JP6581498B2 - タービンロータディスクの補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンロータディスクの補修方法に関するものであり、発生した損傷を除去した後に肉盛溶接により補修する方法に関する。

火力発電プラント、原子力発電プラントは蒸気タービンを用いて発電を行っている。タービンロータを始めとする蒸気タービンの構成部材は腐食されやすい環境に晒されている。タービンロータディスクの翼溝など応力が集中する部分に、応力腐食割れ、腐食疲労等による亀裂が発生する。この亀裂は、運転の継続によって大きくなり、そのまま放置しておくと、ついには翼がタービンロータディスクから外れて他の部位を破壊することになる。したがって、発電プラントでは定期的に検査を行って、タービンロータディスク各部位の亀裂発生の有無を検査し、その成長状況を定期的に把握するようにしている。

蒸気タービン等に用いられるタービンロータＲは、図８に示すように、ロータ軸１００に、軸方向に所定の間隔で配置した複数段のタービンロータディスク（以下、「ロータディスク」と略記することがある）１０１が設けられている。各ロータディスク１０１は、外周部に形成された翼溝１０４にタービン翼１０６が取り付けられる。
上述したタービンロータＲにおいて、ロータディスク１０１の翼溝１０４及びその周辺等の外周部にクラック等の欠陥部が生じると、タービンロータＲを蒸気タービンから取り外し、修理可能な工場へ搬送して補修することが必要になる。

肉盛溶接によりロータディスクを補修するのに、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接又はサブマージアーク溶接（Submerged arc welding）を採用することができる。従来は、溶接熱影響部で結晶粒の粗大化を阻止するために、溶接速度の遅いＴＩＧ溶接を採用する傾向が強かったが、溶接条件を検討することで、溶接速度の速いサブマージアーク溶接を適用することができるようになった。
その中で、特許文献１は、施工面からのフラックスの落下を防止する部材を、ロータディスクに近接して配置することで、小径のロータディスクであっても溶接工程を通じて施工面に安定してフラックスを堆積し、サブマージアーク溶接による補修を安定してできることを開示している。

特開２０１２−２６２７２号公報

肉盛溶接によりロータディスクを補修する際には、特許文献１にも記載されるように、補修されるロータディスクには、溶接施工面と同一面を形成するように、耳板と称される部材がその側面に例えばＴＩＧ溶接により取付けられる。この耳板は、肉盛溶接に供されるフラックス及び紛体がこぼれ落ちるのを防ぐために設けられるものである。したがって、ロータ補修を終えると耳板は取り除かれるが、耳板が取り除かれたロータディスクの溶接部分に、主にブローホールと称される溶接欠陥が生じることが確認された。この溶接欠陥は、切削により取り除くことができるが、ロータディスクの側面の円周方向に亘って生じているために、除去する作業の負担が大きい。また、溶接欠陥が大きい場合には、補修をやり直すこともある。なお、ブローホールとは，溶接金属内で発生したガスもしくは侵入したガスが凝固時に大気中へ放出されず，溶接金属内に閉じ込められて生じるものである。
以上より、本発明は、耳板を取り付けてロータディスクを補修する際に、溶接による耳板の取付けに起因する溶接欠陥が生じるのを抑制できる補修方法を提供することを目的とする。

本発明のロータディスクの補修方法は、外周部に翼溝が形成されているロータディスクの、外周部に生じた欠陥部を除去してから翼溝を再形成するロータディスクの補修方法であって、回転軸が水平に支持されたロータディスクから欠陥部を含む領域を除去してディスク補修体を形成する欠陥除去工程と、ディスク補修体の外周縁に沿って溶接により耳板を円環状に接合する耳板取付け工程と、回転軸を中心にディスク補修体を回転させながら、溶接施工面に肉盛溶接する肉盛り工程と、肉盛溶接の余肉及び耳板をディスク補修体から取り除く端材除去工程と、を備える。
本発明における補修方法は、ディスク補修体が、第一開先と、第一開先に連なる第一ルート面と、を有し、また、耳板が、第二開先と、第二開先に連なる第二ルート面と、を有し、耳板取付け工程において、第一ルート面と第二ルート面を突き合わせて、第一開先及び第二開先を介して溶接するに際し、回転軸を通る縦断面において、第一開先が占有する領域の面積をＡ１０とし、第二開先が占有する領域の面積をＡ１１とすると、Ａ１０ ＜ Ａ１１ … 式（１）が成り立つ、ことを特徴とする。

