KR100719271B1 - 증기터빈로터보수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 터빈 로터의 림을 보수하기 위한 방법과, 그러한 로터를 보수하기 위한 용접재에 관한 것이다. 상기 방법은 일반적으로 손상된 림과 그에 연관된 도브테일 영역을 제거하여 림 부분의 원주에 소정의 표면을 형성하는 단계를 포함한다. 그런 다음, 그 표면에는 상기 림부와 도브테일 영역을 완전히 용접 보수 영역으로 재구성하도록 가공되는 용접 보수 영역이 형성된다. 그런 다음, 림부는 적절하게 배열된 블레이드가 도브테일 영역에 의해 고정된다. 본 방법은 구체적으로, NiCrMoV 합금, NiMoV 합금, CrMoV 합금 등의 합금강제(製) 로터의 보수를 목적으로 한 것이며, 한편으로 용접 보수재로는 넓은 온도 범위에 걸쳐 상기의 보수 방법 및 상기 합금강에 적합한 기계적 열적 특성을 갖는 니켈기 초합금으로 형성된다.

Description

증기 터빈 로터 보수 방법 {METHOD OF REPAIRING A STEAM TURBINE ROTOR}

본 발명은 증기 터빈 로터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 블레이드[버킷(bucket)]가 장착되는 증기 터빈 로터를 보수하는 방법에 관한 것으로, 그 방법은 로터의 베이스 재료와 다른 재료로 림을 재구성하는 용접 및 기계 가공공정을 수반한다.

증기 터빈은 일반적으로 상호 결합되어 있는 복수 개의 로터를 포함하며, 그 각각의 로터는 휠이 일체로 성형된 샤프트를 포함하며, 상기 휠의 원주, 즉 림에는 복수 개의 블레이드(버킷)가 장착되어 있다. 블레이드를 로터에 고정하기 위한 종래의 기법은 림의 단면을 도브테일(dovetail) 형상으로 형성하는 것으로, 이때 각 블레이드의 루트(root) 부분은 블레이드가 로터에 고정되도록 상기 림의 도브테일 영역과 상호 체결되는 상보적인 도브테일 특징부로 형성되어 있다.

증기 터빈 로터는 열적으로 가혹한 환경하에서 높은 회전 속도로 동작하여야 하기 때문에, 로터재는 부분적으로 크리프 파괴 강도를 근거로 하여 선택되었다. 이러한 이유로, 종래 기술에서는 증기 터빈에 있어서 고압의 제1단과 제1단에서 재열되는 터빈 로터용 로터재로서 CrMoV 합금강과 마르텐사이트계 스테인리스 합금강이 선호되었고, 증기 터빈의 저압 로터로는 NiCrMoV와 NiMoV의 저합금강이 선호되었다. 비록, 이러한 합금들로 제조된 로터들이 장시간의 사용 수명을 나타내기는 하였지만, 마모, 침식, 부식, 충격, 피로 및/또는 과도한 응력이 발생하여 로터의 보수나 교체를 필요로 하는 경우가 있을 수 있다. 또한, 로터 림의 도브테일 영역은 심각한 부식 환경이나 혹은 다소 약한 부식 요소에 장시간 노출되는 것과, 높은 응력이 복합되어 발생하는 응력 부식 균열의 영향하에 놓여질 수 있다. 도브테일 영역에서는 림이 보다 높은 응력을 받아 발생되는 균열이 특히 발생하기 쉽다.

종래의 경우, 림의 도브테일 영역의 보수는 림의 손상된 부위를 제거하고 그 자리에 강제(鋼製) 용접부를 구성하는 용접을 통해 수행되었다. 여러 가지 경우에 있어, 그와 같은 보수에는 특히, 로터의 작동 온도가 약 500℃(약 950℉)를 초과하는 경우에 용접 합금이나 용접 공정이 제한되기 때문에 소정의 특성을 양보하는 것이 필요하다. 예를 들면, CrMo와 같이 종래 기술에서 통상 사용된 합금으로 제조된 용접부는 로터에 사용되는 CrMoV기 합금보다 낮은 파괴 강도를 나타낸다. CrMoV 합금을 사용한 보수를 통해 용접부는 실온에서의 강도가 향상되지만, 보다 높은 온도에서는 상기 합금으로 제조된 용접부의 파괴 강도가 감소하기 때문에 강도는 한계에 가까워진다. 강의 보수재는 보다 높은 파괴 강도를 제공할 수 있다는 이점이 있지만, 그러한 개선점들은 인성의 저하(취성화)를 수반한다. 더욱이, 강의 보수재를 사용한 종래의 기술에서는 일반적으로 상당한 예열, 수분 조절, 용접후 응력 제거 공정이 필요하였다.

