî- nement en rotation du fût par rapport à la virole est monté sur cette dernière à l'extérieur de l'enceinte, cette disposition garantissant la possibilité d'in- tervenir rapidement sur le mouvement correspondant. On décrira maintenant un mode de réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective de La partie inférieure d'un générateur de vapeur de cen- 2570 14 traIe nucléaire équipé d'un robot porte-outil réalisé conformément aux enseignements de la présente inven- tion, et représenté en position déployée. - la figure 2 est une vue en coupe selon un plan médian passant par l'axe du fût cylindrique de la figure 1 et dans laquelle les bras du robot et le chariot porte-outil sont représentés en position re- pliée; - - la figure 3 est une section selon le plan III-III du fût cylindrique de la figure 1 par un plan perpendiculaire à l'axe de ce dernier; et - la figure 4 est un schéma destiné à expli- quer l'intérêt d'un décalage angulaire de l'axe du fût cylindrique par rapport à l'axe du trou d'homme. On a représenté à la figure I la partie in- férieure d'un générateur de vapeur de centrale nuclé- aire constituée par une boite à eau 10 de forme géné- rale hémisphérique. Le bot hémisphérique 10 est déli- mité-à sa partie supérieure par- une plaque tubulaire plane 11 disposée sensiblement horizontalement. Le bol est divisé en deux demi-boites à eau 12 et 13 sépa- rées par une cloison verticale de séparation 14 pas- sant par un plan médian de la demi-sphère 10. On a également représenté, figure 1, un tube en "épingle à cheveux" 15 reliant la demi-boite à eau 12 à la demi- boîte à eau 13 et dont les extrémités inférieures sont fixées dans la plaque tubulaire 11 de part et d'autre de-la cloison verticale de séparation 14. Chacune des demi-boites à eau 12 et 13 cons- titue une enceinte close à l'intérieur de laquelle il est possible de pénétrer par une ouverture d'accès cy- lindrique 16 appelée trou d'homme. Seul le trou d'homme 16 de la demiboite à eau 13 est représenté à la figure 1. L'axe X-X du trou d'homme cylindrique 16 est disposé selon un rayon de la sphère géométrique du bol 10. Il est généralement situé à environ 45 de la plaque tubulaire et à 450 de la cloison verticale 14 (bissectrice d'1/8 de sphère). Chaque demi-boîte com- porte également une entrée ou une sortie de tuyauterie primaire de diamètre plus important que le trou d'homme situé symétriquement par rapport à un plan diamétral perpendiculaire à la cloison 4. La demi-boite à eau 13 est équipée d'un robot porte-outil 17 réalisé conformément aux ensei- gnements de la présente invention. Le robot 17 comprend une viroLe cylindrique de fixation 18. La virole de fixation 18 est fixée sur le trou d'homme 16 à l'aide d'une couronne 19 qui, comme on peut le constater à la figure 2, présente deux faces non parallèles de façon à provoquer une inclinaison x de l'axe géométrique YY de la virole cylindrique de fixation 18- par rapport à l'axe géomé- trique X-X du trou d'homme, et ceci dans un but qui sera expliqué plus loin. Le robot 17 comprend également un fût cylin- drique 20 coaxial à la virole 18 et monté à rotation dans cette dernière à l'aide de roulements 21 et 22. Le fût cylindrique 20 s'étend depuis la vi- role 18 vers l'intérieur de la demi-boîte à eau 13 selon l'axe géométrique Y-Y commun au fût et à la vi- role et qui est également l'axe géométrique de rota- tion du fût 20. La rotation du fût 20 autour de son axe Y-Y est commandée par un moteur électrique 23 qui, par l'intermédiaire d'un jeu de pignons, entraîne en rota- tion une couronne dentée 24 rapportée sur la paroi externe du fût cylindrique 20. Conformément à l'inven- tion, le moteur 23 est monté sur la virole 18 et à l'extérieur de La demi-boite à eau 13 afin de permet- tre une intervention aisée en cas de panne. Comme