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Die Erfindung bezieht sich auf Dampfturbinenrotoren.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum
Reparieren eines Dampfturbinenrotors, an dem Schaufeln (Laufschaufeln)
befestigt sind, wobei das Verfahren einen Schweiß- und Bearbeitungsprozess
mit sich bringt, der den Rand mit einem Material rekonstruiert,
das sich von dem Basismaterial des Rotors unterscheidet.
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Dampfturbinen enthalten im Allgemeinen
eine Anzahl von miteinander verbundenen Rotoren, wobei jeder Rotor
eine Welle mit einem einstückig
ausgebildeten Rad aufweist, das mit vielen Schaufeln (Laufschaufeln)
versehen ist, die an dem Umfang oder Rand des Rades befestigt sind.
Eine übliche
Technik zum Befestigen der Schaufeln an dem Rotor besteht darin,
den Rand zu formen, damit er einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt
hat, wobei jede Schaufel einen Fußabschnitt aufweist, der mit
einem komplementären Schwalbenschwanz-Merkmal
versehen ist, das mit dem schwalbenschwanzförmigen Bereich von dem Rand in
Eingriff gebracht wird, um die Schaufel an dem Rotor zu befestigen.
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Da Dampfturbinenrotoren bei hohen
Drehzahlen in einer thermisch aggressiven Umgebung arbeiten müssen, sind
Rotormaterialien zum Teil auf der Basis von Kriech-Bruchfestigkeit
ausgewählt
worden. Aus diesem Grund hat der Stand der Technik CrMoV und andere
martensitische rostfreie Stahllegierungen als Rotormaterialien für die erste
Hochdruckstufe und die erste Stufe von Wiedererwärmungs-Turbinenrotoren von Dampfturbinen
favorisiert, während
NiCrMoV und NiMoV niedriglegierte Stähle für die Niederdruckrotoren von Dampfturbinen
favorisiert worden sind. Obwohl Rotoren, die aus diesen Legierungen
hergestellt sind, eine lange Lebensdauer aufgewiesen haben, ist
es möglich,
dass Ver schleiß,
Erosion, Korrosion, Stoß,
Ermüdung und/oder Überbeanspruchungen
auftreten können,
was eine Reparatur oder einen Austausch von einem Rotor erforderlich
gemacht hat. Zusätzlich
kann der schwalbenschwanzförmige
Bereich am Rotorrand einer Stresskorrosions-Rissbildung ausgesetzt
sein, die aus einer Kombination von hoher Beanspruchung und entweder einem
stark korrosiven Ereignis oder einer langen Aussetzung gegenüber mittelmäßig korrosiven
Elementen resultiert. Der schwalbenschwanzförmige Abschnitt ist besonders
empfindlich gegenüber
Rissbil-. dung, da der Rand höheren
Beanspruchungen ausgesetzt ist.
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In der Vergangenheit sind Reparaturen
von schwalbenschwanzförmigen
Randbereichen durch Schweißen
ausgeführt
worden, wobei der beschädigte
Abschnitt des Randes entfernt und eine Stahlschweißung an
seiner Stelle aufgebaut wird. In vielen Fällen erfordert die Reparatur
das Schließen
eines Kompromisses zwischen verschiedenen Eigenschaften aufgrund
der Einschränkungen
der Schweißlegierung
oder des Prozesses, insbesondere wenn die Betriebstemperatur von
dem Rotor etwa 500°C
(etwa 950°F) überschreitet. Beispielsweise
weisen Schweißstellen,
die aus Legierungen gebildet sind, die üblicherweise im Stand der Technik
verwendet werden, wie beispielsweise CrMo Legierungen, kleinere
Bruchfestigkeiten auf als die CrMoV Basislegierung für den Rotor.
Obwohl Reparaturen, die eine CrMoV Legierung verwenden, eine Schweißstelle
mit verbesserter Festigkeit bei Raumtemperatur erzielen würde, ist
die Festigkeit bei höheren
Temperaturen marginal, weil Schweißstellen, die aus dieser Legierung
gebildet sind, eine verminderte Bruchfestigkeit haben. Obwohl Stahl-Reparaturmaterialien
den Vorteil von höheren
Bruchfestigkeiten bieten können,
gehen diese Verbesserungen auf Kosten von geringerer Zähigkeit
(Versprödung).
