JP2004308552A - タービンロータの補修方法およびタービンロータ - Google Patents
タービンロータの補修方法およびタービンロータ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】通常の熱処理などの処置ではボイドや粒界き裂を消滅させることができないため、タービンホイールの動翼植込部の損傷は回復せず、損傷部位を取替える必要があるが、従来適切な手法が存在しなかった。
【解決手段】タービンホイールの動翼植込部のフック部およびフックコーナ部のクリープ損傷部を切除した後、タービンホイールよりもCr成分の高い補修部材を用いて溶接し、その後植込形状に機械加工することを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】タービンホイールの動翼植込部のフック部およびフックコーナ部のクリープ損傷部を切除した後、タービンホイールよりもCr成分の高い補修部材を用いて溶接し、その後植込形状に機械加工することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電プラントに用いられるタービンロータの劣化損傷部、特にタービンホイール先端に形成した翼植込部のクリープ損傷部を切除して補修するタービンロータの補修方法およびタービンロータに関する。
【0002】
【従来の技術】
発電プラントで用いられるタービンロータ、一例として蒸気タービンロータは、長期間に渡り高温高圧高応力の苛酷な環境下で使用される。特に動翼を取りつけるタービンホイール先端に形成した動翼植込部には翼の遠心力を支えるために高い応力が作用し、蒸気が高温となる段落では更に応力集中部にクリープによる損傷が集中する。
【0003】
このため、定期的な検査を行わずに放置しておくと植込部の応力集中部からき裂が発生・進展し、最終的にはタービンシステム全体の信頼性を損なう場合も想定される。そこで、長時間運転したロータは定期的に損傷の蓄積を検査し、あるいは解析などの間接的手段により診断を行い、損傷量が基準を超えた場合にはロータ全体を取替える処置を行っていた。
【0004】
ところが、上述の通りクリープによる損傷が集中する部位は運転中に高温で、かつ高い応力が持続的に作用する部位に限定されるため、タービンロータであれば高圧の初段ないし3段の翼植込部や、中圧初段ないし3段の植込部であり、それ以外の部位は別の低サイクル疲労や焼戻し脆化、腐食などの別の損傷を受けている場合は別にして、クリープ損傷に関しては比較的小さい値となっている。したがってクリープ損傷が主体となってロータを取替える必要が出た場合には、別の選択肢としてクリープ損傷部位を補修することも考えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
クリープの損傷は主に金属組織中の結晶粒界の至るところにボイドと呼ばれる微小の空隙が時間の経過とともに発生・成長し、それが連結して粒界き裂へと成長するものである。このため、通常の熱処理などの処置では材質的に改善することは期待できるが、ボイドや粒界き裂を消滅させることはできないため、損傷は回復せず、損傷部位を取替える必要があるが、適切な手法が存在しなかった。
【0006】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、タービンホイールのクリープ損傷部位を切除し、クリープ損傷が生じにくい高Cr鋼系の新たな材料を切除部位に溶接により取りつけて、従来以上にクリープ損傷を生じにくいタービンホイールに再生するタービンロータの補修方法およびタービンロータを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に係るタービンロータの補修方法の発明は、タービンホイールの動翼植込部を構成するフック部およびフックコーナ部に生じたクリープ損傷部を切除する工程と、タービンホイールよりもCr成分の高い材料の補修部材を用いて溶接する工程と、前記工程により溶接された補修部材に植込部を機械加工する工程とからなることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るタービンロータの補修方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0009】
(第1実施の形態)
本発明の第1実施の形態を図1ないし図6を参照して説明する。
図5は本発明方法を適用する一般的なタービンホイールにおける高圧初段動翼の結合形態を示す図である。図5による蒸気タービンの高圧初段動翼の結合形態は、動翼1とタービンホイール2の先端にアウトサイド・ダブテールという植込部を形成し、タービンホイールの中心部2−Tを頂上部とし、この頂上部2−Tの左側および右側にそれぞれ3個づつフック部3−1および3−2を傾斜して設け、このフック部3−1および3−2で動翼1の遠心力を支持する構造となっている。
【0010】
この結合形態で長時間運転をした場合、タービンホイール2先端の植込部には図6に示すようにフックコーナ部4に高い応力が集中する結果、クリープ損傷域5が発生する。