마지막으로, 로터를 구성하는 원래 합금강과 유사한 특성을 갖도록 개선시키는 데 일반적으로 필요한 전면적 노멀라이징 및 템퍼링 열처리에 의해, 로터의 정밀한 치수는 바람직하지 않게 변경되기도 한다. 바람직한 기계적 특성 및 환경적 특성을 갖는 다른 합금들은 종종 로터의 베이스 재료에 부적합하다. 예를 들면, 가버(Gaber) 등에게 허여된 미국 특허 제4,710,103호와 클라크(Clark) 등에게 허여된 미국 특허 제4,897,519호, 제4,958,431호에 개시된 마르텐사이트계 크롬 스테인리스강은 CrMoV 베이스 재료와는 크게 상이한 평균 열팽창 계수를 나타낸다(예를 들면, 540℃에서 CrMoV 강의 열팽창 계수는 약 14.4 × 10^-6/℃ 인데 비해, 12Cr 강의 열팽창 계수는 약 11.6 × 10^-6/℃를 나타냄). 결국, 그러한 재료를 사용하여 행해진 보수는 열적 피로가 발생하기 쉽다.

따라서, 종래의 로터재에 적합할 뿐만 아니라 그 로터재에 최소한 동등하거나 바람직하게는 보다 우수한 기계적, 열적 및 환경적 특성을 갖고 있는 보수재를 채용하여 비교적 복잡하지 않은 공정으로 수행되는 증기 터빈 로터 보수 방법이 요구된다.

본 발명의 목적은 증기 터빈 로터, 특히 증기 터빈 로터의 림의 도브테일 영역을 보수하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 증기 터빈 로터의 보수에 적합하며 공지의 복잡하지 않은 용접 기술을 사용하는 보수 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 로터 베이스재의 기계적 특성 및 환경적 특성과 유사하거나 그보다 우수한 기계적, 환경적 특성을 나타내는 용접재를 채용하는 보수 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 장시간의 사용 수명을 나타내게 될 보수가 이루어지도록 로터의 베이스재에 적합한 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이들 목적과 다른 목적 및 이점들은 다음과 같이 성취된다.

본 발명에 따르면, 일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강과 CrMoV 강 등의 합금강으로 제조된 증기 터빈 로터의 림 부분을 보수하기 위한 방법과, 그러한 로터의 보수를 위한 용접재가 제공된다. 그러한 방법은 복잡하거나 비교적 고비용의 작업 기법을 필요로 하지 않으며, 로터의 베이스재의 기계적 환경적 특성과 유사한 기계적 환경적 특성을 나타내는 재구성된 림을 구비하는 로터로 보수되도록 한다. 본 발명에 따르면, 상기의 방법이 합금강 로터의 보수를 위한 것이지만, 그러한 방법에 사용되는 적합한 보수재로는 소정의 니켈기 초합금이 있다.

본 발명의 방법은 일반적으로 림 부분과 그에 연관된 도브테일 영역과 같은 로터의 손상 부위를 제거하여 림 부분의 원주에 표면을 형성하는 단계들을 포함한다. 그런 다음, 상기 원주의 표면에 니켈기 초합금 보수 용접부를 형성하고, 그리고 나서 용접부를 기계가공하여 전적으로 그 용접부에 의해 림 부분과 그 도브테일 영역을 재구성한다. 본원에 사용되는 바의 "용접부(weldment)"란 용어는 니켈기 초합금 용접재와, 그 니켈기 초합금 용접재와 함께 림 부분에 부착되어질 단조 링과 같은 임의의 추가 재료를 지칭한다. 상기 방법의 최종 단계는 적절하게 구성된 블레이드를 도브테일 영역을 통해 림부에 고정하는 것이다.

증기 터빈 로터의 림에서는 터빈의 일단부와 타단부 사이에서 온도, 응력, 증기 상태 등이 급격하게 변화함에 따라, 필요로 하는 파괴 강도, 인성, 내식성, 및 열팽창 계수 등이 변화하게 된다. 본 발명에 따르면, 적당한 니켈기 초합금은 열팽창 계수가 약 200-540℃ 의 온도 범위에 걸쳐 로터 합금강의 약 15% 이내이고, 실온의 극한 인장강도가 로터의 특정 설계 요건을 초과하여 일반적으로 적어도 약 690 MPa(약 100 ksi)인 것을 특징으로 한다. 도브테일 용접 보수재로서 특히 바람직한 마르텐사이트계 합금강, CrMoV 합금강, NiCrMoV 합금강 및 NiMoV 합금강으로는 인코넬 625 및 인코넬 725 합금이 있으나, 조건에 따라서는 인코넬 600 및 인코넬 718 합금도 바람직하거나 필요로 할 수 있음을 예견할 수 있다.