Weiterhin haben bekannte Reparaturverfahren, die Stahl-Reparaturmaterialien
verwenden, im Allgemeinen signifikante Vorwärm-, Feuchtigkeitssteuerungs-und
Entspannungsarbeiten nach dem Schweißen erfordert.
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Schließlich würden volle Normalglüh- und Temper-Wärmebehandlungen,
die im Allgemeinen erforderlich sind, um Eigenschaften zu entwickeln,
die denjenigen von der ursprünglichen
Stahllegierung des Rotors ähnlich
sind, die präzisen
Abmessungen der Rotoren in unerwünschter
Weise verändern.
Andere Legierungen, die wünschenswerte
mechanische und Umgebungseigenschaften haben, sind häufig inkompatibel
mit dem Basismaterial des Rotors. Beispielsweise weisen martensitische,
chromhaltige rostfreie Stähle,
die in dem US-patent 4,710,103 für
Gaber u.a. und in den US-Patenten 4,897,519 und 4,958,431 für Clark
u.a. offenbart sind, mittlere thermische Ausdehnungskoeffizienten
auf; die sich in signifikanter Weise von dem CrMoV Basismaterial
unterscheiden (z. B. etwa 11,6 × 10–6/°C für 12Cr Stähle im Vergleich
zu etwa 14,4 × 10–6/°C für CrMoV Stähle bei
540°C).
In Folge dessen sind Reparaturen, die mit diesen Materialien gemacht
sind, empfindlich gegenüber
thermischer Ermüdung.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf
für ein
Verfahren zum Reparieren eines Dampfturbinenrotors, das einen relativ
unkomplizierten Prozess mit sich bringt, der ein Reparaturmaterial
verwendet, dessen mechanische, thermische und Umgebungseigenschaften
sowohl kompatibel als auch wenigstens vergleichbar mit, vorzugsweise überlegen
sind, gegenüber
traditionellen Rotormaterialien.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein verbessertes Verfahren zum Reparieren eines Dampfturbinenrotors
und insbesondere des schwalbenschwanzförmigen Bereiches am Rand von
einem derartigen Rotor zu schaffen.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung,
dass ein derartiges Verfahren die Verwendung von bekannten und unkomplizierten
Schweißtechniken
mit sich bringt, die mit der Reparatur von Dampfturbinenrotoren
kompatibel sind.
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Es ist ferner Aufgabe der Erfindung,
dass ein derartiges Verfahren ein Schweißmaterial verwendet, das mechanische
und Umgebungseigenschaften aufweist, die mit denjenigen des Basismaterials
des Rotors vergleichbar sind oder über diese hinausgehen.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe
der Erfindung, dass ein derartiges Material mit dem Basismaterial des
Rotors kompatibel ist, um so eine Reparatur zu erzielen, die eine
lange Lebensdauer hat.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden diese und andere Aufgaben und Vorteile wie
folgt erreicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden ein Verfahren zum Reparieren des Randabschnittes von einem
Dampfturbinenrotor, der aus einer Stahllegierung, im Allgemeinen
martensitische rostfreie Stähle
und CrMoV Stähle
gebildet ist, und ein Schweißmaterial
zum Reparieren derartiger Rotoren bereitgestellt. Das Verfahren
erfordert keine komplizierten oder relativ teuren Bearbeitungstechniken,
und erzielt trotzdem einen reparierten Rotor mit einem rekonstruierten
Rand, der mechanische und Umgebungseigenschaften aufweist, die mit
denjenigen von dem Basismaterial des Rotors vergleichbar sind. Obwohl
das erfindungsgemäße Verfahren für die Reparatur
von Stahllegierungsrotoren vorgesehen ist, sind gewisse Nickelbasis-Superlegierungen
geeignete Reparaturmaterialien für
das Verfahren.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung enthält allgemein
die Schritte, dass ein beschädigter
Bereich von dem Rotor, wie beispielsweise der Randabschnitt und
sein zugehöriger
schwalbenschwanzförmiger
Bereich., entfernt wird, um so eine Oberfläche am Umfang von dem Randabschnitt
zu bilden. Dann wird eine Reparaturschweißung aus einer Nickelbasis-Superlegierung
auf der Oberfläche
von dem Umfang gebildet, wonach die Schweißstelle bearbeitet wird, um
den Randabschnitt und seinen schwalbenschwanzförmigen Bereich ausschließlich mit
der Schweißung
zu rekon struieren. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „Schweißung" das
Nickelbasis-Superlegierungs-Schweißmaterial und jedes weitere
Material, wie beispielsweise einen geschmiedeten Ring, der an dem
Randabschnitt mit dem Nickelbasis-Superlegierungs-Schweißmaterial
befestigt sein könnte.
