KR970010880B1 - 저합금 철제 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법 - Google Patents

저합금 철제 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

저합금 철제 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법
제 1 도는 낡은 첨탑(尖塔) 형상부가 기계 가공에 의해 제거된 제어부 로우터의 단면도.
제 2 도는 기계 가공된 표면상에 용착된 덧땜부(welding build-up)를 보여주는 제 1 도의 제어부 로우터의 부분 단면도.
제 3 도는 기계 가공되어 수리된 첨탑 형상부를 나타내는 제 2 도의 제어부 로우터의 부분 단면도.
제 4 도는 유출 탭(run-off tab)의 사용 상태 및 비드 형성 순서를 보여주는 단일 첨탑 형상부 수리 방법을 예시하는 부분 사시도.
제 5 도는 기계 가공에 의해 첨탑 형상부가 제거된 로우터의 360°보수를 시행하고, 그 결과 360°용접 덧땜부가 형성되어 있는 상태를 보여주는 부분 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20,40,50 : 터어빈 부품(로우터) 12,22,54 : 용접 덧땜부
14 : (로우터의)이빨 44 : 첨탑 형상부
46 : 유출탭
본 발명은 터어빈 부품의 마모되거나 손상된 표면을 수리하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 상기 마모된 표면에 정상적인 용착 금속을 덧땜하여 수리하는 용접 기술에 관한 것이다.
로우터나 디스크등과 같은 Cr-Mo-V 합금으로 제조된 증기 터어빈 부품은 적절한 고온 피로 및 고온 크리이프 특성을 가지고 있지만, 용접하기가 어려운 것으로 알려져 왔다. 그러나, 종종 이러한 마모되고, 부식되거나 파괴된 부품의 교환에 따른 운전 정지 시간으로 인해 전기 회사에 일당 수십만 달러의 손해를 입힌 경우가 있었으므로, 많은 터어빈 수리 방법이 시도되어 왔다.
상기 수리 방법중 하나는 단조된 강철 조각을 마모된 로우터 또는 디스크에 용접하는 것이다. 그러나,이러한 형태의 수리 방법은 본 명세서에서 "첨탑 형상부"라 불리우는 단일 로우터 블레이드 홈의 고정부에 대하여 실시하는 경우, 용접기의 접근이 매우 제한되며, 이처럼 접근이 극히 제한되는 상태에서 용접에 의한 수리를 실시하면, 기공 균열이나 슬래그 혼입으로 인해 용접 품질이 허용 한도 아래로 벗어나게 된다.
또한, 터어빈 부품과 교환용 단조품 사이에 소량의 용접층을 형성한 후 서브머지드 아아크 용접에 의해 로우터를 수리하는 방법도 알려져 있다. 이 방법은 본 명세서에서 참고로 인용되는 쿠넨(Kuhnen) 명의의 미합중국 특허 제4,213,025호와 4,219,717호에 설명되어 있다. 이 방법에서는 링 형상 단조품을 마모된 디스크 또는 로우터에 용접하거나, 또는 완전히 새로운 로우터 단조품을 용접하여 상기 로우터의 전체 단부를교환한다. 미합중국 특허 제4,633,554호에는, 이러한 목적을 위해 협개선 용접법(狹開先 溶接法)으로 루트부의 비드 라인을 형성하고, 이어서 가스 금속 아아크 용접을 하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 방법에 의해 얻어지는 낮은 인장 특성 및 피로 특성은 높은 응력의 로우터 첨탑 형상부에 사용하기에는 불충분하다.