on peut le constater sur Les figures, Le robot 17 comporte un rail de guidage axial 25, pa- raLLèle à L'axe géométrique Y-Y du fût 20 et fixé sur La paroi interne de ce dernier. Le rail de guidage 25 présente une section ouverte carrée dans LaqueLLe un premier bras 27 du robot 17 est monté coulissant. Le premier bras 27 est monté coulissant dans le rail de guidage 25 à l'aide de galets 28 schématisés à La figure 2. Les mouvements de coulissement du premier bras 27 parallèlement à sa direction dans le rail 25 sont commandés par un moteur électrique 29 monté dans le bras 27 et dont le pignon de sortie 29' coopère avec une crémaiLlière 31 formée à l'intérieur du rail 25. Le moteur 29, le moteur 23 ainsi que tous les autres moteurs de commande du robot 17 sont des moto- réducteurs électriques à courant continu commandés à vitesse variable. Le robot 17 comprend un second bras 30 monté pivotant à l'extrémité libre du premier bras 27. Le second bras 30 est monté pivotant sur le premier bras 27 autour d'un axe de rotation Z-Z con- courant et perpendiculaire à l'axe géométrique et de rotation Y-Y du fût cylindrique 20. Le mouvement de pivotement du second bras 30 autour de l'axe géométrique Z-Z est commandé par un moteur électrique 32 et un jeu de pignons 33. Le moteur électrique 32, comme le moteur 29, présente un embout carré qui est actionné manuellement par un rin- gard à embout carré femelle qui agit sur l'axe de ro- tation de chacun de ces moteurs. La combinaison de la rotation du fût 20 au- tour de son axe Y-Y et du pivotement du second bras 30 autour de son axe de pivotement Z-Z définit une arti- culation de type sphérique qui, lorsque le premier bras 27 est en position déployée maximale, est située au plus près du centre géométrique de la demi-sphère constituant le bol 10. Cette disposition mécanique permet de simplifier grandement la commande du robot et est particulièrement adaptée à la géométrie de la boite à eau. Le robot 17 comprend également un chariot porte-outil 34 monté coulissant sur le second bras 30 parallèlement à l'axe longitudinal général T-T de ce dernier. Le mouvement de coulissement du chariot 34 sur le second bras 30 est assuré au moyen d'un moteur et par exemple d'un système vis-écrou 36. Dans le cas de l'application du robot 17 aux opérations à l'intérieur d'une boîte à eau de généra- teur de vapeur, dans laquelle l'axe de l'ouverture d'accès cylindrique constituée par le trou d'homme 16 n'est pas perpendiculaire à la plaque tubulaire 11, on remarque qu'il est nécessaire de rétablir l'orienta- tion du chariot porte-outil 34 par rapport au plan de la plaque tubulaire 11 et ce pour effectuer un balaya- ge correct de cette dernière. Dans ce but, le second bras 30 est réalisé en deux parties. Il comprend une première partie 37 montée pivotante sur l'extrémité libre 31' du premier bras 27 et une seconde partie 38, prolongeant la pre- mière partie 37. La seconde partie 38 du second bras 30 est montée tournante autour de son axe longitudinal géné- ratl T-T par rapport à la première partie 37 à l'aide de roulements 40. Le chariot 34 dont on doit rétablir l'orien- tation est monté coulissant sur la seconde partie 38 du second bras 30. Le mouvement de rotation de la seconde par- ill tie 38 du second bras 30 par rapport à la première partie 37 est commandé par un moteur électrique 39-, intégré à la première partie 37, et un jeu de pignons a. On décrira maintenant en se référant au schéma de la figure 4, l'avantage résultant de l'in- clinaison angulaire de L'axe géométrique Y-Y du fOt 20 par rapport à l'axe X-X du trou d'homme 16. * En position haute, c'est-à-dire lorsque le premier bras 27 est entièrement déployé, le centre de l'articulation sphérique définie plus haut ne coïncide pas exactement avec le centre géométrique A de