Ein letzter Schritt des Verfahrens besteht darin, eine geeignet
geformte Schaufel an dem Randabschnitt mit dem schwalbenschwanzförmigen Bereich
zu befestigen.
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An den Rändern von Dampfturbinenrotoren ändern sich
Temperaturen, Beanspruchungen und Dampfbedingungen stark von dem
einen Ende der Turbine zum anderen, so dass sich die Anforderungen
hinsichtlich Bruchfestigkeit, Zähigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
und thermische Ausdehnungskoeffizienten verändern. Gemäß der Erfindung sind geeignete
Nickelbasis-Superlegierungen gekennzeichnet durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
innerhalb etwa 15 Prozent der Stahllegierung des Rotors über einem
Temperaturbereich von etwa 200 bis 540°C, und sie haben eine Zerreißfestigkeit
bei Raumtemperatur über
den spezifischen Konstruktionsanforderungen für den Rotor, im Allgemeinen
wenigstens etwa 690 MPa (etwa 100 ksi). Besonders bevorzugte Materialien
für die
Schwalbenschwanz-Schweißreparatur
von martensitischen, CrMoV, NiCrMoV und NiMoV Stahllegierungen sind
Inconel 625 und 725 Legierungen, obwohl es möglich ist,
dass Inconel 600 und 718 Legierungen unter gewissen
Bedingungen bevorzugt oder notwendig sein können.
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Obwohl das Reparaturverfahren gemäß der Erfindung
die Gegenwart von zwei unähnlichen
Materialien in einem Bereich des Rotors zur Folge hat, der eine
komplexe Geometrie hat und wo thermische, Umgebungs-, und Belastungsbedingungen über einem
breiten Bereich von Temperaturen, im Allgemeinen von Raumtemperatur
bis mehr als 500°C,
hart sind,. ist gefunden worden, dass das Verfahren trotzdem Reparaturen
erzielt, die Kompatibilität
mit dem Stahllegierungsrotor hinsichtlich Schweißbarkeit, metallurgischen und thermischen
Eigenschaften aufweist. Gemäß der Erfin dung
kann Kompatibilität
gefördert
werden, indem in dem Schweißreparaturbereich
ein Trennflächenbereich
hervorgerufen wird, in dem eine Dispersion von Karbiden des Typs
II als eine diffuse Matrix von kleinen Karbiden vorhanden ist, die
an der Schmelzlinie zwischen den unähnlichen Schweiß- und Rotormaterialien
gebildet sind.
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Gemäß dieser Erfindung ist das
Verfahren in der Lage, unter Verwendung bekannter und relativ unkomplizierter
Schweißtechniken
ausgeführt
zu werden, die mit der Reparatur von Dampfturbinenrotoren kompatibel
sind und ohne dass extensive Wärmebehandlungen
notwendig sind wie beispielsweise Erwärmung vor dem Schweißen und
Entspannungsglühen
nach dem Schweißen,
die teuer sind und mit Dampfturbinenrotoren inkompatibel sein können. Weiterhin
erreicht das Verfahren eine Reparaturschweißung, die mechanische und Umgebungseigenschaften
aufweist, die mit denjenigen des Basismaterials des Rotors vergleichbar
oder besser sind, während
sie mit dem Basismaterial des Rotors genügend kompatibel sind, um eine
Reparatur zu erzielen, die eine lange Lebensdauer hat.