本発明によれば、ロータディスクの第一開先が占有する面積Ａ１０よりも耳板の第二開先が占有する面積Ａ１１を大きくすることにより、溶接欠陥が生じるとしても耳板の第二開先の側の溶接金属に誘導できる。これにより、耳板を取り除いた後のロータディスクの側面に残る溶接欠陥を抑制することができる。

本発明のロータディスクの補修方法において、第一開先が占有する領域は、深さＤ１０と幅Ｗ１０により特定され、第二開先が占有する領域は、深さＤ１１と幅Ｗ１１により特定されるものとすると、深さＤ１０ ＜ 深さＤ１１ … 式（２）、及び、幅Ｗ１０ ＜ 幅Ｗ１１ … 式（３）の一方又は双方が成り立つことで、式（１）が成り立つようにできる。

本発明のロータディスクの補修方法において、第一開先がＣ形の面取りＣｘ（ただし、ｘは寸法数値）からなり、第二開先がＣ形の面取りＣｙ（ただし、ｙは寸法数値）からなる場合には、Ｃｘ ＜ Ｃｙ … 式（４）が成り立つことで、式（１）が成り立つようにできる。

本発明のロータディスクの補修方法において、深さＤ１０ ＝ 幅Ｗ１０ ＝ ０（ゼロ）とすることもできる。これはすなわち、耳板の側だけの第二開先だけが設けられることを意味している。

本発明のロータディスクの補修方法において、ディスク補修体と耳板により面一の溶接施工面を形成するのが好ましい。

本発明のロータディスクの補修方法において、肉盛り工程の後に、ディスク補修体と肉盛溶接との境界を含む、径方向の所定領域を円周方向に切除するのが好ましい。

本発明における開先の構造は、用途に限らず溶接に適用することができる。つまり本発明の溶接方法は、第一開先と、第一開先に連なる第一ルート面と、を有する第一部材と、第二開先と、第二開先に連なる第二ルート面と、を有する第二部材と、を、第一ルート面と第二ルート面を突き合わせて、第一開先及び第二開先を介して溶接する方法であって、突き合わされる第一ルート面と第二ルート面に直交し、第一開先と第二開先を通過する断面において、第一開先が占有する領域の面積をＡ１０とし、第二開先が占有する領域の面積をＡ１１とすると、Ａ１０ ＜ Ａ１１ … 式（１）が成り立つ、ことを特徴とする。
本発明において、第二部材は、第一部材と溶接された後に、所定の処理が施されてから、第一部材から取り除くことができる。
本発明における溶接方法には、上述したロータディスクの補修方法の要素を踏襲することができる。

本発明によれば、ロータディスクの開先が占有する面積Ａ１０よりも耳板の開先が占有する面積Ａ１１を大きくすることにより、溶接欠陥を耳板の開先の側の溶接金属に誘導できる。これにより、耳板を取り除いた後のロータディスクの側面に残る溶接欠陥を抑制することができる。

本発明に係るロータディスクの溶接補修方法の主要工程を説明する図である。 本実施形態において肉盛溶接の方法を示す正面図である。 本実施形態において、（ａ）は耳板を取り付ける前のディスク補修体と耳板を示す断面図、（ｂ）は耳板が取り付けられたディスク補修体を示す断面図である。 図３に引き続き、（ａ）は肉盛溶接を完了した様子を示す断面図、（ｂ）は耳板を含む端材を取り除いたディスク補修体を示す断面図である。 ディスク補修体と耳板の開先近傍を示す断面図であり、（ａ）は本実施形態を示す、（ｂ）は比較例を示している。 （ａ）はディスク補修体と肉盛溶接の境界部分に括れを設けた例を示し、（ｂ）は開先の変形例を示し、（ｃ）は開先の他の変形例を示す図である。 開先の他の変形例を示し、深さが一致するが、幅は耳板の方が広い例を示している。 蒸気タービン等に用いられるタービンロータＲの全体概要を一部断面にして示した正面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態は、タービンロータディスク（以下、ロータディスク）１０を肉盛溶接により補修する方法において、耳板１１を溶接によってロータディスク１０（ディスク補修体１０Ａ）に取り付ける際に、ディスク補修体１０Ａに溶接欠陥が生ずるのを抑制することを要旨とする。