【0011】
クリープは時間とともに変形が進行する非線形挙動であるため、応力集中部の応力が再配分された結果、植込部の表面近傍だけでなく、深い部位までクリープ損傷の高い領域が形成される。
【0012】
そこで、本発明の補修方法を用いてこのタービンホイール2の植込部の補修を行なう。この場合、クリープ損傷域5全体を削除する必要があり、図1で示すようにタービンホイール2の先端部は両側に形成したフック部3−1、3−2とともに、更にホイール内側の部位6−2、6−3で示す位置まで切除する。すなわち、クリープ損傷を被った劣化相を十分に除去できる程度にタービンホイール2の先端部の略中心部を頂上部6−1としこの頂上部6−1から両側に所定角度の傾斜部6−2とこれに連なる水平部6−3まで切除する。
【0013】
その後、図2で示すようにこの動翼結合部の傾斜部6−2および水平部6−3に対向する面をほぼ同じ形状に形成した補修部材としての補修リング材7−1、7−2をタービンホイールの先端部を両側から挟む状態で取りつける。
【0014】
図2において、前記補修リング材7−1、7−2はそれぞれタービンホイール2の回転軸中心線2―Cを含む水平面で上下に予め2分割されるように形成されており、タービンホイール2に取り付ける際は、タービンホイール2を両側から挟むようにして接合面8を溶接してそれぞれ一つの補修リング材7−1、7−2に形成する。
【0015】
その際、補修リング材7−1、7−2がタービンホイール2の回転中心2−cと同心になるように、図示しない適宜な保持具により補修リング材7−1、7−2を保持した状態で接合面8で溶接する。なお、前記補修リング材7−1、7−2には一層のクリープ強度向上のために、タービンホイール2よりもクリープ強度の高い材料を選定する。
【0016】
本実施の形態ではタービンホイール2として1.25CrMoV鋼を使用し、補修リング材7には12Cr鋼を使用する。これは図4に示す両者のクリープ破断特性図からも明らかなように12Cr鋼のクリープ破断強度が優れているからである。
【0017】
補修リング材7−1、7−2とタービンホイール2との溶接には、例えば開先幅7mm程度の超狭開先TIG溶接を採用し、タービンホイール2と補修リング材7−1、7−2を徐々に一体的に回転させながら、しかも溶接トーチ9を少しずつ前進させながら溶接を行なう。溶接の順序は図3に示すように、水平方向の溶接部10および11を先行して溶接した後、半径方向の溶接部12、13の溶接を行なうことが望ましい。さらに、補修リング材7−1,7−2を同時に溶接することで、補修リング材7−1,7−2やホイール2に生じる残留応力や溶接に伴う熱影響の発生を抑えることもできる。
【0018】
溶加材としては、タービンホイール2と補修リング材7−1,7−2の双方の成分希釈を考慮してCrの含有量を中間値とする。この実施の形態の場合、7%ないし9%のCr量の溶加材を採用した。
【0019】
なお、半径方向の溶接部12および13は比較的深いため、溶接面をそろばん玉のように軸方向断面が直線状となるように形成することによりトーチ9の出し入れを容易にすることができる。
【0020】
水平方向の溶接部10、11半径方向の溶接部12、13の溶接完了後は、熱処理として溶接段落だけをパネルヒータまたはインダクションヒータで局部焼鈍を実施した。メタル温度は580℃前後で10時間保持した。
その後、図示しない工作機械により、補修リング材7−1,7−2にフック部3−1,3−2を形成するように機械加工して補修が完了する。
【0021】
(第2実施の形態)
本発明の第2実施の形態を再び図3を用いて説明する。
比較的小さな植込部では溶接深さが電子ビーム溶接で可能な深さとなり得る場合がある。この場合、図3の溶接部10、11、12および13を真空中で電子ビームにより溶接する。
本実施の形態の場合、溶接幅がより狭いこと、溶加材が不要であること、溶接時間が短いため熱影響の領域が比較的狭いこと等が利点として挙げられる。
【0022】
(第3実施の形態)
本発明の第3実施の形態を再び図2を参照して説明する。
本実施の形態は、同時に2個所溶接を実施できるようにしたものである。第1実施の形態の場合、溶接トーチは上部に設置した9のみであったが、本実施の形態の場合、上部の溶接トーチ9に加えて下部にも14を併せて設置し、タービンホイール2の180度ずれた反対側でも同時に溶接を実施する。下部の溶接を行なうにあたっては、作業性を考慮し、溶接の順序を上部と逆に、すなわち、半径方向の溶接部12,13を施工したのち、水平方向の溶接部10,11を溶接することが望ましい。
【0023】
この実施の形態の場合、ロータの温度分布が対称に近い状態になるため、軸曲がりが発生しにくいことと、溶接時の能率が向上すること等を利点として挙げることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長時間運転してクリープ損傷が蓄積したロータに対して適切な補修を行なうことができるので、従来にもましてタービンシステムの信頼性の向上を図ることができ、それによりタービンロータの寿命延伸を図ることできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法によるタービンホイール翼植込部の損傷部切除状態および補修リング材の取り付け状態を示す断面図。
