KR100243550B1 - 증기 터빈 로터 디스크 및 증기 터빈 로터 제조 방법 - Google Patents

증기 터빈 로터 디스크 및 증기 터빈 로터 제조 방법 Download PDF

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Abstract

등급별 적층 용접물을 갖는 증기 터어빈 로터
증기 터어빈 로터 디스크는 중량비로 6% 이하의 합금성분을 갖는 저합금 제1철 모재금속을 포함하며, 링부재상에 적층되는 등급별 적층 제1철 레이어로 쌓아올려지며, 상기 레이어는 증가되는 중량비의 Cr-함유 레이어 물질을 가진다. 본 발명의 등급별 적층 레이어상에 배치되는 것은 Cr-함유 스티플합금(스테인리스 스틸)으로서, 이는 터어빈 로터 디스크의 스티플부분의 수명을 최대한 활용할 수 있도록 한다.

Description

증기 터빈 로터 디스크 및 증기 터빈 로터 제조 방법
제1도는 점진적 조성변이 층의 용접부를 거쳐 용접된 스티플 영역에 결합된 저합금강 링부분을 도시하는 본 발명에 따른 로터 실시예의 단면도.
제2도는 그 위에 점진적 조성변이 층의 용접부를 가지며, 별개의 용접부에 의해 스티플 영역에 결합되는 링부재를 도시하는, 본 발명의 또 다른 로터 실시예의 단면도.
제3도는 스티플 영역 및 점진적 조성변이 층으로 구성된 스티플의 일부를 도시하며, 각각 다른 3가지 방식으로 가공된 로터 실시예의 부분 측단면도.
제4도는 마모 및 부식으로부터 디스크를 보호하기 위해서, 점진적 조성변이층 용접부가 계단식 층으로 디스크상에 연장되는 방식을 도시하는 또 다른 로터 실시예의 부분 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 비금속 12 : 점진적 조성변이 층 용접부
14 : 스티플 합금 16 : 결합 용접부
18 : 용접부 20 : 가공된 스티플
22. 비합금
본 발명은 증기 동력 플랜트(steam power plants)에서 사용되는 터빈 및 발전기 구성요소에 관한 것으로서, 특히 그 유효 수명을 증가시키기 위해 저합금강의 디스크 및 로터를 제조 및 보수하는 방법에 관한 것이다.
증기 터빈 및 발전기 로터는 통상 저합금강으로 제조되며 다수개의 돌출 스티플(steeple)을 포함하는 바, 상기 스티플은 블레이드를 지지하기 위해서 로터의 디스크 부분 주위에 원주 방향을 따라 배치된다. 작동중에, 이들 스티플은 증기로부터 발생된 부식체로 인해 부식되며, 터빈 주위의 증기 및 파편(debris)으로 인해 침식 또는 마모될 수 있다. 이런 손상 메카니즘은 때때로 스티플과, 주위 디스크면에 오목 자국(pitting) 및 균열 또는 실질적인 금속의 약화를 나타내며, 전체 터빈 로터에 손상을 입혀 운전자에게 비용면에서 막대한 손해를 주게 된다.
개량된 합금 및 저열 입력 용접 기법과 같은, 최근의 용접 기술의 진보로 인해 저합금 터빈 로터는 새로운 스티플이 용접부로 가공될 수도 있도록 개조될 수 있다. 미국 플로리다주 올랜도 소재의 웨스팅하우스 일렉트릭 코포레이션 파워 제너레이션에 의해 출판된, 클라크 등의 저압 증기 터빈 로터의 용접수리 실무(Experiances with Weld Repair of Low Pressure Steam Turbine Rotors), 제 47회 미국 전력회의(일리노이주 시카고) 및 클라크 등의 고압 로터 용접 수리 기술의 발전(Development of the Technigues for High Pressure Rotor Weld Repair), 웨스팅 하우스-미쯔비시 기술 세미나(일본, 다까사꼬, 1987년 7월)를 참조하기 바란다. 이런 유용한 방법들이 로터의 손상으로 인한 비용을 절감하도록 설계되었지만, 본래 로터에 오목 자국 및 균열을 발생시키는 것과 똑같은 조건이 적용되는 경우, 저합금 용접부로 개조된 스티플른 부식 및 마모 수명에 있어 거의 또는 전혀 향상되지 않는다.
