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

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

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。

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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