JP6239230B2 - タービンロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線を用いて溶接継手の溶け込み不足の有無を非破壊的に検査する方法に関する。

蒸気タービンのロータにおいては、蒸気の高温化に伴い、高温の蒸気に曝される高温部及び低温蒸気に曝される低温部などの部位は、夫々の置かれた環境に適した材料で製造され、互いに溶接で接合されているものがある。例えば、高温部は高耐熱鋼で構成され、低温部は低合金鋼で構成されている。図８は、蒸気タービンの一般的な構成を示す。図８において、蒸気タービン１は、支持軸３を有する両端が円筒形の分割中空ディスク５の間に、複数の分割中空ディスク７が嵌め合わされ、互いに隣接する分割中空ディスク５及び７の当接部は、溶接継手部Ｗで接合されている。このように、分割中空ディスク５及び７を溶接して製造された蒸気タービン１では、溶接継手部Ｗの溶接状態を検査することが重要となる。なお、図１に示すように、蒸気タービン１の内部には内側空間Ｉが形成されている。

図９は、従来の溶接継手部Ｗの溶接方法を示す。図９（Ａ）において、夫々異なる材質からなる中空ディスクを構成する母材１００及び２００の継手面には、母材１００の開先部１０２と、母材２００の開先部２０２と、母材１００の突合せ面１０４と母材２００の突合せ面２０４とが形成されている。図９（Ａ）に示すように、開先部１０２及び２０２は外側空間Ｏ側に形成され、突合せ面１０４及び２０４は内側空間Ｉ側に形成されている。そして、外側空間Ｏから溶接トーチ３００を開先部１０２と開先部２０２の間で位置決めする。

次に、図９（Ｂ）に示すように、溶接トーチ３００で突合せ面１０４及び２０４を溶け込ますと共に、開先部１０２及び２０２に１パスずつ肉盛り溶接を行う。溶接後、突合せ面１０４及び２０４に形成された溶込み部Ｍの溶け込み不足の有無を検査する必要がある。しかし、溶込み部Ｍは外側空間Ｏから目視できない。そのため、母材１００（又は母材２００）に検査孔１０６を穿設し、外側空間Ｏから検査孔１０６に、矢印ａ方向に図示しないボアスコープを内側空間Ｉに挿入する。あるいはアクセスが可能な場合は、内側空間Ｉの軸方向（矢印ｂ方向）から溶込み部Ｍまでボアスコープを挿入する。そして、ボアスコープにより目視で、溶込み部Ｍが完全に溶け込んでいることを確認する。この検査は、１パス溶接（初層溶接）の直後に行ったほうが、溶け込み不足を確認した後の補修作業が容易になる。

特許文献１には、蒸気タービンロータの溶接継手部に前記の検査方法を行うことが開示されている。また、特許文献１には、検査孔から内側空間ＩにＸ線源を挿入し、溶接継手部の放射線透過試験を行って、溶接継手部の溶接状態を検査することが開示されている。また、特許文献２には、蒸気タービン等のロータを溶接する場合に、溶接トーチにビデオ装置を組み込み、溶接部を視覚的に監視することが開示されている。また、特許文献３には、蒸気タービンロータ等を溶接する場合に、継手面に開先と突合せ面が形成され、該突合せ面に互いに相補的に嵌合して、２つの母材の継手面を位置決めする凹凸部が形成されていることが開示されている。

特開平０９−１０８８８３号公報 特開２０１０−２０１５０７号公報 特開２０１１−１７７７９０号公報

従来の検査方法では、外側空間Ｏからボアスコープを溶接継手部Ｗまで挿入できる検査孔や内側空間Ｉを必要とする。しかし、このような内側空間Ｉは常に存在するものではない。また、母材に検査孔を穿設すると、母材の強度が低下するため、検査孔周囲の母材の強度を配慮した構造検討が必要となる。また、検査孔から母材の内部に蒸気等の異物が入り込むことで、蒸気タービン等、母材が構成する装置の運転に支障をきたすおそれが出てくる。