기술자들은 또한 로터의 결함 부분을 깎아내고 새로운 로터부분을 용접함으로써 로터를 수리해 왔다(미국 특허 제 4,633,554 호 참조). 또한 이런 방법들은, 수리된 로터의 부식 및 마모 성능을 본질적으로 향상시키지 못하며, 마찬가지로 고가의 수리 비용을 초래하게 된다.
또한 경성 스텔라이트 피복물(Hard STELLITE coatings)은 플라즈마 이송 아크 용접 기술(plasma transferred arc welding technology)을 이용하여 터빈 로터에 도포된다[써마테크 리뷰(Sematech Review), "상업용 터빈 수리방법(New Services for Industrial Trubines)" 제31호(1989년 겨울) 참조]. 플라즈마 시스템내에서 분말을 용융시키면, 터빈 로터 디스크에 강고한 야금결합이 가해질 수 있으며, 이러한 터빈 로터 디스크는 열 가스/고체 입자에 대하여 허용 내식성을 갖게 된다. 이런 기술은 어느 정도의 부식을 감소시킬 수 있지만, 피복이 벗겨진 영역에서는, 특히 선택적인 부식이 발생한다. 이와 같은 노출 영역에서의 부식은 전혀 피복되지 않은 로터의 표면에서 생기는 부식보다 더욱 심하게 진행되는 것이 일반적이다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 터빈 환경에서 오목 자국 및 균열을 저지할 수 있는 수명이 긴 로터를 저렴한 비용으로 제조하는데 있다.
이러한 목적에 따라, 본 발명은 Cr, Mo 및 V를 포함한 약 6 중량% 이하의 합금성분을 갖는 저합금강으로 이루어진 링 부재를 포함하는 증기 터빈 로터 디스크에 관한 것으로서, 상기 링 부재상에 배치되고 중량비가 증가하는 스테인레스강을 함유한 점진적 조성변이 층(graded layers)의 용접부와, 상기 점진적 조성변이층 용접부상에 배치된 Cr-함유 스티플 합금을 함유하는 스티플 영역을 포함하며, 상기 링 부재와 상기 스티플 영역 사이의 부식을 최소화하기 위해 1.25cm 이상의 두께를 갖는다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명을 보게 되면, 본 발명이 보다 명료하게 이해될 것이다.
본 발명은 증기 터빈 및 발전기 구성요소, 특히, 약 6 중량% 이하의 Cr, Mo 및 V을 함유한 합금 성분을 갖는 저합금 제1철 비금속(base metal)으로 이루어진 로터의 디스크 부분의 수명을 연장시키는 것에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 다수의 층으로 된 용접부를 갖는 점진적 조성변이 제1철 층이 상기 디스크의 링 부재상에 배치되며, 상기 다수의 층에는 Cr-함유 층형성 금속의 중량비가 증가하게 배치된다. 상기 점진적 조성변이 제1철 층상에는 스티플(steeple) 영역이 배치되며, 상기 스티플 영역은 Cr-함유 스티플 합금을 포함하여 상기 스티플 영역의 수명 연장 특성을 최대한 활용한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 증기 터빈 로터에는 저합금강으로 이루어진 링 부재가 제공되며, 상기 저합금강은 Cr, Mo 및 V을 포함한 약 6 중량% 이하의 합금 성분을 가진다. 상기 로터는 상기 링 부재상에 배치되는 점진적 조성변이 층들의 용접부를 더 포함하며, 상기 점진적 조성변이 층의 용접부는 중량비가 증가하는 스테인레스강을 포함한다. 이런 층상에 Cr-함유 스티플 합금을 함유하는 스티플 영역이 배치된다. 본 실시예에 따른 점진적 조성변이 층은 약 1.25cm 이상의 두께를 가짐으로써 각기 다른 합금의 화학 작용으로 인한 상기 링 부재와 스티플 영역 사이의 부식을 최소화한다.