la demi-sphère 10. Si les axes X-X et Y-Y étaient confondus, le centre de l'articulation sphérique serait situé au point B, c'est-à-dire dans une position décaLée axia- lement (vers la droite en considérant la figure 4) par rapport à la perpendiculaire D de la plaque 11 passant par le centre A de la sphère. L'inclinaison d'un angle î de l'axe Y-Y par rapport à l'axe X-X permet d'amener le centre de l'ar- ticulation sphérique en un point C situé sur la droite D et dans le plan de symétrie de la demi-boîte à eau. Cette disposition facilite la commande du robot en permettant notamment de rendre symétriquesses déplacements. Le robot représenté sur les figures corres- pond à une application particulière assurant La décon- tamination des parois à l'aide d'une buse de sablage 41 représentée sur le chariot porte-outil 34 en diver- ses autres positions de travail 41', 41", etc... re- -présentées sur la figure 1. Dans les opérations de décontamination, il est important que la buse 41 présente une orientation constante par rapport à la paroi de La boîte à eau. A cet effet, Le chariot porte-outil 34 est constitué d'un châssis 43 monté coulissant sur le se- cond bras 30 et sur Lequel un segment 44 est monté pivotant par l'une de ses extrémités 44 autour d'un axe U-U perpendiculaire à l'axe longitudinal T-T du second bras 30. La buse 41 est montée dans un dispositif porte-outil 45 monté pivotant sur la seconde extrémité 46 du segment 44 autour d'un axe V-V également perpen- diculaire à l'axe T-T et parallèLe à l'axe U-U. Le mouvement de rotation du porte-outil 45 et de la buse 41 n'est pas motorisé. Un montage en parallèLogramme en assure sa rotation. Les deux axes T-T et V-V sont bien entendu des axes motorisés et commandés simultanément ou indé- pendamment. La translation du chariot porte-outil 34 ne peut atteindre ni dépasser L'articulation sphérique définie plus haut (intersection des axes Y-Y et 22), le retournement du segment 44 autour de l'axe de pivo- tement U-U permet d'atteindre les tubes de la plaque 11 situés à. proximité du centre géométrique de La sphère. -De plus, et comme on peut le constater sur La figure 4, l'extrémité libre du second bras 30 dé- crit une sphère F qui n'est tangente avec la sphère du bol 10 qu'en un seul point E. La longueur du second bras 30 est donc nécessairement réduite ce qui ne, per- met pas d'atteindre certaines zones G. Le segment 44 prolongeant Le bras 30 assure alors la couverture de ces zones. Les systèmes de commande informatiques des actionneurs électriques du robot ne diffèrent pas des systèmes classiques utilisés pour la commande de ro- bots et ne seront pas décrits ici. On remarque cepen- dant que La disposition cinématique du robot facilite grandement L'élaboration de la commande automatique. La mise en place du robot sur la demi-boîte à eau s'effectue très simplement par un opérateur si- tué à L'extérieur de l'enceinte. Après avoir ôté le tampon du trou d'homme 16, l'opérateur vient fixer en position à l'aide de goujons un premier module démontable constitué par la couronne 19, la virole 18, le fût 20 et le rail 25. L'opérateur met ensuite en place le premier bras 27 dans le rail de guidage 25. Après avoir mis en place le second bras 30 équipé de son chariot porte-outil 34 à l'extrémité libre 31 du premier bras 30, dans sa position repliée représentée à la figure 2, l'opéra- teur n'a plus qu'à fixer un outil avant de faire péné- trer l'ensemble mobile à l'intérieur de la demi-boite à eau; cette pénétration se fait en commandant le coulissement du premier bras 27 en position haute, c'est-à-dire vers la gauche en considérant la figure 2. Lorsque la position haute est atteinte, le robot peut être déployé librement à l'intérieur de la demi- boite à eau en commandant l'actionnement des divers moteurs 23, 32, 39 