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Die obigen und andere Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen deutlicher, in denen:
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1 eine
Seitenansicht von einer bekannten Dampfturbinenrotoreinrichtung
ist, wobei Schaufeln an dem Rotorrand der Klarheit halber nicht
gezeigt sind, und
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2 eine
detaillierte Querschnittsansicht von einem Rotorrand der Dampfturbine
darstellt, der gemäß dieser
Erfindung repariert worden ist.
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1 stellt
ein Beispiel von einer Dampfturbinen-Rotoreinrichtung 10 von
einem Typ dar, der gemäß der vorliegenden
Erfindung repariert werden soll. Die Einrichtung 10 enthält allgemein
eine Rotorwelle 12, auf der eine Anzahl von Rädern 14 entweder
angebracht oder einstückig
mit der Welle 12 ausgebil det sind. Jedes Rad 14 ist
in der Lage, eine Anzahl von Schaufeln oder Laufschaufeln (nicht
gezeigt) zu befestigen. Innerhalb einer Dampfturbine bilden die
Reihen von Rädern 14 Stufen
zwischen Leitschaufeln oder Düsen.
Durch die Einrichtung 10 strömender Dampf erbringt Arbeit
für die
Räder 14,
die durch die Welle 12 auf eine geeignete Last, wie beispielsweise
einen elektrischen Generator, übertragen
wird. Gemäß der Erfindung
sind bevorzugte Materialien für
die Welle 12 und die Räder 14 Stahllegierungen,
wie beispielsweise martensitische rostfreie Stähle und NiCrMoV-, NiMoV- und
CrMoV-Legierungen. Eine besonders geeignete CrMoV-Legierung hat
eine nominelle Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa 1,20
Chrom, etwa 1,25 Molybdän,
etwa 0,25 Vanadium und kleinere Mengen von anderen Elementen. Bevorzugte
Stahllegierungen haben eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von
wenigstens etwa 690 MPa (etwa 100 ksi), wobei die oben genannte
CrMoV-Legierung eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von etwa 725
MPa (etwa 105 ksi) hat.
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2 ist
eine Teilquerschnittsansicht von dem Rand von einem Rad 14,
das mit einer Schweißung 18 gemäß der Erfindung
repariert worden ist. Wie gezeigt ist, ist die Schweißung 18 bearbeitet
worden, um einen Schwalbenschwanz 20 zu rekonstruieren,
an dem eine Turbinenschaufel befestigt wird, indem der Schwalbenschwanz 20 mit
einem schwalbenschwanzförmigen
Merkmal 24 in Eingriff gebracht wird, das an dem Schaufelfuß 22 von
der Schaufel ausgebildet ist. Gemäß der Erfindung sind geeignete
Materialien für
die Schweißung 18 Nickelbasis-Superlegierungen,
die mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen, die mit dem
Material des Rades 14 vergleichbar sind, z.B. eine Zerreißfestigkeit
(UTS von ultimate tensile strength) von wenigstens etwa 690 MPa
(etwa 100 ksi) und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE
von coefficient of thermal expansion) innerhalb etwa 15 Prozent
von demjenigen des Materials für
das Rad 14. Für die
oben beschriebene CrMoV-Legierung beträgt ein bevorzugter Bereich
für den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schweißung 18 etwa 13,7
bis 14,2 × 10–6/°C bei etwa
430°C (etwa
800°F).
Zwar erfüllen
verschiedene Nickelbasis-Superlegierungen diese Anforderungen, aber
besonders bevorzugte Legierungen sind Inconel 625 und 725,
die durch die folgenden angenäherten,
nominellen Zusammensetzungen, in Gewichtsprozent, und Eigenschaften
charakterisiert sind.