はじめに、ロータディスク１０を肉盛溶接により補修する主要な工程を図１に基づいて説明する。
溶接補修は、ロータディスク１０の外周部に形成された翼溝１２に亀裂Ｃが入り欠陥が生じていることを定期的な検査で発見したことに基づいて行われる（図１（ａ））。なお、図１において、タービン翼はすでに取り除かれている。
補修必要と判断されると、亀裂Ｃが入っていない翼溝１２の部分も含めて、ロータディスク１０の当初の外周面から亀裂Ｃを除去できる深さまでを円周方向に沿って削り取ることで、欠陥が除去されたディスク補修体１０Ａを得る（図１（ｂ），図３（ａ））。

次に、損傷が取り除かれたディスク補修体１０Ａの外周に肉盛溶接による補修部１３を設ける（図１（ｃ），図４（ａ））。なお、肉盛溶接に先立って、ディスク補修体１０Ａの両側面の外周縁に沿って耳板１１が溶接により円環状に取り付けられる。通常、耳板１１はディスク補修体１０Ａの外周面と面一になるように取り付けられる（図３（ｂ））。溶接トーチの移動軌跡を直線状にすれば足りるし、無駄な肉盛りをしなくて良いからである。なお、図３（ｂ）において、開先Ｇ１０及び開先Ｇ１１の所在を明確にするために、溶接金属ＷＭのみを記載し、溶接による溶け込みを省略している。以下も同様である。
肉盛溶接は、図２に概略を示すように、回転軸１４を水平に支持したディスク補修体１０Ａを回転軸１４を中心にして回転させながら行われる。肉盛溶接は、ディスク補修体１０Ａの外周面がなす溶接施工面１５に、ホッパ２０からフラックスＦを供給して堆積させながら行われる。
所定の量だけ肉盛溶接を行った後に、耳板１１及びその他の余肉などの端材を取り除くとともに、翼溝１２を形成するとロータディスク１０の補修は終了する（図１（ｄ），図４（ｂ））。

この肉盛溶接をサブマージアーク溶接により行う。新たに形成された翼溝１２を介してタービン翼（図示を省略）をロータディスク１０に取付けることで、ロータディスク１０が再生される。本実施の形態は、以下に図２〜図４を参照しながら説明するように、上記工程の中で、肉盛溶接をする工程に特徴を有している。

本実施形態は、耳板１１をディスク補修体１０Ａの側面に溶接により取り付けることを前提として、ディスク補修体１０Ａの側に溶接欠陥が生じるのを抑制するものであり、この抑制の手段として、ディスク補修体１０Ａと耳板１１のそれぞれの溶接に係る開先（第一開先）Ｇ１０，開先（第二開先）Ｇ１１の寸法を調整する。具体的な一例として、耳板１１の側の開先Ｇ１１の深さＤ１１，幅Ｗ１１をディスク補修体１０Ａの側の開先Ｇ１１の深さＤ１０，幅Ｗ１０よりも大きくする。これにより、溶接欠陥が生じるとしても、耳板１１の側の溶接金属に生じるように誘導する。以下、詳細に説明する。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、ディスク補修体１０Ａの両側面をなすルート面（第一ルート面）Ｒ１０と耳板１１の側面をなすルート面（第二ルート面）Ｒ１１とを突き合わせて溶接するのに、ディスク補修体１０Ａのルート面Ｒ１０に連なる開先Ｇ１０と、耳板１１のルート面Ｒ１１に連なる開先Ｇ１１を形成する。
開先Ｇ１０は、ディスク補修体１０Ａの両方のルート面Ｒ１０の最外周縁に沿って、かつ円周方向に連なって形成される。本実施形態における開先Ｇ１０はＣ形の面取りにより構成されているが、本発明はこれに限らず、他の形態の開先形状、例えばＲ形の開先Ｇ１０とすることもできる。開先Ｇ１１についても同様である。開先Ｇ１０は、ディスク補修体１０Ａの回転軸１４を通る縦断面において、図５（ａ）に示すように、深さＤ１０と幅Ｗ１０により寸法が特定される。この縦断面は、突き合わされるルート面Ｒ１０とルート面Ｒ１１に直交し、開先Ｇ１０と開先Ｇ１１を通る断面である。
耳板１１は、図１（ｃ）に示すように、板材を湾曲させることにより円環状とされており、開先Ｇ１１は、耳板１１の一方の側面の最外周縁に沿って、かつ円周方向に連なって形成される。開先Ｇ１１は、ディスク補修体１０Ａの回転軸１４を通る縦断面において、図５（ａ）に示すように、深さＤ１１と幅Ｗ１１により寸法が特定される。