なお、特許文献１に開示されているように、検査孔にＸ線源を挿入して行う放射線透過試験では、感光用フィルムに写った透過Ｘ線の像で突合せ面の残存状態を確認し、これによって、突合せ面の溶け込み不足の有無を確認する。しかし、突合せ面は感光用フィルムには写りにくく、さらに、感光用フィルムには、Ｘ線発生装置から遠い側の部位が写るため、感光用フィルムから突合せ面の有無を確認するのは困難である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、母材に検査孔を穿設することなく、目視できない場所に位置する突合せ面に対して、検査が可能になる溶接継手の検査方法を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の溶接継手の検査方法は、２つの母材間に形成される溶接継手の検査方法であって、２つの母材間に形成される継手面に開先部と突合せ面とが形成され、突合せ面の一端に母材の表面に開口する凹溝を予め形成する溝形成ステップと、開先部に対して少なくとも１パスの肉盛り溶接を行った後、開先部形成側から放射線を継手面に向けて照射する放射線照射ステップと、継手面を透過した放射線によって感光用フィルムに像を形成させ、該像に基づいて溶接継手における溶け込み不足の有無を判定する判定ステップとからなるものである。

本発明では、前記凹溝を予め形成しておき、溶接後に前記放射線照射ステップを行う。そして、凹溝の有無を感光用フィルムに形成される像で確認する。突合せ面と違って凹溝の有無は該像で明瞭に確認できる。凹溝が確認できたときは溶け込み不足と考えられ、凹溝が確認できないときは突合せ面が完全に溶け込んでいると考えられる。これによって、検査孔を穿設する必要がなくなり、前記問題を解消できる。なお、放射線照射ステップは、１パス溶接（初層溶接）の直後に行ったほうが、溶け込み不足を確認した後の補修作業が容易になる。

本発明において、凹溝の断面積は、判定ステップで得られる像によって識別可能な大きさを下限とし、かつ１パスの肉盛り溶接で埋めることが可能な大きさを上限とするのがよい。これによって、放射線照射による溶接後の凹溝の有無を確認できると共に、溶接により凹溝を埋めることができるので、母材の強度面等に及ぼす影響を解消できる。
凹溝の横断面形状は、円弧状より矩形状のほうが凹溝の輪郭を、放射線照射によって得られる画像に明瞭に写すことができる。凹溝が矩形状のとき、例えば、開口の長さが０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、奥行き長さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下にすれば、前記条件を満たすことができる。

本発明において、凹溝は一方の母材の継手面にのみ形成されているとよい。これによって、凹溝の加工が容易になる。また、継手面に、前記凹溝に隣接して互いに相補的に嵌合する凹凸部が形成されているとよい。これによって、２つの母材間で継手面の位置決めが容易になる。

２つの母材が夫々中空筒形を有し、継手面を介して軸方向に溶接されるものであるとき、本発明を適用することで、検査孔を穿設することなく中空筒型の内側空間に面して形成される突合せ面の溶け込み不足の有無を検査できる。例えば、複数の中空円筒体を継手面を介して軸方向に溶接されてなるタービン用溶接ロータに適用すれば、検査孔を穿設することなく継手面に形成される突合せ面の溶け込み不足の有無を検査できる。

本発明によれば、溶接継手面において、直接目視できない突合せ面の溶け込み不足の有無を、母材に検査孔を穿設することなく検査できるので、検査孔を加工する余分な作業を要せず、かつ母材の強度を阻害せず、さらに、母材の内側空間の気密を保持できる。

本発明の第１実施形態に係る溶接継手部の断面図である。 図１の一部拡大断面図である。 図２中のＡ部の拡大断面図である。 第１実施形態に用いられる感光用フィルムの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る溶接継手部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係り、（Ａ）は溶接前の溶接継手面の断面図であり、（Ｂ）は溶接後の溶接継手部の断面図である。 （Ａ）は前記第３実施形態に係り、感光用フィルムに写った溶接前の溶接継手面の像であり、（Ｂ）は同じく溶接後の溶接継手面の像であり、（Ｃ）は凹溝が形成されていない溶接継手部の溶接前の像（比較例）を示す説明図である。 蒸気タービンロータの正面視断面図である。 従来の溶接方法を示し、（Ａ）は溶接前、（Ｂ）は１パス溶接後の溶接継手面の断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は蒸気タービンロータを構成する分割中空ディスク１０及び２０を溶接継手部Ｗで溶接した後の状態を示す。蒸気タービンロータは、分割中空ディスク１０及び２０を含む複数の分割中空ディスクが軸方向に溶接されて構成されている。溶接継手部Ｗの内側に内側空間Ｉが形成されている。図２及び図３は、溶接前の継手面Ｗｃを示す。
図２及び図３において、継手面Ｗｃは、外側空間Ｏの側に開先部１２及び２２が形成され、内側空間Ｉの側に突合せ面１４及び２４が形成されている。突合せ面１４及び２４は、互いに当接している。