또한, 넓거나 깊은 홈을 포함하는 로우터 부분의 덧땜 수리 방법으로 서브머지드 아아크 용접법이 단독으로 사용되어 왔는데, 이 경우 균열 결함은 로우터의 반경을 따라 종방향으로 배열되지 않는다. 서브머지드 아크 용접법에 의한 덧땜 수리 방법의 장점은 이 공정이 시간당 약 7kg의 빠른 용융 금속 용착 속도로 진행된다는 것이다. 사용중인 많은 로우터의 용접 수리가 터어빈의 운전 정지중에 행해짐에 따라 시간이매우 중요한 요인이며, 따라서 상기와 같이 빠른 용착 속도는 중요하다. 그러나, 이 방법은 예열 처리를 시행해야 하므로, 입도(粒度)가 비교적 조대해져서 야금적 특성이 열화된다. 또한, 서브머지드 아크 용접법에 의한 용접물에 형성되는 Cr-Mo-V 고압 터어빈용 로우터의 용접부에는 크리프 파단 및 노치 감수성에서 중대한 문제가 발생하고 있다. 그러므로, 응력 집중도가 높은 작은 반경의 Cr-Mo-V제 로우터 첨탑 형상부의 용접 보수에 이용하는 방법으로는 일반적으로 서브머지드 아크 용접이 부적절하다. 또한, 로우터 및 디스크의 수리에 가스 금속 아아크 용접법이 이용되고 있다. 이 용접법에서는 용접 금속이 매시간 4kg의 속도로 용착되며, 서브머지드 아크 용접법에서 얻어지는 용접물 보다도 특성이 우수한 용접물이 얻어진다. Cr-Mo-V제 로우터의 수리 용접법에 관해서는 일반적으로 가스 금속 아크 용접법에 의한 터어빈 부품 용접물의 항복 강도는 85 내지 100ksi(586 내지 689MPa)이다. 그러나, 이들 합금으로 구성된 로우터를 용접하기 위하여 가스 금속 아크 용접법을 이용하는 경우, 아크 블로우(arc blow ; 자기 흡인 현상)라고 하는 가공 공정상의 결점과 관련이 있고, 이러한 결점에 의해 가스 금속 아아크 용접법의 사용이 제한되는 경우가 있다.
최근에는 Ni-Mo-Cr 및 Ni-Cr-Mo-V제의 저압용 로우터 부품의 수리에 이용하는 방법으로서 가스텅스텐 아아크 용접법(GTAW)이 주목을 받고 있다. 이러한 용접법에 대해서는 플로리다, 오크랜드에 소재하는 웨스팅 하우스 일렉트릭 코오포레이션의 발전부에 의해 출판된 제47회 아메리카 전력회의(1985년 4월22일부터 24일까지 3일에 걸쳐 일리노이, 시카고에서 개최됨)의 알. 이. 클라크 등의 발표 논문인 "저압 증기 터어빈용 로우터의 용접 수리에 관한 경험(Experiences with Weld Repair of Low Pressure Steam Turbine)"을 참고하기 바란다. 가스 텅스텐 아크 용접법은 각각의 로우터 취부용 홈의 수리나 소규모 표면 결함을 수리하는 것과 같이 외견상 얕은 홈의 수리에 이용되고 있다. 또한, 가스 텅스텐 아크 용접법을 이용하면, 판 취부 홈의 여러 가지 위치, 즉 36℃에 걸쳐 다수의 덧땜부를 형성 피복하여 마모 재료를 복원하는가능하게 된다. 이러한 가스 텅스텐 아크 용접법에 의하면, 초음파 탐상 시험에 의해 얻어지는 용접 품질결과가 비교적 우수하고 예열의 필요성이 없으며, 로우터 재료의 사양 요건을 만족하는 인장 특성 및 충격 특성을 갖는 용접물이 얻어진다. 이 용접법에 의해 얻어지는 저합금강 용접물의 항복 강도는 90 내지 115ksi(621 내지 793MPa), 실온 샤르피 인성 지수 또는 충격치는 160 내지 210ft-lbs(218 내지 286J)이다.아울러, 이 용접법을 이용하면, 상기 용접법중에서는 가장 미세한 현미경 조직의 입도가 얻어진다.