본 발명의 보수 방법은 일반적으로 실온에서 500℃ 이상까지의 넓은 온도 범위에 걸쳐 열적, 환경적 및 부하 상태가 혹독하고, 형상이 복잡한 로터의 영역에 서로 상이한 2개의 재료가 혼재하는 결과를 초래하지만, 그럼에도 상기 방법은 용접성, 야금 특성 및 열적 특성의 관점에서 합금강 로터에 적합한 보수를 제공하는 것으로 판명되었다. 본 발명에 따르면, 적합성은 용접 보수 구역에 인터페이스 영역이 생성됨으로써 향상될 수 있는데, 그 인터페이스 영역내에는 타입 II의 카바이드(carbide) 분산체가, 서로 상이한 용접재와 로터재 간의 용융선에 형성되어 있는 미소 카바이드들의 분산 배열체로서 존재한다.

본 발명에 따르면, 본 방법은 비용이 많이 소요되면서도 증기 터빈 로터의 보수에 적합하지 않는 용접 예열 및 용접후 응력 제거와 같은 광범위한 열처리를 요구하지 않고, 증기 터빈 로터의 보수에 적합한 공지의 비교적 덜 복잡한 용접 기술을 이용하여 실시될 수 있다. 또한, 상기 방법은, 로터 베이스재에 충분히 적합하면서도 로터 베이스재와 유사하거나 보다 우수한 기계적 환경적 특성을 나타내는 보수 용접부를 제공하여 장시간의 서비스 수명을 갖게 하는 보수가 이루어진다.

본 발명의 다른 목적들과 장점들은 다음의 상세한 설명을 통해 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 상기 장점들과 다른 장점들은 첨부된 도면을 참조로 한 다음의 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 보수한 증기 터빈 로터 조립체(10)의 한 가지 예를 나타낸다. 이 조립체(10)는 일반적으로 로터 샤프트(12)를 포함하며, 그 샤프트상에는 복수 개의 휠(14)이 장착되거나 혹은 일체로 형성된다. 각각의 휠(14)은 다수의 버킷 혹은 블레이드(도시 생략)를 고정하도록 되어 있다. 증기 터빈 내에서 상기 일련의 휠(14)은 고정 블레이드 혹은 노즐 사이에 복수의 단을 형성한다. 상기 조립체(10)를 통과하는 증기는 휠(14)상에서 일을 수행하고 그 일은 샤프트(12)를 통해 발전기와 같은 적절한 부하에 전달된다. 본 발명에 따르면, 샤프트(12)와 휠(14) 용으로 바람직한 소재로는 마르텐사이트계 스테인리스강과 같은 합금강과 NiCrMoV 합금, NiMoV 합금 및 CrMoV 합금 등이 있다. 특히 적합한 CrMoV 합금의 명목 조성은 약 1.20wt%의 크롬, 약 1.25wt%의 몰리브덴, 약 0.25wt%의 바나듐, 기타 소량의 다른 원소들로 이루어진다. 바람직한 합금강의 실온 인장강도는 적어도 약 690 MPa(약 100 ksi)이고 , 상기 CrMoV 합금의 실온 인장강도는 약 725 MPa(약 105 ksi)이다.

도 2는 본 발명에 따라 용접부(18)에 의해 보수된 휠(14)의 림부 단면도이다. 도시된 바와 같이, 용접부(18)는 기계가공되어 도브테일(20)을 재구성하며, 터빈 블레이드는 블레이드의 블레이드 루트부(22)에 형성된 도브테일 특징부(24)와 상기 도브테일(20)이 상호 맞물리는 것에 의해 도브테일(20)에 고정된다. 본 발명에 따르면, 용접부(18)로서 적합한 소재로는 휠(14)의 재료와 유사한 기계적·열적특성 즉, 예를 들면 적어도 약 690 MPa(약 100 ksi)의 극한 인장 강도(UTS)와 상기 휠(14) 재료의 열팽창 계수(CTE)의 약 15％ 이내인 니켈기 초합금이 있다. 전술한 CrMoV 합금에 있어, 용접부(18)의 바람직한 열팽창 계수 범위는 약 430℃(약 800℉)에서 약 13.7 × 10^-6/℃ ∼ 14.2 × 10^-6/℃ 이다. 다양한 니켈기 초합금들이 이러한 요건을 만족시키지만, 특히 바람직한 합금은 인코넬 625 및 인코넬 725 들이며, 이들 합금은 다음의 개략적인 명목 조성(중량%)과 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

적절하게 사용될 수 있는 기타의 니켈기 초합금으로는 인코넬 600 및 718 이 있고 그 조성은 당업계에 공지되어 있다.