図３に示すように、開先部１２及び２２とは反対側の突合せ面１４及び２４の一端に、内側空間Ｉに開口した環状の凹溝３２が、分割中空ディスク１０及び２０の周方向に形成されている。凹溝３２は、分割中空ディスク１０の突合せ面１４に形成された四角形の切欠き１６と分割中空ディスク２０の突合せ面２４に形成された四角形の切欠き２６とが対向配置されて形成されている。凹溝３２は、突合せ面１４及び２４に対して対称な形状を有している。本実施形態では、凹溝３２の軸方向開口長さＸはＸ＝０．３〜０．５ｍｍであり、凹溝３２の奥行ＹはＹ＝０．２〜１．０ｍｍの寸法を有している。

図２に示すように、継手面Ｗｃの溶接は、外側空間Ｏから開先部１２及び２２によって形成される溝に溶接トーチ３０を配置し、溶接トーチ３０を突合せ面１４及び２４に向ける。そして、分割中空ディスク１０及び２０を位置合わせした状態で回転させる。この状態で、溶接トーチ３０によって開先部１２及び２２によって形成された溝に肉盛り溶接を行う。１パス溶接（初層溶接）で突合せ面１４及び２４に溶込み部を形成し、凹溝３２を埋め込む。次に、１０〜２０パスの肉盛り溶接を行うことで、開先部１２及び２２を埋め込む。

１パス溶接後に、図１に示すように、突合せ面１４及び２４の溶け込み不足の有無を検査するため、外側空間ＯにＸ線発生装置３４を配置する。さらに、Ｘ線発生装置３４に対して１８０°位相が異なる分割中空ディスク１０及び２０の外周面に、溶接継手部Ｗを跨る位置に、高温用フィルムカセット３６を貼り付ける。

図４に、高温用フィルムカセット３６の構成を示す。高温用フィルムカセット３６は、内側からテフロン（登録商標）プレート３８と、断熱材からなる断熱プレート４０と、溶接継手部Ｗを透過した放射線が感光される感光用フィルム４２とが積層された構成を有している。試験体に放射線を透過すると、放射線は透過しながら試験体との相互作用により次第に弱くなる。溶接部の場合、ブローホールなどの欠陥を有する領域は、欠陥を有さない領域と比べ、放射線がよく透過する。その結果、ブローホールなどの欠陥を有する領域は感光用フィルム４２上に黒い像として検出される。

かかる構成において、Ｘ線発生装置３４から溶接継手部Ｗに向けて照射されたＸ線は、溶接継手部Ｗを透過し、透過したＸ線は感光用フィルム４２を感光させ、感光用フィルム４２に像を形成する。感光用フィルム４２には、Ｘ線発生装置３４から遠い方の溶接継手部Ｗが写し出されるため、もし突合せ面１４及び２４に溶け込み不足があれば、感光用フィルム４２に凹溝３２の像が明瞭に写し出される。

本実施形態によれば、突合せ面１４及び２４に溶け込み不足があるときは、凹溝３２が感光用フィルム４２に黒い像として明瞭に写し出されるため、突合せ面１４及び２４の溶け込み不足の有無を正確に把握できる。そのため、分割中空ディスク１０や２０に検査孔を穿設する必要がないので、検査孔を加工する余分な作業を要せず、かつ分割中空ディスク１０や２０の強度を阻害しない。