용접법의 선정은 왜곡, 비파괴 시험의 합격 한계 및 용접후의 열처리에 따른 기계적 성질 등의 여러 가지 요인을 기초로 한다. 터어빈 로우터의 각각의 부분은 독특한 형상을 하고 있으므로 다른 사용 조건하에 놓이게 된다. 결함을 최소한으로 억제할 뿐 아니라, 용접부 및 열영향부에 균열이 없도록 하는데에는 다수의 용접 변수 또는 파라메타를 주의깊게 제어할 수밖에 없다. 이러한 변수중, 가스 텅스텐 아크 용접법에 관해서는 암페어수, 합금의 선정, 용접부의 기하학적 형상, 이동 속도를 들 수 있다. 선정한 파라메타는 용접을 몇회 실시하여 재현성을 가지고 일정한 부품이 얻어질 수 있도록 하는 자동 용접법에 적합해야 한다. 또한, 이들 파라메타는, 예를들면 균열 및 슬래그 혼입이 없는 우수한 용접 특성을 유발함과 아울러 로우터 및 디스크의 모든 가능한 수리에 적합해야 한다. 마지막으로, 합금 및 선택한 용접 파라메타는 특성상 모재금속과 같은 정도의 용접부를 형성할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 주목적은 터어빈 부품의 수리 부분의 야금적 성질을 가장 양호하게 하고, 열 영향부를 최소한으로 억제함과 아울러 용접과 관련이 있는 균열이 없게 하는 용접법을 제공함에 있다.
이러한 목적을 감안한 본 발명의 요지는 합금 성분으로서 Cr, Mo 및, V를 함유하는 합금 철제 증기 터어빈 부품의 마모 표면을 수리하는 방법에 있어서, 용접 금속의 제1층을 마모 표면에 용착시켜 터어빈 부품증에 열영향부를 발생시키고, 용접 금속의 제2충을 제1층상에 용착시켜, 제2층이 터어빈 부품중의 상기 열영향부의 적어도 일부를 템퍼링(tempering)하게 하는 것을 특징으로 하는 터어빈 부품 마모 표면의 수리 방법에 있다.
상기 방법을 이용하면, 증기 터어빈에 있어서 통상 볼 수 있는 Cr-Mo-V 합금 칠제 모재인 고압 고온 로우터 및 디스크의 파손 염려가 대폭 감소된다. 본 명세서에서 "열영향부"라 함은 용접물의 용융 영역에 바로 인접한 모재 영역을 지칭하는 것이다.
제2의 용접 금속층의 용착에 의해 새로 발생된 열에 의해 열영향부의 열처리가 곧바로 이루어지고, 그것에 의해 모재의 조립(組粒)이 재결정 및 템퍼링된다. 이러한 조립이 재조합되어 한층 미세한 입자 구조로 되면, 용접 수리부 근처에서 발생하여 응력 완화 작용을 하는 균열이 최소화되는 것은 말할 나위도 없다.
또한, 본 발명의 방법을 이용하면, 제1용융 금속층의 용착에 이용되는 열에 의한 모재의 과잉 템퍼링(over-tempering), 즉 연화(軟化) 현상의 발생이 회피된다. 용접부의 횡방향 응력이 발생하고 있는 경우, 이러한 강도 조하의 정도는 예를 들면 고저 사이클 피로, 인장 또는 파단에 이르는 크리프 현상이 발생하고 있으면 한층 커진다.
용접물의 최초의 층의 형성을 정확히 제어하면, 열영향부의 파손이 현저히 감소되고, 나아가 이 열영향부의 강도가 열영향부가 없는 모재의 강도 수준 이하로 되지 않도록 할 수 있다.
본 발명은 첨부 도면에 예시적으로 도시된 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명을 읽으면 한층 용이하게 이해할 수 있다.
본 발명에 의한 저합금 철제 터어빈 부품의 마모 표면의 새로운 수리 방법에서는, 합금 성분으로서 Cr,Mo 및 V를 함유하는 합금 철제 터어빈 부품(20,40,50)을 준비한다. 이들 터어빈 부품(20,40,50)은 마모 표면을 갖지만, 본 명세서에서 개시하는 방법을 이용하여 새로운 부품을 제조할 수도 있다. 본 발명의 수리 방법에서는, 제1용접 금속층을 부품의 마모 표면에 용착하고, 그것에 의해 상기 부품에 열영향부를 발생시킨다. 이어서, 제2용접 금속층을 상기 제1용접 금속층의 정상부에 용착한다. 이 제2용접 금속층을 제1용접 금속층의 용착에 이용하는 온도 보다도 높은 온도로 용착하여 제1용접 금속층 용착 단계에 의해 발생된 열영향부의 적어도 일부를 템퍼링한다. 본 명세서에서 사용되는 "템퍼링"이라 함은 모재의 열영향부를 재가열하고, 이어서 냉각하여 내부 응력을 제거함과 아울러 그 경도를 작게하는 공정을 지칭한 것이다.
