JP6124833B2 - 発電設備用のロータを溶接する方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、ターボ機械の技術に関する。本発明は、請求項１の前提部に記載の、ロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接する方法に関する。

欧州特許出願公開第０６６５０７９号明細書及び欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書（国際公開第２００９／０６５７３９号）は、ロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接するための原理を記載しており、この場合、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、特に溶接継手の根元領域のための極めて狭いギャップのＴＩＧ溶接を用い、その後、溶接継目を充填するためにサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を用いる。

（欧州特許出願第０６６５０７９号明細書と同様の）図１は、溶接されたロータ１０の２つの隣接するロータディスク１１及び１２の間の溶接継目１３を備えた従来の溶接継手を示している。溶接の前に、２つのディスク１１及び１２は、高さｈのセンタリングステップジョイント２０において突き合わされ、これにより、ディスク１１及び１２の極めて狭いギャップのコンポーネント面２３及び２４によって形成された極めて狭いギャップ１９と、ディスク１１及び１２の狭いギャップのコンポーネント面１５及び１６によって形成された狭いギャップ１４とを形成する。

極めて狭いギャップ１９は、ＴＩＧ溶接継目２５によって充填され、各溶接継目は、極めて狭いギャップの幅ｂの全体にわたって延びている。狭いギャップ１４は、ＳＡＷ溶接継目１７，１８によって充填され、このＳＡＷ溶接継目は、狭いギャップの幅ａよりも小さく、狭いギャップの対向するコンポーネント面１５及び１６に対して交互に当接され、狭いギャップ１４の中央において重なり合う。ＴＩＧ溶接中、溶接継手の根元部における融着領域２２は、融着される。さらに、レリービングリッジ幅ｃと、高さｄと、レリービングリッジ角度ａとを有するレリービングリッジ２１は、溶接継手の根元部に設けられている。

極めて狭いギャップのＴＩＧ溶接（溶接継目２５）は、通常はロータディスクの鉛直方向積層状態において溶接され（例えば、国際公開第２００９／０６５７３９号の図２を参照）、その後に充填されるＳＡＷ溶接（ＳＡＷ溶接継目１７，１８）は、水平位置において充填される（例えば、国際公開第２００９／０６５７３９号の図３を参照）。ＴＩＧ−ＳＡＷ移行部は、ＳＡＷ領域のためのＵ字形の溶接継手準備によって示されている。

このような従来の溶接継手の典型的な寸法は：
ＴＩＧの極端に狭いギャップの典型的な幅：ｂ＝１０ｍｍ、
ＳＡＷの狭いギャップの典型的な幅：ａ＝１７ｍｍである。

つまり、従来技術によれば、第１のステップにおいて、鍛造されかつＮＤＴ試験されたディスクが、溶接継目準備のために機械加工される。

その後、ディスクは、互いに上下に固定され、その互いに対する及び全体的な振れ（run-out）がチェックされ、必要であれば、調整される。

この時点で、ディスクが鉛直位置にある状態で、溶接部の根元部は、ＴＩＧ溶接を用いて、溶接フィラーなしに溶融させられる。

この後、母材溶接フィラーを用いた極めて狭いギャップのＴＩＧを用いて、溶接高さが増大され、水平位置へのロータの傾倒を許容する。

水平位置へロータを傾倒させた後、ＳＡＷ溶接を用いて溶接を充填することにより、溶接は仕上げられる。

最後に、ロータの溶接は、超音波（ＵＳ）試験を利用してＮＤＴチェックされる。

既に上述したように、発電機器用のロータの溶接は、欧州特許出願第０６６５０７９号明細書及び欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書に、より詳細に説明されている。

ＳＡＷ溶接のために推奨される溶接継目ジオメトリは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ９６９２−２の表１及び表２に示されている。ＴＩＧからの狭いギャップは、実用的には、ＳＡＷ継手準備のＵ字形の底部まで充填される必要がある。これは、付加的な機械加工なしには、酸素ピックアップにより常に達成可能であるわけではない、又はＵ字形継手準備の底部のための僅かな散乱を許容する、移行のための解決手段が見いだされなければならない。

ＴＩＧからＳＡＷへの移行領域の適切なＮＤＴ結果のために、狭いギャップが、ＴＩＧのための狭いギャップの端部に向かって広がっているならば、不活性ガス流は、３〜５のファクタだけ増大される必要がある。

ＳＡＷのためのＵ字形継手準備を伴いかつＶ字形根元部準備を伴うＵ字形を用いると（ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ９６９２−２における１．３．７）、時には、許容限界を超えるＮＤＴ指示が見られ、これは、高価な再加工を必要とする。

