ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.16 Turbinaforgórész felújítása felrakóhegesztéssel Tárgyszavak: forgórészjavítás; felújítás; gőzturbina; felrakóhegesztés. Esettanulmány a káreset leírása Hőerőmű gőzturbinájának forgórésze úgy sérült meg, hogy a lapátokon kívül a tengelyben levő, a lapátok rögzítésére szolgáló hornyok is megsérültek. A legcélszerűbb megoldásnak látszott a sérült hornyok feltöltése hegesztéssel az eredeti alak helyreállítására, majd a sérült lapátok pótlása eredeti lapátokkal. A tengely felrakóhegesztéssel végzett javításának előfeltétele az anyag hegeszthetősége; a hegesztési művelet adott körülmények közötti elvégezhetősége; a hegesztésnek az adott működési körülmények között működőképesnek kell lennie (a hegesztés biztonsága). A turbinatengely anyaga 30CrMoNiV5-11 összetételű hőálló acél volt. Az előkísérletek során bebizonyosodott, hogy az anyag volfrámelektródás, védőgázos eljárással, WCrMo1, WCrMo2, SG-NiCr20Nb és SG-NiCr22Co12Mo adalékanyagokkal hegeszthető. Az előkísérletek az előmelegítési hőmérsékletre, az utólagos hőkezelésre és a horonyfenék védelmére vonatkozó tapasztalatokat is szolgáltattak. A javasolt technológia Az alkalmazott, 30CrMoNiV5-11 összetételű anyag hegesztése akkor megfelelő, ha olyan homogén, fémes összetételű anyag állítható elő, amelynek helyi tulajdonságai és a konstrukcióra gyakorolt hatásai teljesítik a követelményeket. A cél az, hogy a hegesztett kötés tulajdonságai lehetővé tegyék terhelésnél az alapanyag szilárdságának teljes kihasználását; ugyanakkor a kötés szívóssága és repedési hajlama nem lehet (lényegesen) rosszabb az alapanyagénál.
Ismeretes, hogy a hegesztett kötés leggyengébb és leginkább kockázatos tartománya a hőhatászónák legmagasabb hőmérsékletre melegített tartománya, azaz az alapanyagnak az olvadási vonal (olvadási hely) közvetlen közelébe eső tartománya. Amennyiben e tartomány mechanikai tulajdonságai kielégítik a követelményeket, akkor a tapasztalatok szerint ez az egész hegesztett kötésre érvényes. A hegesztés során a hegesztési varratban és annak környezetében különböző keménységű anyagszerkezetek alakulnak ki, amelyek meghatározzák a hegesztési varrat tulajdonságait. A szerkezet átalakulását a hegesztési tartomány egyes pontjaiban fellépő melegedési és hűlési folyamatok, a hőmérsékletek időfüggése határozza meg. Az adott körülmények között az olvadási vonaltól 3 mm-nél távolabb fekvő tartományok szerkezetét és mechanikai tulajdonságait a hőmérséklet-emelkedés már nem változtatja meg. Az 1. ábrán látható, hogy a szénacél maximális keménysége hogyan változik a hőhatásnak kitett tartományban, a lehűlési idő függvényében, 800 és 500 C között. Gyors hűtés következménye nagyon kemény, rideg, repedésre hajlamos anyag, lassú hűtés esetén a megváltozott anyagszerkezet következtében csökken a keménység, duktilis, repedésre nem hajlamos anyag alakul ki. 500 C Si Mn P S Al HV 10 keménység 400 300 200 100 0,18 0,40 1,40 0,015 0,019 0,029 keménység egyrétegű hegesztés 0 20 40 60 80 lehűlési idő t 8/5, s 1. ábra A keménység a hőhatásnak kitett tartományban a lehűlési idő függvényében Az anyagszerkezet változásait a hőmérséklet és az idő függvényében ábrázoló diagramok alapján követhető az ausztenit átalakulása a
hegesztési tartományok lehűlése során, és a különböző hűlési sebességeknél kialakuló anyagszerkezet-kombinációk becsülhetők. Ezek alapján nyilvánvaló, hogy az alkatrész, illetve a hegesztési tartomány előmelegítésének közvetlen hatása van az anyagszerkezet kialakulására. Amennyiben a hegesztés során magas hőmérsékletre hevült szerkezeti anyag a 900 C feletti, ausztenites tartományból elég gyorsan hűl le, akkor nagy hányadban keletkezik nagy keménységű martenzit. A hegesztési tartományt a martenzit képződési hőmérséklete fölé melegítve és hosszabb ideig ott tartva lényegesen kisebb keménységű és így kisebb repedéskockázatú közbenső ausztenitfokozatú átalakulás valósítható meg. A hegesztési hőhatásnak kitett tartomány keménysége az alkatrész felújítása során a további biztonságos használhatóság