本実施形態においては、開先Ｇ１０と開先Ｇ１１を、図５（ａ）及び以下の式（２），式（３）に示すように、深さＤ１０より深さＤ１１を大きくし、幅Ｗ１０より幅Ｗ１１を大きくする。こうすることにより溶接欠陥を耳板１１の側に誘導できるのは、以下の理由による。なお、図５（ａ）に示す開先Ｇ１０及び開先Ｇ１１はともにＣ形の面取りからなり、その寸法をそれぞれＣｘ，Ｃｙ（ｘ，ｙは寸法数値）とすれば、式（４）が成り立つ。
深さＤ１０ ＜ 深さＤ１１ … 式（２）
幅Ｗ１０ ＜ 幅Ｗ１１ … 式（３）
Ｃｘ ＜ Ｃｙ … 式（４）

ディスク補修体１０Ａと耳板１１を突き合わせて溶接すると、開先Ｇ１０及び開先Ｇ１１に形成される溶接金属ＷＭの内部に溶接欠陥が発生し得る。
このとき、図５（ｂ）に示される比較例のように、深さＤ１０と深さＤ１１が等しく、かつ、幅Ｗ１０と幅Ｗ１１が等しければ、ルート面Ｒ１０とルート面Ｒ１１の突合面で特定される境界線Ｂを境にして、ディスク補修体１０Ａの開先Ｇ１０の側の溶接金属ＷＭ１０と耳板１１の開先Ｇ１１の側の溶接金属ＷＭ１１の量は等しい。したがって、溶接欠陥が溶接金属ＷＭ１０と溶接金属ＷＭ１１のそれぞれに生ずる確率は等しいものとみなすことができる。
一方で、図５（ａ）に示される本実施形態のように、深さＤ１０より深さＤ１１より深く、かつ、幅Ｗ１０より幅Ｗ１１よりも広ければ、境界線Ｂを境にして、ディスク補修体１０Ａの開先Ｇ１０の側の溶接金属ＷＭ１０よりも耳板１１の開先Ｇ１１の側の溶接金属ＷＭ１１の量が多くなる。したがって、溶接欠陥が生ずる確率は、溶接金属ＷＭ１０より溶接金属ＷＭ１１の方が高くなる。

以上のように、本実施形態は、発生し得る溶接欠陥を耳板１１の側に誘導することで、ディスク補修体１０Ａの側に生ずる溶接欠陥を抑制する。そして、耳板１１は、肉盛溶接による溶接金属ＷＭ１１とともに取り除かれるので、溶接欠陥を含んでいても、ディスク補修体１０Ａの性能に影響を与えることはない。