【図2】タービンホイールから損傷部切除後、補修リング材を取り付けた状態を示す外観図。
【図3】タービンホイール翼植込部の補修完了時の形態を示す断面図。
【図4】タービンホイールと補修材の10万時間クリープ破断強度を比較するための図。
【図5】一般的なタービンホイール翼植込部および動翼結合構造を示す断面図。
【図6】タービンホイール翼植込部のクリープ損傷域を示す断面図。
【符号の説明】
1…動翼、2…タービンホイール、3…フック部、4…フックコーナ部、5…クリープ損傷域、7−1、7−2…補修リング材、8…全周リング用接合面、9…溶接トーチ、10…水平溶接部、11…水平溶接部、12…半径方向溶接部、13…半径方向溶接部、14…溶接トーチ。
【発明の属する技術分野】
本発明は発電プラントに用いられるタービンロータの劣化損傷部、特にタービンホイール先端に形成した翼植込部のクリープ損傷部を切除して補修するタービンロータの補修方法およびタービンロータに関する。
【0002】
【従来の技術】
発電プラントで用いられるタービンロータ、一例として蒸気タービンロータは、長期間に渡り高温高圧高応力の苛酷な環境下で使用される。特に動翼を取りつけるタービンホイール先端に形成した動翼植込部には翼の遠心力を支えるために高い応力が作用し、蒸気が高温となる段落では更に応力集中部にクリープによる損傷が集中する。
【0003】
このため、定期的な検査を行わずに放置しておくと植込部の応力集中部からき裂が発生・進展し、最終的にはタービンシステム全体の信頼性を損なう場合も想定される。そこで、長時間運転したロータは定期的に損傷の蓄積を検査し、あるいは解析などの間接的手段により診断を行い、損傷量が基準を超えた場合にはロータ全体を取替える処置を行っていた。
【0004】
ところが、上述の通りクリープによる損傷が集中する部位は運転中に高温で、かつ高い応力が持続的に作用する部位に限定されるため、タービンロータであれば高圧の初段ないし3段の翼植込部や、中圧初段ないし3段の植込部であり、それ以外の部位は別の低サイクル疲労や焼戻し脆化、腐食などの別の損傷を受けている場合は別にして、クリープ損傷に関しては比較的小さい値となっている。したがってクリープ損傷が主体となってロータを取替える必要が出た場合には、別の選択肢としてクリープ損傷部位を補修することも考えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
クリープの損傷は主に金属組織中の結晶粒界の至るところにボイドと呼ばれる微小の空隙が時間の経過とともに発生・成長し、それが連結して粒界き裂へと成長するものである。このため、通常の熱処理などの処置では材質的に改善することは期待できるが、ボイドや粒界き裂を消滅させることはできないため、損傷は回復せず、損傷部位を取替える必要があるが、適切な手法が存在しなかった。
【0006】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、タービンホイールのクリープ損傷部位を切除し、クリープ損傷が生じにくい高Cr鋼系の新たな材料を切除部位に溶接により取りつけて、従来以上にクリープ損傷を生じにくいタービンホイールに再生するタービンロータの補修方法およびタービンロータを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に係るタービンロータの補修方法の発明は、タービンホイールの動翼植込部を構成するフック部およびフックコーナ部に生じたクリープ損傷部を切除する工程と、タービンホイールよりもCr成分の高い材料の補修部材を用いて溶接する工程と、前記工程により溶接された補修部材に植込部を機械加工する工程とからなることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るタービンロータの補修方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0009】
(第1実施の形態)
本発明の第1実施の形態を図1ないし図6を参照して説明する。
図5は本発明方法を適用する一般的なタービンホイールにおける高圧初段動翼の結合形態を示す図である。図5による蒸気タービンの高圧初段動翼の結合形態は、動翼1とタービンホイール2の先端にアウトサイド・ダブテールという植込部を形成し、タービンホイールの中心部2−Tを頂上部とし、この頂上部2−Tの左側および右側にそれぞれ3個づつフック部3−1および3−2を傾斜して設け、このフック部3−1および3−2で動翼1の遠心力を支持する構造となっている。
【0010】
この結合形態で長時間運転をした場合、タービンホイール2先端の植込部には図6に示すようにフックコーナ部4に高い応力が集中する結果、クリープ損傷域5が発生する。
【0011】
クリープは時間とともに変形が進行する非線形挙動であるため、応力集中部の応力が再配分された結果、植込部の表面近傍だけでなく、深い部位までクリープ損傷の高い領域が形成される。