본 발명은 또한 증기 터빈 로터의 제조 방법을 제공하여 로터의 스티플 영역의 수명 연장 특성을 최대한 활용하는 바, 이는 Cr, Mo 및 V을 포함한 약 6 중량% 이하의 합금 성분을 갖는 저합금 제1철 비금속으로 이루어진 링 부재를 제공함으로써 수행된다. 상기 방법은 점진적 조성변이 제1철 층을 링 부재상에 배치시키는 단계를 포함한다. 본 방법에 따른 점진적 조성변이 층은 자체내에 배치되는 다수의 층으로 된 용접부를 포함하는데, 상기 용접부 층은 중량비가 증가되는 Cr-함유 금속층을 갖는다. Cr-함유 스티플 물질을 포함하는 스티플 영역은 점진적 조성변이 층상에 배치되어 성형 마무리 가공된다.
도면중 특히, 제1도를 참조하면, 약 6 중량% 이하의 합금 요소를 갖는 저합금강으로 제조된 대형 증기 터빈 로터의 디스크부의 단면도가 도시되어 있다. 저압 증기 터빈 로터 및 발전기 로터에 사용되는 대표적인 합금으로는 이하의 도표 1에 요약된 것과 같은 것들이 있다.
[표 1]
바람직한 공정에 있어서, 상기 링 부재는 비금속(10)으로 제조된 직경이 감소된 디스크가 양호하다. 본 발명의 바람직한 제1철 점진적 조성변이 층의 용접부(12)를 형성하기 위해, 표 1에 나타난 것과 같은 로터 재료의 용가재(filler metal)로 용접이 시작된다. 1회 진행(pass) 후에, 약 1 중량% 이상, 바람직하게는 약 3 중량% 이상의 Cr 함유 층형성 금속, 바람직하게는 오스테나이트 스테인레스강이 용가재에 추가된다. 2회 진행 후에, 또 다른 미소 중량%의 Cr 함유 층형성 금속 또는 스테인레스강이 용가재에 추가된다. 각각의 진행을 연속적으로 하여, Cr 함유 층형성 금속 또는 스테인레스강의 비율이 바람직하게는 상기 용가재가 100 중량%의 Cr-함유 금속 또는 스테인레스강으로 이루어질 때까지 증가된다. 또한 점진적 조성변이 용접부(12)의 층형성 금속은 적어도 약 2 중량%의 Cr을 함유하여 내마모성을 향상시키며, 적어도 12 중량%의 Cr을 함유하여 스티플(20)의 내부식성을 향상시키는 것이 바람직하다. 다른 적합한 내부식성 스테인레스강이 이러한 목적에 적합하게 사용될 수도 있겠지만, 본 발명과 관련하여 유용하고 대표적인 오스테나이트 스테인레스강 조성이 이하의 표 2에 나타나 있다.
[표 2]
고온 및 저온 합금 로터 또는 발전기 로터의 용접 수리 또는 주문자 상표에 의한 생산이 본 발명에 의해 성취될 수 있다. 스테인레스강-저합금강의 혼합물은, 각각의 용접 진행이 선행 용접 진행과 단지 미세하게 상이하도록 2종 충전 와이어의 상대적 공급율을 변화시킴에 의한 연속적인 변동 비율로 2종 충전 와이어를 혼합시킴으로써 용접될 수 있다. 본 발명의 바람직한 준연속적 변화(quasi-continuous variation)에 있어서, 일정한 횟수의 용접이 행해진 후 인덱싱(indexing)함으로써 일 집단의 충전 와이어들이 사용될 수 있을 것이다. 조성이 점진적으로 변한다는 점에서 볼 때, 조성 단계의 크기가 작을 수록, 전기 화학적 셀을 최소로 하는 전체적인 효과가 더 좋게 된다.