つまり、ＴＩＧとＳＡＷとの間の移行ゾーンのための従来技術は、最善の移行領域の非破壊試験（ＮＤＴ）結果を保証するために、ＴＩＧ溶接の後で、ＳＡＷ溶接の前に、機械加工を必要とする。この場合、ＳＡＷのために、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ９６９２−２による溶接継手準備は、特性長さパラメータｉ，ｋ，ｌ，ｍ、半径ｒ、及び角度βを備えて、ＴＩＧ溶接が完了した後に行われる（図２参照）。

しかしながら、ＴＩＧ溶接後のこの付加的な機械加工は、時間を消費し、製造コストを増大させる。

欧州特許出願公開第０６６５０７９号明細書 欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書（国際公開第２００９／０６５７３９号）

本発明の課題は、ロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接する方法であって、従来の方法の欠点を解消しかつ製造時間及びコストを著しく減じる方法を提供することである。

この課題は、請求項１記載の方法によって達成される。

ロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接するための本発明による方法は、
鍛造されかつＮＤＴ試験されたロータディスクを提供するステップと、
溶接継目準備のために前記ディスクを機械加工するステップであって、前記溶接継目準備は、内側の狭いＴＩＧ溶接ギャップと、隣接する外側のＳＡＷ溶接ギャップとを含むステップと、
ディスクを互いに上下に固定するステップと、
互いに対する及び全体としての固定されたディスクの振れをチェックし、必要であれば、ステープルを調整するステップと、
ＴＩＧ溶接を用いて溶接フィラーを用いることなく溶接の根元部を溶融させるステップと、
水平方向位置へのロータの傾倒を許容するために母材溶接フィラーを用いて狭いギャップＴＩＧ溶接によって溶接高さを増大させるステップと、
ロータを水平位置へ傾倒させるステップと、
ＳＡＷ溶接を用いて外側のＳＡＷ溶接ギャップを充填することによって溶接を仕上げるステップと、
超音波試験を用いてＮＤＴによってロータの溶接をチェックするステップと、を含む。

本発明は、溶接継目準備の機械加工ステップが、第１の開放角度を有する第１の開口と、第１の開放角度よりも大きな第２の開放角度を有する第２の開口とを備えた、ＳＡＷ溶接ギャップ移行部へのＴＩＧ溶接ギャップの最適化された移行ジオメトリを準備することを含むことを特徴とする。

本発明の１つの実施の形態によれば、第１の開口は、Ｖ字形である。

特に、第１の開口は、鉛直方向に対して約３０°の開放角度を有する。

特に、第１の開口は、数ｍｍ、好適には３ｍｍの高さを有する。

本発明の別の実施の形態によれば、第２の開口は、Ｖ字形であり、ＳＡＷ溶接ギャップの側壁内へ所定の半径で入り込んでいる。

特に、第２の開口は、鉛直方向に対して約７０°の開放角度を有する。

特に、所定の半径は、約４ｍｍである。

図面の簡単な説明
ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら発明をより詳細に説明する。

従来技術によるロータディスク間の溶接継手を示す図である。 ＴＩＧ溶接後に従来技術において行われなければならないＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ９６９２−２による継手準備のジオメトリを示す図である。 ＴＩＧ及びＳＡＷプロセスの間の機械加工を回避するための、ＴＩＧからＳＡＷへの移行部のための第１の試みの一例を示す図である。 本発明によるロータディスク溶接継手におけるＴＩＧからＳＡＷセクションへの移行部の１つの実施の形態を示す図である。

ＴＩＧ及びＳＡＷ溶接の間の付加的な機械加工は、２つの可能性、すなわち（１）ＴＩＧ溶接の終了に向かって酸素ピックアップを回避するために、ＳＡＷへの移行部の近傍においてＴＩＧ溶接のための増大した不活性ガスパージによって、又は（２）ＣＨ７００５４２Ａ１（米国特許出願公開第２０１０／０２２４５９７号明細書に対応）による現在使用されている狭いギャップのＴＩＧバーナの設計を変更することなく酸素ピックアップのリスクを減じるためにＴＩＧ及びＳＡＷ溶接セクションの間の移行部の現在選択されているジオメトリの改良によって、省略することができることが実現されてきた。

本発明によれば、より簡単でかつより安価な実現可能な可能性として、移行部ジオメトリを最適化しかつ現在の不活性ガス流を一定に保つことが決定されてきた。

ＴＩＧからＳＡＷへの溶接移行部の最適化された移行部ジオメトリは、発電用途のための溶接されたロータのためのＮＤＴ結果を改善する。最適化された移行部は、以下の結果を有する：
・ＴＩＧ及びＳＡＷの間の機械加工を排除する。
・ＴＩＧからＳＡＷへの移行部における溶接欠陥のリスクを排除する。
・ＴＩＧ溶接及び水平位置へのロータの傾倒の後に、さらなる準備なしにＳＡＷを行うことができる。
・低温ワイヤの代わりに、ＴＩＧ高温ワイヤを使用することができる。
・マッシブＴＩＧワイヤの代わりに、フラックスコアＴＩＧワイヤを使用することができる。
・典型的なシングル溶接の代わりに、ＳＡＷタンデム溶接を使用することができる。