용접 파라메타를 제1용접 금속층에서 제5용접 금속층까지의 덧땜층에 대해서 주의깊게 제어하면, 열영향부 및 그 결과 발생하는 모재의 조립(組粒) 구조와 관련한 문제를 해소할 수 있다. 보다 구체적으로는, 가스 텅스텐 아크 용접법에 의해 40 내지 60A, 보다 바람직하게는 60 내지 140A의 직류 전류를 이용하여 제l용접 금속층을 용착시킨다. 최초의 층을 비교적 낮은 암페어수로 용착하여 열영향부를 가급적 작게 발생시킨다. 다음에, 제2용접 금속층을 50 내지 200A, 보다 바람직하게는 75 내지 175A, 가장 바람직하게는 100내지 150A의 직류 전류를 이용하여 용착시킨다. 변형예로서, 교류 전류를 이용할 수도 있지만, 이 경우에얻어지는 잇점은 적어진다.
제2용접 금속층의 용착과 관련한 암페어수를 높이면, 그 작용 효과로서 터어빈 부품 속의 비교적 취약한 열영향부가 "열처리", 즉 템퍼링된다. 제2용접 금속층의 용착후, 바람직하게는 제1용접 금속층의 용착에 이용된 전류값과 동일한 전류값으로 제3 및 제4용접 금속층을 용착시킨다. 제5용접 금속층 이상의 층은 모재에 대한 영향이 적어서 한층 큰 값의 전류를 이용하여 용착할 수도 있다.
상기와 같이 선택한 전류값은 0.045인치의 와이어 사이즈, 50% 아르곤 -50% 헬륨 가스 혼합물 및 1/8 또는 3/32 텅스텐 사이즈를 이용하는 가스 텅스텐 아크 용접법이 가장 적합한 것임을 이해해야 한다. 상기 파라메타 및 다른 파라메타를 변화시키면, 제2용접 금속층의 용착에 의해 발생하는 템퍼링 효과와 동일한 템퍼링 효과가 얻어질 것으로 예상된다. 만약, 제2용접 금속층의 용착을 위하여 이용되는 용착 금속용 와이어의 사이즈를 얇게 하면, 암페어수는 제1용접 금속층의 용착에 이용된 설정값과 거의 같은 설정값 자체로도 양호하다. 이 방법 및 다른 방법은 용접 분야의 통상의 지식에 속하는 것으로서 본 발명의 주요 특징의 변형례에 지나지 않는다.
증기 터어빈의 Cr-Mo-V제 부품의 수리를 위하여 본 발명에서 이용되는 바람직한 합금철은 다음과 같은 원소, 즉 Cr, Mo, Si, C, Mn, V, Nb, N중 하나 또는 두 종류 이상을 함유하도록 선택된다. 보다 바람직한 실시예에서는, 마모된 부품에 용착되는 합금철은 7.0 내지 11.0중량%의 Cr 및 0.1 내지 3.0중량%의 Mo를 함유하도록 선택된다. 한가지 바람직한 특정의 합금철의 조성 범위는 본질적으로 C가 0.04 내지 0.22중량%, Mn이 0.15 내지 1.0중량%, Si가 0.15 내지 1.0중량%, P가 0.0 내지 0.02중량%, S가 0.0 내지 0.016중량%, Ni가 0.0 내지 0.8중량%, Cr가 약 4.00 내지 19.0중량%, Mo가 약 0.43 내지 2.1중량%, V가 약 0.09내지 0.05중량%, Nb가 약 0.03 내지 0.20중량%, A1이 약 0.0 내지 0.08중량%, Cu가 약 0.0 내지 0.20중량%, N이 약 0.05 내지 0.06중량%, Fe가 나머지를 점한다. 그러나, 가장 바람직한 합금철은 본질적으로 0.08 내지 0.11중량%의 C와, 0.030 내지 0.50중량%의 Mn과, 0.30 내지 0.50중량%의 Si와, 0.00 내지 0.10중량%의 P와,0.00 내지 0.008중량%의 S와, 0.00 내지 0.40중량%의 Ni와, 8,00 내지 9.50중량%의 Cr과, 0.85 내지 1.05중량%의 Mo와, 0.18 내지 0.25중량%의 V와, 0.06 내지 0.10중량%외 Nb와, 0.00 내지 0.04중량%의 A1과, 0.00 내지 0.10중량%의 Cu와, 0.01 내지 0.03중량%의 N과, 나머지 Fe로 이루어진다.