本実施形態に従って溶接欠陥を耳板１１の側に誘導したとしても、ディスク補修体１０Ａの側の溶接欠陥を完全になくすことはできないこともある。この場合には、図６（ａ）に示すように、開先Ｇ１０を含むディスク補修体１０Ａの側面の所定領域を切削、研削などの機械加工により切除して、括れ１７を設けることができる。機械加工をすることは手間ではあるものの、本実施形態の場合には、生ずる溶接欠陥のサイズも小さく、また、ディスク補修体１０Ａの側面からの深さが浅いので、機械加工の負担を最小限に抑えることができる。また、括れ１７を設けると肉盛溶接後のロータディスク１０の機械的な強度を低くすることになるものの、括れ１７はロータディスク１０の回転軸１４から離れているために、回転動作により括れ１７の部分に生ずる負荷は小さいので、ロータディスク１０の機能を低下させるおそれはない。

次に、図５（ａ）を用いて説明した実施形態は、ディスク補修体１０Ａにも開先Ｇ１０を設けたが、溶接欠陥を耳板１１の側の溶接金属ＷＭ１１に誘導するという本実施形態の趣旨は、図６（ｂ）のようにディスク補修体１０Ａに開先Ｇ１０を設けずに、耳板１１の側だけに開先Ｇ１１を設ける形態にも有効である。この形態の場合には、ディスク補修体１０Ａの側には溶接金属ＷＭが存在しないものとみなせるので、溶接欠陥が発生する可能性を摘むことができる。ただし、溶接による接合強度は、ディスク補修体１０Ａにも開先Ｇ１１を設ける方が勝るので、ディスク補修体１０Ａの側にも開先Ｇ１０を設けることが好ましい。
なお、ディスク補修体１０Ａに開先Ｇ１０を設けない形態は、深さＤ１０及び幅Ｗ１０がともにゼロである。

また、図５（ａ）を用いて説明した実施形態は、溶接施工面１５をなすディスク補修体１０Ａの外周面と耳板１１の外周面が面一とされている。しかし、本発明の溶接欠陥の誘導という効果は、図６（ｃ）に示すように、ディスク補修体１０Ａの外周面と耳板１１の外周面の径方向における位置が相違しても得ることができる。

また、図５（ａ）を用いて説明した実施形態は、深さＤ１０より深さＤ１１が深く、かつ、幅Ｗ１０より幅Ｗ１１が広い例について述べたが、前述したように、溶接欠陥の誘導は、ディスク補修体１０Ａの側の溶接金属ＷＭ１０と耳板１１の側の溶接金属ＷＭ１１の量によりなしうるものである。したがって、溶接欠陥の誘導は、耳板１１の側の開先Ｇ１１の深さ及び幅の両者が大きい場合だけに限るものではない。
つまり、図７に示すように、開先Ｇ１０の深さＤ１０と開先Ｇ１１の深さＤ１１が同じであっても、ディスク補修体１０Ａの側の開先Ｇ１０の幅Ｗ１０よりも、耳板１１の側の開先Ｇ１１の幅Ｗ１１を大きくしてもよい。そうすれば、ディスク補修体１０Ａの開先Ｇ１０の側の溶接金属ＷＭ１０よりも耳板１１の開先Ｇ１１の側の溶接金属ＷＭ１１の量を多くできるので、溶接欠陥を溶接金属ＷＭ１１の側に誘導できる。

以上の例をまとめると、ディスク補修体１０Ａの回転軸１４を通る縦断面において、ディスク補修体１０Ａの開先Ｇ１１が占有する面積Ａ１０よりも耳板１１の開先Ｇ１１が占有する面積Ａ１１を大きくする、つまり下記の式（１）が成り立つことにより、溶接欠陥を開先Ｇ１１の側の溶接金属ＷＭ１１の側に誘導できる。これにより、耳板１１を取り除いた後のロータディスク１０の側面に残る溶接欠陥を抑制することができる。
Ａ１０ ＜ Ａ１１ … 式（１）

そして、ロータディスク１０の開先Ｇ１１が占有する面積Ａ１０よりも耳板１１の開先Ｇ１１が占有する面積Ａ１１を大きくするには以下のいくつかの形態があり、いずれであっても、溶接欠陥を開先Ｇ１１の側の溶接金属ＷＭ１１に誘導できる。