【0012】
そこで、本発明の補修方法を用いてこのタービンホイール2の植込部の補修を行なう。この場合、クリープ損傷域5全体を削除する必要があり、図1で示すようにタービンホイール2の先端部は両側に形成したフック部3−1、3−2とともに、更にホイール内側の部位6−2、6−3で示す位置まで切除する。すなわち、クリープ損傷を被った劣化相を十分に除去できる程度にタービンホイール2の先端部の略中心部を頂上部6−1としこの頂上部6−1から両側に所定角度の傾斜部6−2とこれに連なる水平部6−3まで切除する。
【0013】
その後、図2で示すようにこの動翼結合部の傾斜部6−2および水平部6−3に対向する面をほぼ同じ形状に形成した補修部材としての補修リング材7−1、7−2をタービンホイールの先端部を両側から挟む状態で取りつける。
【0014】
図2において、前記補修リング材7−1、7−2はそれぞれタービンホイール2の回転軸中心線2―Cを含む水平面で上下に予め2分割されるように形成されており、タービンホイール2に取り付ける際は、タービンホイール2を両側から挟むようにして接合面8を溶接してそれぞれ一つの補修リング材7−1、7−2に形成する。
【0015】
その際、補修リング材7−1、7−2がタービンホイール2の回転中心2−cと同心になるように、図示しない適宜な保持具により補修リング材7−1、7−2を保持した状態で接合面8で溶接する。なお、前記補修リング材7−1、7−2には一層のクリープ強度向上のために、タービンホイール2よりもクリープ強度の高い材料を選定する。
【0016】
本実施の形態ではタービンホイール2として1.25CrMoV鋼を使用し、補修リング材7には12Cr鋼を使用する。これは図4に示す両者のクリープ破断特性図からも明らかなように12Cr鋼のクリープ破断強度が優れているからである。
【0017】
補修リング材7−1、7−2とタービンホイール2との溶接には、例えば開先幅7mm程度の超狭開先TIG溶接を採用し、タービンホイール2と補修リング材7−1、7−2を徐々に一体的に回転させながら、しかも溶接トーチ9を少しずつ前進させながら溶接を行なう。溶接の順序は図3に示すように、水平方向の溶接部10および11を先行して溶接した後、半径方向の溶接部12、13の溶接を行なうことが望ましい。さらに、補修リング材7−1,7−2を同時に溶接することで、補修リング材7−1,7−2やホイール2に生じる残留応力や溶接に伴う熱影響の発生を抑えることもできる。
【0018】
溶加材としては、タービンホイール2と補修リング材7−1,7−2の双方の成分希釈を考慮してCrの含有量を中間値とする。この実施の形態の場合、7%ないし9%のCr量の溶加材を採用した。
【0019】
なお、半径方向の溶接部12および13は比較的深いため、溶接面をそろばん玉のように軸方向断面が直線状となるように形成することによりトーチ9の出し入れを容易にすることができる。
【0020】
水平方向の溶接部10、11半径方向の溶接部12、13の溶接完了後は、熱処理として溶接段落だけをパネルヒータまたはインダクションヒータで局部焼鈍を実施した。メタル温度は580℃前後で10時間保持した。
その後、図示しない工作機械により、補修リング材7−1,7−2にフック部3−1,3−2を形成するように機械加工して補修が完了する。
【0021】
(第2実施の形態)
本発明の第2実施の形態を再び図3を用いて説明する。
比較的小さな植込部では溶接深さが電子ビーム溶接で可能な深さとなり得る場合がある。この場合、図3の溶接部10、11、12および13を真空中で電子ビームにより溶接する。
本実施の形態の場合、溶接幅がより狭いこと、溶加材が不要であること、溶接時間が短いため熱影響の領域が比較的狭いこと等が利点として挙げられる。
【0022】
(第3実施の形態)
本発明の第3実施の形態を再び図2を参照して説明する。
本実施の形態は、同時に2個所溶接を実施できるようにしたものである。第1実施の形態の場合、溶接トーチは上部に設置した9のみであったが、本実施の形態の場合、上部の溶接トーチ9に加えて下部にも14を併せて設置し、タービンホイール2の180度ずれた反対側でも同時に溶接を実施する。下部の溶接を行なうにあたっては、作業性を考慮し、溶接の順序を上部と逆に、すなわち、半径方向の溶接部12,13を施工したのち、水平方向の溶接部10,11を溶接することが望ましい。
【0023】
この実施の形態の場合、ロータの温度分布が対称に近い状態になるため、軸曲がりが発生しにくいことと、溶接時の能率が向上すること等を利点として挙げることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長時間運転してクリープ損傷が蓄積したロータに対して適切な補修を行なうことができるので、従来にもましてタービンシステムの信頼性の向上を図ることができ、それによりタービンロータの寿命延伸を図ることできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法によるタービンホイール翼植込部の損傷部切除状態および補修リング材の取り付け状態を示す断面図。