이러한 신규한 방법에 의하면, 용착 단계는 합금철을 터어빈 부품의 마모 표면에 용접하는 단계를 포함한다. 이 용접 단계는 바람직하게는 가스 텅스텐 아크 용접법, 플라즈마 아크 용접법, 전자 비임 용접법, 레이저 용접법 및, 가스 금속 아크 용접법중 어느 한가지 방법을 이용하여 실시한다. 기타의 용접법을 이용하더라도 본 발명의 신규한 합금을 용착할 수 있을 것으로 생각되지만, 채용하는 용접법은 모재 속으로 열영향부를 발생시키는 것을 최소한으로 억제하여 불필요한 결함이 없도록 하는 것이 중요하다.
현재까지 사용되고 있는 용접법중 가장 바람직한 것은 가스 텅스텐 아크 용접법(GTAW)으로서, 이러한 용접에 의해 바람직한 합금철을 절삭 가공 또는 연삭 가공된 터어빈 부품에 용접한다. 가스 텅스텐 아크 용접법이 바람직한 이유는 그 다수의 비드 용착부가 용접부 및 열영향부에서 극히 미세한 입도를 나타내기 때문이다. 이 미세한 입도에 의해 매우 우수한 고저 사이클 피로 특성, 인장 특성, 충격 특성 및 크리프 파괴 특성이 얻어진다.
본 발명의 바람직한 가스 텅스텐 아크 용접법에서는 용접 단계에 앞서 증기 터어빈 부품을 적어도 약 177℃까지 예열한다. 디스크 및 로우터에 대하여, "360°"에 걸친 용접을 위하여 측판을 이용하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 "360°"의 수리라 함은 용접 금속을 로우터 또는 디스크와 같은 터어빈 부품의 주위부분에 충분한 높이가 얻어질 때까지 연속적으로 용착시키고, 그후, 로우터의 각각의 첨탑 형상부를 기계가공하거나 또는 디스크를 사용 공차까지 절삭 가공한다. 바람직하게는, 측판을 구리 또는 로우터용 Cr-Mo-V강으로 제조하여 로우터에 배치하고 이것을 물로 냉각하여 용접에 수반하는 부작용을 더욱 경감시키는 것이 유리하다.
제 5 도에 도시된 바와 같은 360°의 첨탑 형상부 덧땜 용접법인 고압용 로우터의 바람직한 수리 방법의 실시에 있어서는, 로우터의 전체 첨탑 형상부(44)를 절삭 가공하여 블레이드 홈 저부까지 제거하여 중공의 링형상 소재를 형성한다. 이어서,360°의 용접 덧땜부(54)를 형성하는 바, 이러한 덧땜부를 형성함에 있어서는, 개별적인 블레이드 고정부용 수리 용착부를 형성하기 위하여 실시되고 있는 것처럼 용접 토오치를 로우터 디스크의 폭 전체에 걸쳐 이동시키지 않고 로우터를 용접 토오치 아래에서 회전시킨다. 다중 형태(multiful type)의 수리 용접을 위해서는 전술한 수냉식 측판을 마모 표면의 적어도 길이 방향 연부를 따라 배치하고, 이러한 측판에 의해 용접부의 크기를 구획 설정하여(즉, 용접부가 밖으로 이탈되지 않게 하여) 용착부의 탄소 손실을 최소한으로 억제하는 것이 바람직하다. 로우터 부품에 대하여 단일의 첨탑 형상부를 수리하는 경우, 바람직하게는 마모된 첨탑 형상부를 로우터의 나머지 부분으로부터 완전히 제거한다. 첨탑 형상부 본체를 제거하므로, 가스 텅스텐 아크 용접법에 의해 형성된 미세한 입자 구조와 관련하여 매우 우수한 야금 성질이 기계 가공된 용접 덧땜부 전체에 걸쳐 존재한다. 이어서, 적어도 용접 개시 표면으로 되는 제1유출(run-off) 탭을 설치하여 용접 시작 표면을 제공할 수도 있다. 또한, 로우터의 제1길이 방향 연부에 대하여 횡방향으로 반대측에 있는 제2의 길이 방향 연부에 제2의 유출 탭을 설치하여 용접 정지 표면을 제공하는 것이 바람직하다. 유출 탭(46)의 취부 장소는 결함 부위로 되는 경우가 있으므로, 로우터에 이들 유출탭(46)을 접합하기 위하여 클래딩 장착 공정(cladding Procedure)을 수행한다. 바람직하게는, 이 클래딩은 크롬을 함유하는 버터링(buttering)층을 구비하고 적어도 2개의 중첩된 용접물에 배치된다.