본 발명의 목적에 적합한 용접 기술로는 협소 간극 아크 용접, 가스 금속 아크 용접, 잠수 아크 용접 및 가스 텅스텐 아크 용접 방법을 들 수 있다. 바람직한 용접 방법은 가스 텅스텐 아크 용접법인데, 이는 진행간 온도를 제어할 수 있으며, 비교적 결함이 없는 용접부를 제공할 수 있기 때문이다. 이러한 관점에서, 이하에 설명되는 가스-텅스텐-아크 용접법(GTAW 또는 TIG)의 용접 순서가 본 발명에 따른 점진적 조성변이 층 및/또는 스티플 영역을 적층시키기에 가장 바람직하다.
[표 3]
티. 비. 제퍼슨(T.B. Jefferson) 및 지. 우즈(G. Woods)의 "금속 및 금속 용접법(Metals and How to weld Them)", 제임스 에프. 링컨 아크 웰딩 파운데이션, 2판(1983)과 금속 핸드북(Metals Handbook), 제6권, "웰딩, 브레이징 및 솔더링(Welding, Brazing and soldering)", 9판 ASM(1983)가 참조되었다.
제1도에 도시된 바람직한 실시예에 있어서, 스테인레스강 "스티플 영역", 즉, 하나 또는 그 이상의 스티플을 포함하는 로터 디스크의 일반적 영역은 제3도의 스티플 형상(24)에 도시된 바와 같이, 조성이 점진적으로 변하는 용접부(12)에 용접된 용접 형성부이므로, 상기 조성이 점진적으로 변하는 용접부(12)는 최종 가공된 스티플(20)내로 연장된다. 스티플(24)에 있어서, 스티플 합금(14)은 비금속(10)에 비해 대등하거나 또는 우수한 기계적 특성을 갖는다. 용접의 단순성은 본 실시예에서의 원형 용접 형상에 의해 최적화된다. 비금속(10)이 스티플 합금(14) 보다도 어느 정도 우수한 야금 특성을 가지는 경우, 스티플 형상(26)이 보다 적절한 선택일 수도 있다. 이런 형상에 있어서, 비금속(10)이 스티플내로 연장되고 점진적 조성변이 용접부(12)가 더 얇게 되어 긴 길이에 걸쳐 내부식성을 제공하는 능력이 어느 정도 감소된다. 스티플 합금의 야금 특성이 비금속(10)의 특성에 비해 대체로 불량한 경우, 스티플 형상(28)으로 도시된 바와 같이, 점진적 조성변이 용접부(12)를 더욱 얇게 만드는 것이 보다 적절하게 될 수도 있다. 이 실시예에 있어서, 점진적 조성변이 용접부(12)는 가공된 스티플(20)의 최종 치수의 형상과 대체로 일치하게 된다.
제2도에 도시된 바와 같은, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 벌크(bulk) 합금형 스테인레스강 스티플 합금(14)은 결합 용접부(16)에 의해 점진적 조성변이 용접부(12)에 결합된다. 각각의 상기 실시예에 있어서, 스티플 합금(14)을 결합시키기 전에, 점진적 조성변이 용접부(12)는 양호한 출발형상으로 형성될 수 있다.
적당한 내부식성을 제공하기 위해, 점진적 조성변이 층 용접부의 "두께ℓ)"는 1.25 cm 이상이어야 하며, 저합금 링 부재(10)를 바람직한 스테인레스강 스티플영역(14)으로부터 분리시키기 위해 약 2.5 cm 이상인 것이 바람직하다는 것을 주목해야 한다. 점진적 조성변이 용접부(12)의 두께가 너무 작으면, 작은 물방울, 즉 부식 셀이 조성물의 넓은 범위에 퍼져 부식상태를 발전시키기 쉽다.