ismérvének tekinthető. A szerkezeti anyagnak a hegesztési tartományban megengedhető keménységét szabványok (így a DIN EN 1043-1, a DIN EN 288-3) és egyéb előírások korlátozzák. A max. 12,2% krómot, max. 1,2% molibdént és max. 0,5% vanádiumot tartalmazó acélok hőkezelt, egy- és többrétegű hegesztési varratainak keménysége legfeljebb 350 HV10 lehet. A felújítás menete A turbinatengely felújításához a szerkezeti anyag felkeményedési tulajdonságait a martenzit képződési hőmérséklete alatti (220 250 C), valamint feletti (400 450 C előmelegítési hőmérséklet) hevítéssel és ezen a hőmérsékleten tartással messze a közbenső fokozat átalakulásán túl (izotermikus hegesztés) határozták meg, a kritikus értéknél nagyobb keménységértékek elkerülése érdekében. A 0,31% C-tartalmú 30CrMoNiV5-11 acél kb. 400 HV5 keménysége (a hegesztés előtti 400 450 C-ra előmelegítéssel) alapján a szerkezetben 50%-nál nagyobb martenzithányadra lehetett következtetni. A vizsgált járulékos anyagok csak jelentéktelen mértékben voltak hatással a hőhatásnak kitett tartomány felkeményedésére. A hegesztési művelet adott körülmények közötti elvégezhetőségének igazolására mintadarabon kísérleteket végeztek. A háromrétegű hegesztést védőgázos, volfrámelektródás, kézi eljárással végezték. A hegesztés biztonságának lényeges kritériumaként a tengelyben a kb. 450 C-os előmelegítés során fellépő belső feszültségeket tekintették. Számítógépes szimuláció alapján kb. 25 30 K/h hevítési sebességet választottak. Ennek során a tengely felszínén (tehát a lapáthornyok kis lekerekítési sugarú tartományaiban is) fellépő termikus feszültségek 100
N/mm 2 alatt maradtak, a 30CrMoNiV5-11 anyag 450 C-on 425 N/mm 2 értékű, 0,2%-os nyúláshatárával számolva. A lapáthorony 0,2 mm lekerekítési sugarú részei feszültséggyűjtő hatásának csökkentése érdekében a lekerekítési sugarat a hegesztés által nem befolyásolt részre helyezték át és értékét megnövelték. A hegesztési műveletet az egyenletes hőmérséklet-eloszlást megzavaró huzat ellen védő, zárt térben végezték W CrMo1 adalékanyaggal. Ezután szabályozott, max. 30 K/h sebességgel lehűtötték a tengelyt, ellenőrizték az ütésmentes körkörös forgást, majd a javított lapáthoronytartományokat megmunkálták. Befejezésül a javított területek keménységét vizsgálták és az esetleges felületi repedéseket határozták meg. A felfedezett két repedést 2 mm mélységig kiköszörülték, majd lézeres hegesztéssel javították. Az alkalmazott Nd:YAG-lézer 75 W teljesítményű volt, a felületi hiányosságokat 0,8 mm átmérőjű, SG-CrMo 1 huzallal töltötték ki. A turbinában rendkívül nagy igénybevételnek kitett, drága forgórész javítása biztos és meggyőző technológiákat igényel annak érdekében, hogy a javított egységek működési kockázatai elfogadható mértékűek legyenek. A szerkezeti anyag várható viselkedésének vizsgálatával, a használható hegesztési eljárásokkal végzett előzetes kísérletekkel szerzett ismeretek eredményes alkalmazása igazolja a javítási koncepciót. Összeállította: Pálinkás János Instandsetzungen an einem Turbinenläufer durch Auftragschweiβen. = Der Praktiker, 55. k. 11. sz. 2003. p. 342 346. Bhaduri, A. K.; Gill, T. P. S. stb.: Repair welding of cracked steam turbine blades using austenitic and martensitic stainless-steel consumables. = Nuclear Engineering and Design, 26. k. 2 3. sz. 2001. jún. p. 249 259. Desir, J-L.: Examples of repair welding of heavy machinery subject to breakage due to low frequency alternating stresses. = Engineering Failure Analysis, 8. k. 5. sz. 2001. okt. p. 423 437.
KÖZLEMÉNYEK A MAGYAR SZAKIRODALOMBÓL Szávai Sz.; Lenkeyné Bíró Gy.; Tóth L.: Heterogén hegesztett kötések épségének értékelése a törésmechanika kísérleti és numerikus módszereinek alkalmazásával. = Anyagvizsgálók Lapja, 2004. 2. sz. p. 39 43. Tóth P.: A szakítóvizsgálat során elkövethető mérési hibák és kiküszöbölésük. = Anyagvizsgálók Lapja, 2004. 2. sz. p. 51 58. Lenkeyné Bíró Gy.; Balogh Zs.; Tóth L.: Csővezetékekben levő korróziós hibák veszélyességének értékelési rendszere. = Gép, 55. k. 4 5. sz. 2004. p. 32 35.