第１形態（図５，図６（ｂ））
深さＤ１０ ＜ 深さＤ１１ 幅Ｗ１０ ＜ 幅Ｗ１１ （深さＤ１０＝幅Ｗ１０＝０ を含む）
Ｄ１０×Ｗ１０ ＜ Ｄ１１×Ｗ１１
第２形態：(図７)
深さＤ１０ ＝ 深さＤ１１ 幅Ｗ１０ ＜ 幅Ｗ１１
Ｄ１０×Ｗ１０ ＜ Ｄ１１×Ｗ１１

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることができる。
本実施形態は、ロータディスク１０と耳板１１を対象に説明したが、本発明は、第一部材に対して開先を用いる溶接により一時的に第二部材を取り付け、その後に所定の処理を施してから第二部材を取り除く種々の用途に適用することができる。

また、ロータディスク１０及び耳板１１を対象とする場合に、耳板１１を取り付けた後の肉盛溶接はサブマージドアーク溶接が好ましいが、本発明が後の溶接方法を限定することはなく、他の溶接方法、例えばＴＩＧ溶接を採用することもできる。

１０ ロータディスク
１０Ａ ディスク補修体
１１ 耳板
１２ 翼溝
１３ 補修部
１４ 回転軸
１５ 溶接施工面
２０ ホッパ
Ｆ フラックス
Ｇ１０ 開先
Ｇ１１ 開先
Ｒ１０ ルート面
Ｒ１１ ルート面
ＷＭ 溶接金属
ＷＭ１０ 溶接金属
ＷＭ１１ 溶接金属

Claims (6)

1. 外周部に翼溝が形成されているタービンロータディスクの、前記外周部に生じた欠陥部を除去してから前記翼溝を再形成するタービンロータディスクの補修方法であって、
   回転軸が水平に支持された前記タービンロータディスクから前記欠陥部を含む領域を除去してディスク補修体を形成する欠陥除去工程と、
   前記ディスク補修体の外周縁に沿って溶接により耳板を円環状に接合する耳板取付け工程と、
   前記回転軸を中心に前記ディスク補修体を回転させながら、溶接施工面に肉盛溶接する肉盛り工程と、
   前記肉盛溶接の余肉及び前記耳板を前記ディスク補修体から取り除く端材除去工程と、を備え、
   前記ディスク補修体は、第一開先と、前記第一開先に連なる第一ルート面と、を有し、
   前記耳板は、第二開先と、前記第二開先に連なる第二ルート面と、を有し、
   前記耳板取付け工程において、前記第一ルート面と前記第二ルート面を突き合わせて、前記第一開先及び前記第二開先を介して溶接するに際し、
   前記回転軸を通る縦断面において、
   前記第一開先が占有する領域の面積をＡ１０とし、前記第二開先が占有する領域の面積をＡ１１とすると、Ａ１０ ＜ Ａ１１ … 式（１）が成り立つ、
   ことを特徴とするタービンロータディスクの補修方法。
2. 前記第一開先が占有する前記領域は、深さＤ１０と幅Ｗ１０により特定され、
   前記第二開先が占有する前記領域は、深さＤ１１と幅Ｗ１１により特定され、
   深さＤ１０ ＜ 深さＤ１１ … 式（２）、及び、
   幅Ｗ１０ ＜ 幅Ｗ１１ … 式（３）の一方又は双方が成り立つことで、前記式（１）が成り立つ、
   請求項１に記載のタービンロータディスクの補修方法。
3. 前記第一開先がＣ形の面取りＣｘ（ただし、ｘは寸法数値）からなり、
   前記第二開先がＣ形の面取りＣｙ（ただし、ｙは寸法数値）からなり、
   Ｃｘ ＜ Ｃｙ … 式（４）が成り立つことで、前記式（１）が成り立つ、
   請求項１に記載のタービンロータディスクの補修方法。
4. 深さＤ１０ ＝ 幅Ｗ１０ ＝ ０（ゼロ）である、
   請求項２に記載のタービンロータディスクの補修方法。
5. 前記ディスク補修体と前記耳板により面一の前記溶接施工面が形成される、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のタービンロータディスクの補修方法。
6. 前記肉盛り工程の後に、
   前記ディスク補修体と前記肉盛溶接との境界を含む、径方向の所定領域を円周方向に切除する、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のタービンロータディスクの補修方法。

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