제4도를 참조하면, 임계 영역내의 로터 디스크의 본체를 보호함으로써 부식을 감소시키는 "계단식" 구조가 도시되어 있다. 각각의 용접부는 각기 상이한 농도의 Cr-함유 층형성 합금 또는 스테인레스강을 포함하고, 계단식으로 종단되어, 스테인레스강 스티플 합금(14)으로부터 저합금 비금속(10)까지의 거리를 증가시킬 수 있다. 계단형 부재(18)는 노출된 비합금(22)으로부터 스테인레스강 스티플 합금(14)까지의 거리가 최대 집수영역(water region)보다 길도록 충분히 길어야 한다. 점진적 조성변이 피복물의 두께는 결정적으로 중요하지 않지만, 제3도에 도시된 바와 같이, 저합금 링 부재를 완전히 피복하는 것이 바람직하다. 이런 실시예에 있어서, 스테인레스강 최종층이 보다 쉽게 부식되는 하부 층에 적층될 수 있으며, 관통이 없는 경미한 표면 손상을 제공하도록 하부층 보다 두꺼워야 한다.
변형예로서, 저합금 링 부재(10)의 하부는 하나, 또는 가능한 두세겹의 고농도 스테인레스강 층으로 피복되어 보호 피복재를 형성할 수 있다. 이런 층 구조는 제조하기는 쉽지만, 스테인레스강 피복층이 관통되는 경우 더욱 부식이 쉽게 될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 최적의 마모 특성을 갖는 스티플 영역을 증기터빈 및 발전기 로터의 디스크에 피복시키기 위한 향상된 수리 방법 및 주문자 상표에 의한 생산 공정을 제공한다. 본 명세서에 개시된 용접 기술은 국부적 부식을 최소화하도록 스테인레스강 스티플 영역과 저합금 로터 부분 사이에 점진적인 조성변이를 발생시킨다.

Claims (7)

  1. Cr, Mo 및 V를 포함한 약 6 중량% 이하의 합금 성분을 갖는 저합금강으로 이루어진 링 부재를 포함하는 증기 터빈 로터 디스크에 있어서, 상기 링 부재상에 배치되고 그 내에 함유된 스테인레스강의 중량비가 증가하는 점진적 조성변이 층의 용접부(graded layers of weldments)와, 상기 점진적 조성변이 층들의 용접부상에 배치된 Cr-함유 스티플 합금(steeple alloy)을 함유한 스티플 영역을 포함하며, 상기 점진적 조성변이 층들은 상기 링 부재와 상기 스티플 영역 사이의 부식을 최소화하기 위해 1.25 cm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 디스크.
  2. 증기 터빈 로터의 스티플 영역의 수명 연장 특성을 최적화하기 위한 증기 터빈 로터의 제조 방법에 있어서, Cr, Mo 및 V를 포함한 약 6 중량% 이하의 합금 성분을 갖는 저합금 제1철비금속(a low alloy ferrous base metal)으로 이루어진 링 부재상에, 점진적 조성변이 제1철층을 배치하는 단계로서, 상기 점진적 조성변이 제1철 층은 Cr-함유 층형성 물질의 중량비가 증가하는 다수의 층으로 된 용접부를 구비하는 단계와, Cr-함유 스티플 물질을 포함하는 스티플 영역을 상기 점진적 조성변이 층상에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비금속은 Ni 을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 점진적 조성변이 층은 스테인레스강을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다수의 층으로 된 용접부는 가스 텅스텐 아크 용접법으로 도포되는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 제조 방법.
  6. 제2항 내지 5항중 어느 한 항에 있어서, 1 중량% 이상의 스테인레스강 중량비의 차이를 갖는 연속적인 용접부를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연속적인 용접부는 적어도 3 중량%의 스테인레스강 중량비의 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 증기 터빈 로터 제조 방법.
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