第１の試みにおいて、ＴＩＧからＳＡＷへの移行部のために、ロータディスク２６において、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ９６９２−２と同様の、鉛直に対して約３０°の開口を備えたＶ字形根元部２７を備えたＵ字形が選択された（図３参照）。しかしながら、これは適切ではないと考えられた。なぜならば、時に、再加工（除去及び再溶接）される必要がある許容できない指示にまで至る、ＴＩＧからＳＡＷへの移行ゾーンにおける高い量の指示が、ＮＤＴ（ＵＳ）によって見られたからである。

また、ＳＡＷ全幅までのＶ字形根元部を備えた第２の試みは、不満足なＮＤＴ結果を生じた。

連続的な良好なＮＤＴ結果を備えた最終的に選択された形状は、図４に示されている。これは、基本的に、３ｍｍの高さの、鉛直方向（ロータ軸線に対して半径方向）に対して約３０°を成す第１の開口２８の後に、ＳＡＷ溶接の側壁３０内へ約４ｍｍ、好適には４ｍｍに等しい所定の半径Ｒ（Ｒ４）を備えて延びる、鉛直方向に対して約７０°の第２の開口２９が続いているこれらの組合せである。

利点：
本発明の利点は、ＴＩＧとＳＡＷとの間の機械加工なしに、これまで使用されていた継手準備と比較して達成された優れたＮＤＴ結果であり、これにより、付加的な機械加工コスト、及びＴＩＧ溶接後のＳＡＷ継手準備のために要求される付加的なリードタイムが回避される。

主な用途：
ガスタービン、蒸気タービン及びターボ発生器の現在及び将来のロータのための使用。

１０ ロータ
１１，１２ ロータディスク
１３ 溶接継目
１４ 狭いギャップ
１５，１６ コンポーネント面（狭いギャップ）
１７，１８ ＳＡＷ溶接継目
１９ 極めて狭いギャップ
２０ センタリングステップジョイント
２１ レリービングリッジ
２２ 融着領域
２３，２４ コンポーネント面（極めて狭いギャップ）
２５ ＴＩＧ溶接継目
２６ ロータディスク
２７ Ｖ字形根元部
２８，２９ 開口
３０ 側壁
ａ 狭いギャップの幅
ｂ 極めて狭いギャップの幅
ｃ レリービングリッジの幅
ｄ レリービングリッジの高さ
ｈ センタリングステップ継手の高さ
α （水平方向に対する）レリービングリッジ角度

Claims (7)

1. 水平のロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接する方法であって、該方法は、
   鍛造されかつ非破壊試験されたロータディスク（２６）を提供するステップと、
   溶接継目準備のために前記ディスク（２６）を機械加工するステップであって、前記溶接継目準備は、内側の狭いＴＩＧ溶接ギャップと、隣接する外側のサブマージアーク溶接ギャップとを含むステップと、
   前記ディスク（２６）を互いに上下に固定するステップと、
   互いに対する及び全体としての固定されたディスク（２６）の振れをチェックし、必要であれば、固定を調整するステップと、
   ＴＩＧ溶接を用いて溶接フィラーを用いることなく溶接部の根元部を溶融させるステップと、
   水平位置へのロータの傾倒を許容するために母材溶接フィラーを用いて狭いギャップのＴＩＧ溶接によって溶接高さを増大させるステップと、
   水平位置へロータを傾倒させるステップと、
   サブマージアーク溶接を用いて外側のサブマージアーク溶接ギャップを充填することによって溶接を仕上げるステップと、
   超音波試験を用いて非破壊試験によってロータのＴＩＧ溶接セクションとサブマージアーク溶接セクションとの間の移行領域をチェックするステップと、を含む方法において、
   前記溶接継目準備の機械加工ステップは、第１の開放角度を有する第１の開口（２８）と、前記第１の開放角度よりも大きな第２の開放角度を有する第２の開口（２９）とを備えた、サブマージアーク溶接ギャップ移行部へのＴＩＧ溶接ギャップの移行ジオメトリを準備することを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記第１の開口（２８）は、Ｖ字形である、請求項１記載の方法。
3. 前記第１の開口（２８）は、鉛直方向に対して３０°の開放角度を有する、請求項２記載の方法。
4. 前記第１の開口（２８）は、３ｍｍの高さを有する、請求項２または３記載の方法。
5. 前記第２の開口（２９）は、Ｖ字形であり、サブマージアーク溶接ギャップの側壁（３０）内へ所定の半径（Ｒ）で延びている、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記第２の開口（２９）は、鉛直方向に対して７０°の開放角度を有する、請求項５記載の方法。
7. 前記所定の半径（Ｒ）は、４ｍｍである、請求項５または６記載の方法。

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