본 발명의 바람직한 보수 방법은 도 2의 휠(14)에서 손상된 도브테일(도시생략)을 완전히 제거하여 도시된 바와 같이 림을 경계지우는 표면(16), 바람직하게는 원통형인 표면을 형성하는 단계를 수반하며, 용접부(18)는 상기 표면상에서 서브머지드 아크 용접(SAW; submerged arc welding)과 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW; gas tungsten arc welding) 등의 적당한 용접 기법을 이용하여 최초에 형성되며, 상기와 같은 용접 기법 이외에도 이미 당업계에 공지된 가스 금속 아크 용접, 차폐 금속 아크 용접 등의 다른 용접 기법들이 채용될 수 있음을 예견할 수 있다. 용접 과정은 상기 표면(16)에 바로 인접한 용접부(18)의 영역(26)이 타입 II의 카바이드가 분산된 희석조성물이 되도록 하는 방식으로 진행되는 것이 바람직하며, 상기 타입 II의 카바이드는 본 발명의 범위내에 있는 모든 용도에서 반드시 요구되는 것은 아님을 알 수 있다.

용접 작업에 이어서, 용접부(18)에 인접한 표면(16) 아래의 휠(14) 내에서 발현될 수 있는 열 영향부(HAZ)를 템퍼링 처리하기 위해 용접후 열처리를 실시할 수도 있다. 최종적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 도브테일(20)은 임의의 적절한 기계가공 기술에 의해 용접부(18)로부터 재구성된다. 별법으로서, 본원에 사용된 용어로서의 용접부(18)는 니켈기 초합금 용접재와 함께 휠(14)의 림에 부착되는 단조 링과 같은 재료를 더 포함할 수 있다. 기계가공 작업에 이어서, 상기 도브테일(20)과 블레이드(22)의 도브테일 특징부(24)가 상호 맞물림으로써 터빈 블레이드(22)가 휠(14)에 고정된다. 도시된 바와 같이, 도브테일(20)은 블레이드(22)의 도브테일 특징부(24)와 상보적인 형태의 불규칙한 웅형 구성부이다. 상기 도브테일(20,24)은 특정한 형상으로 도시되어 있지만, 당업자들은 다양한 형상을 취할 수 있음을 인식할 것이다.

이상의 설명을 통해, 본 발명의 보수 방법은 실온에서 500℃ 이상까지의 광범위한 온도 범위에 대해 열적, 환경적, 부하 조건이 혹독한 휠(14)의 림에서 2개의 상이한 재료를 야금 결합시키는 것임을 알 수 있을 것이다. 일반적으로, 상이한 재료를 사용함에 따른 어떠한 악영향도 도브테일(20 및 24)의 복잡한 형상에 의해 악화될 것이라고 추측할 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법은 휠(14)의 합금강과 접촉하는 영역(26)의 존재에 의해 진전되는 결과로서, 용접성, 야금학적 특성 및 열적 특성의 관점에서 휠(14)에 적합한 용접부(18)를 제공하는 것으로 판명되었다. 게다가, 최종적인 보수 용접부(18)과 도브테일(20)은, 휠(14)의 합금강 재료의 기계적 특성 및 환경적 특성과 유사하거나 그보다 우수한 특성을 나타내며, 또한 장시간의 사용 수명을 나타낼 수 있는 도브테일(20)을 제공하는 바람직한 합금강에 충분히 적합하다. 마지막으로, 본 발명의 중요한 이점 중 하나는, 본 발명의 상기 이점들은 용접 예열 및 용접후 응력 제거 처리와 같은 열처리를 필요로 하지 않고, 증기 터빈 로터의 보수에 사용될 수 있는 비교적 복잡하지 않은 공지의 용접 기법들로부터 달성된다는 점이다.

본 발명을 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 당업자라면 다른 형태의 실시예들을 채용할 수 있다는 것은 분명하다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구항에 의해서만 한정된다.