단일 첨탑 형상부를 수리하는 바람직한 텅스텐 가스 용접을 사용한 수리중에, 제1비드를 기계 가공 또는 다른 가공에 의해 형성된 표면에서 로우터의 횡폭 전체에 걸쳐 용접한다. 다음에, 그 형성된 표면상에서 상기 제1비드와 이격되게 상기 로우터의 횡폭을 가로질러 제2비드를 용접한다. 다시, 용접할 여지가 있다면, 제3 및 제4비드를 유사하게 이격 배치된 상태로 형성한다. 이러한 간헐적 용접 공정을 이용하면, 용접부 바로 아래에 위치한 모재 금속의 중간 영역이 그 다음의 접합 용접 시행 전에 천천히 냉각될 수 있다. 따라서, 용접부가 형성된 열영향부와 관련이 있는 취성이 최소화된다.
제 1 도의 터어빈 로우터(20)는 이미 가동된 상태에 있는 로우터에서 선택된다. 다만, 이빨이 없는 새로운 로우터를 아래에서 설명하는 용접법의 최초의 터어빈 구성 요소로서 이용할 수 있는 것으로 생각된다.
일반적으로, 본 발명의 증기 터어빈 로우터, 디스크 및 블레이드는 보통은 6% 미만의 합금 원소를 함유하는 저합금강으로 제작된다. 이들 용례중 Cr-Mo-V(A470, 클래스 8) 및 그것의 개질 합금으로 제조된 것이 특히 중요하다.
한가지 가장 바람직한 조성은 0.27 내지 0.34중량%의 C와, 0.70 내지 1.0중량%의 Mn과, 최대 0.012중량%의 P 및 S와, 0.20 내지 0.35중량%의 Si와, 최대 0.50중량%의 Ni와, 1.05 내지 1.35중량%의 Cr과, 1.00 내지 1.30중량%의 Mo와, 0.21 내지 0.29중량%의 V와, 최대 0.15중량%의 Cu와, 최대 0.010중량%의 Al과, 최대 0.0015중량%의 Sb와, 최대 0.015중량%의 Sn과, 최대 0.020중량%의 As를 포함한다. 고압용 중기 터어빈부품을 제조하기 위해 사용될 수 있고 가령 Ni, Co, Cr 및 합금 성분의 함유량에 차이가 있는 다른 단조합금에 대해서도 본 발명의 방법으로 수리할 수 있다.
로우터와 같은 사용된 터어빈 부품(20,40,50)이 채용되는 경우, 높은 응력을 받은 개별적인 첨탑 형상부(44)를 기계적으로 제거하는 것이 바람직하다. 여기에서 사용되는 "기계적으로 제거한다"라 함은 제한하는것은 아니지만 연삭, 절삭 가공, 전기 아크 가우징 및 야금 기술 분야에서 공지된 다른 방법을 포함하여 금속을 제거하는 어떤 공지된 공정을 의미한다. 제 4 도의 경우 처럼, 전체의 마모 또는 손상된 첨탑 형상부를제거해야 하는데, 그 이유는 차후의 용접 작업에 의해 이들 부품의 고응력 영역에 어떤 취약한 열영향부가 생길 가능성을 감소시키는 것이 중요하기 때문이다.
제 2 도, 제 4 도 및 제 5 도에 개괄적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 철 합금 조성물을 터어빈 부품(20,40,50)의 마모 또는 손상된 표면에 용착시킬 수 있다.이러한 용접 단계는 공지의 어떤 용접 기술로서도 성취할 수 있지만, 가스 텅스텐 야크 용접, 플라즈마 아크 용접, 전자 비임 용접, 레이저 비임 용접 및, 가스 금속 아크 용접중 어느 하나의 방법인 것이 바람직하다. 용접 단계 전에 터어빈 부품의 응력을 감소시키기 위하여 적어도 100℃ 내지 300℃, 보다 바람직하게는 l77℃ 내지 204℃의 온도로 예열할 수 있다.