et 35. Lorsque l'opérateur désire procéder au changement de l'outil équipant le chariot porte-outil 34, il lui suffit dans un premier temps de ramener les premier et second bras 27 et 30 dans leur position repliée représentée sur la figure 2 en assurant un positionnement convenable du chariot 34 et du segment 44. A partir de cette position, il suffit ensuite de commander le coulissement du premier bras 27 dans le rail de guidage 25 vers l'extérieur de la boite à eau, c'est-à-dire vers la droite en considérant la figure 2. Ce coulissement se prolonge jusqu'à ce que l'outil franchisse le plan de la virole 18 (dans lequel il est représenté en pointillés à La figure 2) pour émerger ensuite à l'extérieur dans une position dans Laquelle il est accessible à L'opérateur. Ce changement d'outil sans aucun démontage du robot ni opération manueLLe à l'intérieur de la demi-boîte à eau est rendu possible par l'excentrement du rail de guidage 25 à l'intérieur du fût 20 qui permet de laisser un passage libre constituant un tun- nel d'accès pour L'outil à l'intérieur de la demi- boite à eau. REVENDICATIONS 1. Robot porte-outil (17) pour effectuer des interventions à l'intérieur d'une enceinte (13) possé- dant une ouverture d'accès cylindrique (16), caracté- risé en ce qu'il comporte une virole cylindrique (18) fixée sur ladite ouverture, un fût cylindrique (20) monté à rotation dans la virole (18), un rail (25) de guidage axial parallèle à l'axe (Y-Y) dudit fût, fixé sur la paroi interne (26) de ce dernier et dans lequel un premier bras (27) est monté coulissant, un second bras (30) monté pivotant à l'extrémité libre (31) du premier bras (27) autour d'un axe (Z-Z) perpendiculai- re à l'axe (Y-Y) dudit fût, et un chariot porte-outil (34) monté coulissant sur le second bras. 2. Robot porte-outil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le second bras (30) com- prend une première partie (37) montée pivotante à l'extrémité libre (31') du premier bras (27) et une seconde partie (38), prolongeant la première partie, montée tournante autour de son axe longitudinal (T-T) par rapport à la première partie (37) et sur laquelle le chariot porte-outil (34) est monté coulissant. 3. Robot porte-outil selon l'une des reven- dications I ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur (23) d'entraînement en rotation du fût (20) par rapport à la virole (18) monté sur cette dernière à l'extérieur de l'enceinte. 4. Robot porte-outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le chariot porte-outil (34) comporte un châssis (43) monté coulissant sur le second bras (30) sur lequel un segment (44) est monté pivotant par l'une de ses ex- trémités autour d'un axe (U-U) perpendiculaire à l'axe longitudinal (T-T) du second bras (30). 5. Robot porte-outil selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que l'autre extrémité dudit segment (44) est munie d'un dispositif porte-outil (45) monté pivotant autour d'un axe (V-V) perpendicu- Laire à l'axe longitudinal (T-T) du second bras (30). 6. Robot porte-outil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'axe (Y-Y) du fût (20) est incliné par rapport à l'axe (X-X) de l'ouverture cylindrique d'accès (16) à un angle déterminé (o). 7. Robot porte-outil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'un mécanisme de commande permet d'agir manuellement depuis l'extérieur de l'en- ceinte sur le moteur de translation (29) et de rota- tion (32). 8. Robot porte-outil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'axe (Z-Z) est concou- rant à L'axe (Y-Y). 9. Robot porte-outil selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que l'axe (T-T) est concou- rant à l'axe (Y-Y). 10. Robot porte-outil selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que l'axe (U-U) est concou- rant à l'axe (T-T).