본 발명은 용접성, 야금학적 특성 및 열적 특성의 관점에서 휠(14)에 적합한 용접부(18)를 제공하고, 최종적인 보수 용접부(18)와 도브테일(20)은, 휠(14)의 합금강 재료의 기계적 환경적 특성에 유사하거나 보다 우수하면서도, 장시간의 사용 수명을 나타낼 수 있는 도브테일(20)을 제공하는 합금강에 적합하다. 또한, 본 발명의 상기 장점들은 전술한 일련의 열처리를 요구하지 않고, 증기 터빈 로터의 보수에 사용될 수 있는 비교적 복잡하지 않은 공지된 용접 기법들로부터 달성된다.

도 1은 당업계에 공지된 형태의 증기 터빈 로터 조립체의 측면도로서, 명쾌한 도시를 위해 로터의 림에는 블레이드가 도시되지 않은 도면이고,

도 2는 본 발명에 따라 보수된 증기 터빈 로터 림을 상세하게 도시한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 증기 터빈 로터 조립체

12 : 로터 샤프트

14 : 휠

16 : 표면

18 : 용접부

20 : 도브테일

22 : 터빈 블레이드의 루트

24 : 도브테일 특징부

Claims (10)

1. 합금강으로 이루어진 반경 방향 내측부와, 상기 내측부를 외접하는 반경 방향 외측 림부를 포함하는 터빈 로터로서,

   상기 림부는, 터빈 블레이드를 상기 림부에 고정하는 고정 수단을 구비하며, 또한 상기 림부는, 상기 림부를 상기 터빈 로터의 내측부에 접합시키는 니켈기 초합금 영역을 포함하는 용접부에 의해 형성되고,

   상기 니켈기 초합금의 실온 극한 인장강도는 690 MPa이상이며,

   상기 용접부의 극한 인장강도 및 열팽창 계수는 상기 로터를 구성하는 합금강의 극한 인장강도 및 열팽창 계수와 유사하거나 그보다 우수한 것인 터빈 로터.
2. 제1항에 있어서, 상기 니켈기 초합금의 열팽창 계수는 200 ∼ 540℃의 온도 범위에 걸쳐 합금강의 15% 이내인 것인 터빈 로터.
3. 제1항에 있어서, 상기 합금강은 NiCrMoV 합금, NiMoV 합금, CrMoV 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 합금인 것인 터빈 로터.
4. 제1항에 있어서, 상기 니켈기 초합금은 상기 합금강에 접하는 인터페이스 영역을 포함하며, 그 인터페이스 영역에는 타입 II의 카바이드 분산체가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 로터.
5. 제1항에 있어서, 상기 고정 수단에 의해 상기 림부에 고정되는 블레이드를 더 포함하는 것인 터빈 로터.
6. 제1항에 있어서, 상기 고정 수단은 상기 림부에서 반경 방향 외측으로 돌출하는 도브테일 영역인 것인 터빈 로터.
7. 제1항에 있어서, 상기 림부와 고정 수단은 오로지 니켈기 초합금으로 형성되는 것인 터빈 로터.
8. NiCrMoV 합금, NiMoV 합금, CrMoV 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 합금강으로 형성되는 베이스부와, 도브테일 영역을 포함하는 용접부에 의해 형성되는 원주 림부를 포함하며, 상기 용접부는 상기 림부와 터빈 로터의 상기 베이스부를 접합하고 인코넬 625와 인코넬 725로 이루어진 군에서 선택하는 니켈기 초합금을 포함하는 것인, 터빈 로터와,

   상기 림부에 고정되고, 상기 도브테일 영역과 상보적인 형태의 루트부를 구비하며, 그 루트부의 상보적인 형태를 상기 도브테일 영역에 결합시키는 것을 통해 상기 터빈 로터에 고정되는 블레이드

   를 포함하는 것인 증기 터빈 로터 조립체.
9. 합금강제(製) 터빈 로터의 반경 방향 외측 림부에 배치된 터빈 블레이드를 고정하기 위한 고정 수단이 일체로 형성된 합금강제 터빈 로터의 보수 방법으로서,

   상기 림부와 고정 수단을 제거하여 상기 림부의 둘레에 표면을 형성하는 단계와;

   상기 표면에 상기 림부와 고정 수단을 재구성하는 용접부를 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 용접부는 로터에 이 용접부를 접합하고 실온 극한 인장강도가 690 MPa 이상인 니켈기 초합금을 포함하는 것인 합금강제(製) 터빈 로터의 보수 방법.
10. 제9항에 따른 방법에 의해 보수된 터빈 로터.

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