【図2】タービンホイールから損傷部切除後、補修リング材を取り付けた状態を示す外観図。
【図3】タービンホイール翼植込部の補修完了時の形態を示す断面図。
【図4】タービンホイールと補修材の10万時間クリープ破断強度を比較するための図。
【図5】一般的なタービンホイール翼植込部および動翼結合構造を示す断面図。
【図6】タービンホイール翼植込部のクリープ損傷域を示す断面図。
【符号の説明】
1…動翼、2…タービンホイール、3…フック部、4…フックコーナ部、5…クリープ損傷域、7−1、7−2…補修リング材、8…全周リング用接合面、9…溶接トーチ、10…水平溶接部、11…水平溶接部、12…半径方向溶接部、13…半径方向溶接部、14…溶接トーチ。
Claims (10)
- タービンホイールの動翼植込部を構成するフック部およびフックコーナ部に生じたクリープ損傷部を切除する工程と、
タービンホイールよりもCr成分の高い材料の補修部材を用いて溶接する工程と、
前記工程により溶接された補修部材に植込部を機械加工する工程とからなることを特徴とするタービンロータの補修方法。 - 前記補修部材の溶接に用いる溶加材のCr含有率を前記タービンホイールと補修部材との中間の値にしたことを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 前記補修部材は半リング形状の部材を前記タービンホイールの両側から挟んだ状態で接合面を溶接し、リング状に一体化することを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 前記タービンホイールと補修部材との溶接に超狭開先TIG溶接を採用することを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 前記タービンホイールと補修部材との溶接に電子ビーム溶接を採用することを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 前記タービンホイールの動翼植込部の略中心部を頂上部としこの頂上部から両側に生じたクリープ損傷部を所定の角度をもって切除するようにし、前記補修部材の動翼植込部に対向する面をほぼ同じ角度に形成したことを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 前記タービンホイールは1.25%CrMoV鋼であり、補修部材は12%Cr鋼であることを特徴とする請求項1ないし6記載のタービンロータの補修方法。
- 前記タービンホイール補修後に溶接部の翼植込段落のみを局部加熱により応力除去焼鈍施工することを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 前記補修溶接を複数個所で同時に施工することを特徴とする請求項1記載のタービンロータの補修方法。
- 請求項1から請求項9の補修を行なうことにより得られるタービンホイールを備えたことを特徴とするタービンロータ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003102949A JP2004308552A (ja) | 2003-04-07 | 2003-04-07 | タービンロータの補修方法およびタービンロータ |
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JP2003102949A JP2004308552A (ja) | 2003-04-07 | 2003-04-07 | タービンロータの補修方法およびタービンロータ |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004308552A true JP2004308552A (ja) | 2004-11-04 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009517576A (ja) * | 2005-11-24 | 2009-04-30 | エムテーウー・アエロ・エンジンズ・ゲーエムベーハー | ガスタービンのシュラウドセグメントの補修方法 |
JP2013249757A (ja) * | 2012-05-31 | 2013-12-12 | Hitachi Ltd | タービン動翼およびタービンロータの製造方法 |
CN103644855A (zh) * | 2012-06-27 | 2014-03-19 | 阿尔斯通技术有限公司 | 用于测量涡轮构件的几何变形的方法 |
CN108326510A (zh) * | 2018-03-02 | 2018-07-27 | 河钢股份有限公司承德分公司 | 离心风机叶轮修复结构及修复方法 |
-
2003
- 2003-04-07 JP JP2003102949A patent/JP2004308552A/ja not_active Withdrawn
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