본 발명의 바람직한 가스 텅스텐 아크 용접 공정을 준비함에 있어서, 용접될 표면을 상태 조절하여 광택이 있는 표면으로 형성하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 모재 금속 표면을 변성 알콜, 아세톤, 메틸클로로포름, 또는 세정 용제를 이용하여 용접 영역에서 2인치(5.08cm)의 거리에 걸쳐 세정한다. 또한, 메틸크로로포름으로 세정한 경우에는 다음에 알콜, 아세톤 또는 용제로 세정해야 한다는 점을 유의해야 한다.더욱이, 용접될 금속 모재 표면을 비파괴 시험법에 의해 검사하는 것 및, 가장 깊은 곳의 균열이 발견되거나 혹은 존재가 의심되는 피로 영역을 지나 적어도 1/16인치 더 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 가스 텅스텐 아크 용접법으로는 다음의 표에 기재된 용접 파라메타가 유용한 것으로 생각된다.
[표]
Figure kpo00001
제 4 도에 도시된 바와 같이, 비드 용착 수순은 비드를 간격을 둔 상태로 순차로 형성하는 양태로 해야한다. 즉, 제1의 비드(1)를 절삭 가공된 표면에 바람직한 로우터(40)의 횡폭 전체에 걸쳐 용착하고, 다음에 제2의 비드(2)를 준비된 표면에서 제1의 비드에서 간격을 둔 상태로 로우터의 횡폭 전체에 걸쳐 용착한다.용접 영역의 외측에서 내측으로 향하여 용접 금속을 용착하여 비드(1) 내지 비드(10)를 형성하면, 용접에 의해 발생되는 열영향부(HAZ)의 수는 적어진다. 헤머로 타격(peening)을 실시하는 것은 바람직하지 못하므로, 바람직하게는 용접을 자동 가스 텅스텐 아크 용접기를 이용하여 편평한 위치에서 ±15°의 범위에서 위치된 상태로 수행한다. 그것의 아크의 소멸전에 15암페아 이하의 값까지 전류를 점차 감소시키면서 용접기의 용접을 정지시킨다. 아울러, 제 4 도에 도시된 바와 같은 유출탭(46)은 용접물의 형성의 개시 및 정지시에 이용해야 한다. 그 이유는 이들 지점에 야금학적 결합이 발생되는 경우가 있기 때문이다. 또한, 아크 블로우(arc blow)을 최소한으로 억제하기 위하여 용접에 앞서 금속 모재를 소자(消磁)하는 것이 바람직하다.
용접중, 바람직하게는 금속 모재의 비드 라인간(interpass) 온도를 300℃ 이하, 바람직하게는 250℃ 이하, 보다 바람직하게는 204℃ 이하로 해야 한다. 용접 직후에 있어서는 용접된 터어빈 부품을 149℃ 내지 260℃, 바람직하게는 176℃ 내지 204℃의 온도 상태로 유지해야 한다. 후열처리에 의한 온도 유지를 수행한후, 용접된 상태의 터어빈 구성 요소에 용접된 상태의 터어빈 부품에 용접후 열처리를 시행하여 500℃ 이상, 바람직하게는 600℃ 이상, 보다 바람직하게는 663℃ 이상으로 승온시키는 것이 바람직하다. 용접 응력을 최소한으로 억제하고, 용접물 및 열영향부의 경도의 충분한 ''템퍼링백(tempering back)''을 발생시키도록, 또한, 필요하다면 열의 영향을 받지 않은 모재의 과잉 템퍼링을 방지하여 소정의 용접 강도를 얻도록, 용접후 열처리 온도를 선택하여야 한다. 본 발명의 바람직한 로우터 수리 방법은 일반적으로는 수리 용접부분에 국부적으로 용접후 열처리를 실시하는 단계를 포함한다. 이 국부적인 응력 제거 단계는 소정의 축방향 및 반경 방향 온도 분배에 적합하도록 수리 부분 전체를 로터를 따라 축방향으로 가열하는 단계를 포함한다.