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Andere möglicherweise geeignete Nickelbasis-Superlegierungen
umfassen Inconel 600 und 718, deren Zusammensetzungen
bekannt sind. Das bevorzugte Reparaturverfahren gemäß der Erfindung
umfasst ein vollständiges
Entfernen des beschädigten
Schwalbenschwanzes (nicht gezeigt) von dem Rad 14 gemäß 2, um eine Oberfläche 16,
vorzugsweise eine zylinderförmige
Oberfläche,
zu erzielen, die den Rand wie gezeigt umschreibt, auf der die Schweißung 18 zunächst ausgebildet
wird unter Verwendung einer geeigneten Schweißtechnik, wie beispielsweise
UP-Schweißen
(SRW von submerged arc welding) und WIG-Schweißen (GTAW von gas tungsten
arc welding), obwohl es möglich
ist, dass auch andere Techniken verwendet werden könnten, wie
beispielsweise MIG-Schweißen
und Metall-Lichtbogenschweißen
mit umhüllter
Elektrode, die jeweils bekannt sind. Vorzugsweise geht das Schweißen in der
Weise vor sich, dass ein Bereich 2b von der Schweißung 18 unmittelbar
benachbart zur Oberfläche 16 eine
dünne Zusammensetzung
mit einer Dispersion von Typ II-Karbiden ist, obwohl des möglich ist,
dass Typ II-Karbide nicht für
alle Anwendungen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung erforderlich
sind.
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Nach dem Schweißvorgang wird eine Nachglüh-Wärmebehandlung
ausgeführt,
um jede wärmebeeinflusste
Zone zu tempern, die sich in dem Rad 14 unter der Oberfläche 16 neben
der Schweißung 18 entwickelt haben
kann. Schließlich
wird, wie in 2 gezeigt
ist, der Schwalbenschwanz 20 aus der Schweißung 18 durch
irgendeine geeignete Bearbeitungstechnik rekonstruiert. Alternativ
kann die Schweißung 18,
wie der Begriff hier verwendet wird, weiteres Material umfassen,
wie beispielsweise einen geschmiedeten Ring, der an dem Rand von
dem Rad 14 mit dem Nikkelbasis-Superlegierung-Schweißmaterial
befestigt ist. Nach der Bearbeitung wird die Turbinenschaufel 22 an
dem Rad 14 befestigt, indem der Schwalbenschwanz 20 mit
dem schwalbenschwanzförmigen
Merkmal 24 von der Schaufel 22 in Eingriff gebracht
wird. Wie gezeigt ist, ist der Schwalbenschwanz 20 ein
unregelmäßiges vorstehendes
Merkmal, das komplementär
zu dem schwalbenschwanzförmigen
Merkmal 24 der Schaufel 22 ist. Es ist zwar eine
bestimmte Geometrie für
die Schwalbenschwänze 20 und
24 gezeigt, aber für
den Fachmann ist klar, dass verschiedene Geometrien möglich sind.
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Aus der vorstehenden Beschreibung
wird deutlich, dass das Reparaturverfahren gemäß der Erfindung in der metallurgischen
Bindung von zwei unähnlichen
Materialien am Rand von dem Rad 14 besteht, wo die thermischen,
Umgebungs- und Belastungsbedingungen über einem breiten Temperaturbereich
hart sind, von Raumtemperatur bis mehr als 500°C. im Allgemeinen müsste angenommen
werden, dass jede nachteilige Beeinflussung der unähnlichen
Materialien durch die komplexe Geometrie der Schwalbenschwänze 20 und 24 verschlimmernd
sein müsste.
Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfahren trotzdem eine Schweißung 18 erreicht,
die mit dem Rad 14 hinsichtlich Schweißbarkeit, Metallurgie und thermischer
Eigenschaften kompatibel ist, ein Ergebnis, das durch die Gegenwart
des Bereiches 26 angrenzend an die Stahllegierung des Rades 14 gefördert wird.
Weiterhin weisen die entstehende Reparaturschweißung 18 und der Schwalbenschwanz 20 mechanische
und Umgebungseigenschaften auf, die mit denjenigen von dem Stahllegierungsmaterial
des Rades 14 vergleichbar sind oder diese übersteigen,
während
sie genügend
kompatibel mit bevorzugten Stahllegierungen sind, um einen Schwalbenschwanz 20 zu
erreichen, der in der Lage ist, eine lange Lebensdauer aufzuweisen.
Schließlich
ist es ein signifikanter Vorteil der Erfindung, dass. die oben genannten
Vorteile der Erfindung mit bekannten und relativ unkomplizierten
Schweißtechniken
erreicht werden, die mit der Reparatur von Dampfturbinenrotoren
kompatibel sind, und ohne das Erfordernis für Wärmebehandlungen, wie beispielsweise
eine Erwärmung
vor dem Schweißen
und ein Entspannungsglühen
nach dem Schweißen.