용접 영역의 용접후 열처리 다음에, 전술한 방법에 의해 수리한 터어빈 부품(20,40,50)을 샌드 블라스팅하여 세정하고, 이것에 대하여 비파괴 검사, 예를들면, 자기 입자, 염색 침투제 또는 초음파를 이용한 비파괴 검사를 실시한다. 아울러, 용착물의 경도를 측정하고 그 용접 작업중에 제조되었던 시편을 인장 시험함으로써 기계걱인 시험을 수행한다. 그후, 터어빈 부품은 최종적인 치수 검사 및 연마 가공, 즉 각각의 이빨(14)을 성형하는 상태에 놓이게 된다.
상기의 설명에서, 본 발명은 합금 철제 증기 터어빈 부품의 개량된 수리 방법을 제공하고 있음을 이해할 것이다. 용접법, 합금의 조성, 열처리의 실시에 관한 본 발명의 구성상의 특징에 의해 고온 특성이 개선된 수리 표면이 얻어진다. 여러 가지 실시예를 도시하고 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 당업자에게는 명확하겠지만 여러 가지 변형예가 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 저합금 철제 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법으로서, (a) 1.0 내지 1.35중량%의 Cr와, 1.00 내지 1.30중량%의 Mo와, 0.21중량% 내지 0.29중량%의 V을 함유하고 표면이 마모된 증기 터어빈 부품을 제공하는 단계와;
    (b) 상기 마모된 표면에 제1의 용접 금속층을 용착하여 상기 터어빈 부품속에 열영향부를 발생시키는 제1용접 금속층 용착 단계와;
    (c) 상기 터어빈 부품 속의 열영향부의 적어도 일부를 템퍼링할 수 있도록, 상기 제1의 용접 금속층상에 이 제1의 용접 금속층 용착시 이용된 것보다 더 높은 온도의 열을 이용하여 제2의 용접 금속충을 용착시키는 제2용접 금속층 용착 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용착 단계들(b) 및 (c)는 가스 텅스텐 아크 용접, 플라즈마 아크 용접, 전자 비임 용접, 레이저 비임 용접 및, 가스 금속 아크 용접으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 용착 단계 전에 상기 증기 터어빈 부품을 l77℃ 이상의 온도로서 예열하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 용접 단계는 40 내지 160암페어의 전류로 수행되는 것을 특징으로 하는 증기터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 터어빈 부품은 하나 이상의 마모된 첨탑 형상부를 구비하는 로우터이며, 상기 마모된 첨탑 형상부를 상기 로우터로부터 기계적으로 제거하여 준비 표면을 형성하는 단계와, 상기 준비표면상에서 상기 로터의 횡폭 전체에 걸쳐 제1비드를 용착하는 단계와, 상기 준비 표면상에서 상기 제1비드와 간격을 두고 상기 로우터의 횡폭 전체에 걸쳐 제2비드를 용착하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 용접 단계는 용접 시작 표면을 제공하기 위하여 상기 로우터의 제1종방향 연부를 따라 제1의 유출 탭을 위치시키는 단계와, 상기 용접 정지 표면을 제공하기 위하여 상기 제1종방향 연부와는 횡방향 반대편에 있는 상기 로우터의 제2의 종방향 연부에 제2의 유출 탭을 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1유출 탭 및 상기 제2유출 탭을 2개 이상의 중첩하는 용접부에 배치된 버터링 층(buttering layer)으로 상기 로우터에 용접하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 버터링 층은 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈 부품의 마모 표면 수리 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 4 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 모재 금속의 용접 비드 라인간 온도(interpass temperature)를 300℃ 미만에 유지하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈의 마모 표면 수리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 터어빈 부품 및 상기 제1 및 제2용접 금속층을 이들 용접 금속층들의 용착 단계 후에 149℃ 내지 260℃에 유지하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈의 마모 표면수리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 유지 단계는 상기 터어빈 부품과 상기 제1 및 제2용접 금속층을 500℃ 이상으로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈의 마모 표면 수리 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 열을 방출하기 위하여 상기 터어빈 부품에 구리제 측판을 배치하는 단계와, 상기 측판을 물로 냉각하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터어빈의 마모 표면 수리 방법.
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