また、内側空間Ｉを気密に保持でき、内側空間Ｉに蒸気が侵入して、蒸気タービンの運転に支障をきたしたり、あるいは運転効率を低下させるおそれがない。また、凹溝３２の断面が矩形であるので、感光用フィルム４２に凹溝３２の像をより明瞭に写し出すことができる。さらに、凹溝３２の断面が、前記寸法を有しているので、感光用フィルム４２に凹溝３２の像を鮮明に写し出すことができると共に、１パスの肉盛り溶接で凹溝３２の埋め込みを確実に行うことができる。なお、１パス溶接後にＸ線照射を行うことで、溶け込み不足を確認した後の補修作業が容易になる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様に、開先部１２及び２２とは反対側の突合せ面１４及び２４の一端に、内側空間Ｉに開口した環状の凹溝４４が、分割中空ディスク１０及び２０の周方向に形成されている。凹溝４４は、分割中空ディスク２０の突合せ面２４のみに形成された四角形の切欠き４６と分割中空ディスク１０とを対抗配置させて形成されている。その他の構成は第１実施形態と同一である。本実施形態によれば、突合せ面２４のみを加工することで、凹溝４４を形成できるので、凹溝４４の加工が容易である。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。図６（Ａ）において、本実施形態では、第２実施形態と同様に、内側空間Ｉに開口した凹溝４４が、分割中空ディスク２０の突合せ面２４のみに形成された四角形の切欠き４６と分割中空ディスク１０とを対抗配置させて形成されている。さらに、凹溝４４に加えて、凹溝４４に隣接して凹溝４４の奥側（外側空間Ｏ側）に、分割中空ディスク２０の突合せ面に凸部４８が形成され、分割中空ディスク１０の突合せ面に凸部５０が形成されている。これら凸部４８及び凸部５０は、互いに相補的に嵌合した形状を有している。

図６（Ｂ）は、１パス目の肉盛り溶接Ｐ_１、２パス目の肉盛り溶接Ｐ_２及び３パス目の肉盛り溶接Ｐ_３を行った溶接継手面Ｗｃの状態を示す。１パスの肉盛り溶接Ｐ_１により、突合せ面に溶込み部Ｍが形成され、凹溝４４が埋め込まれている。図７は、実際に感光用フィルム４２に写し出された溶接継手部Ｗの像を示している。図７（Ａ）は溶接前の像であり、図７（Ｂ）は１パス目の肉盛り溶接後の像である。図７（Ａ）では、凹溝４４の像Ｓ_４４が明瞭に写し出されている。一方、図７（Ｂ）では、何も写し出されておらず、突合せ面に溶込み部Ｍが形成され、凹溝４４が埋め込まれていることがわかる。

図７（Ｃ）は、比較例として示す溶接継手部Ｗの像である。この比較例は凹溝４４を形成しない溶接継手部Ｗを感光用フィルム４２に写し出した像である。図７（Ｃ）から突合せ面のラインがうっすらと微妙に確認できるが、周囲のほとんど見分けがつかない。これでは１パス目の肉盛り溶接後、溶込部Ｍが正常に形成されているかどうかを判定することは困難である。

本実施形態によれば、第２実施形態と同様の作用効果が得られると共に、分割中空ディスク１０、２０の突合せ面に互いに相補的に嵌合する凸部４８及び５０が形成されているので、溶接継手部Ｗにおける内側空間Ｉのシール効果を高めることができる。また、凸部４８及び５０が形成されていることで、溶接時の分割中空ディスク１０及び２０間の位置決めが容易になるという利点がある。

本発明によれば、目視できない場所に位置する溶接継手面の突合せ面に対して、母材に検査孔を穿設することなく、溶接継手部の検査が可能になる。

１ 蒸気タービン
３ 支持軸
５、７，１０，２０ 分割中空ディスク
１２，２２，１０２，２０２ 開先部
１４，２４、１０４，２０４ 突合せ面
１６，２６、４６ 切欠き
３０，３００ 溶接トーチ
３２、４４ 凹溝
３４ Ｘ線発生装置
３６ 高温用フィルムカセット
３８ テフロン（登録商標）プレート
４０ 断熱プレート
４２ 感光用フィルム
４８，５０ 凸部
１００，２００ 母材
１０６ 検査孔
Ｉ 内側空間
Ｍ 溶込み部
Ｏ 外側空間
Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３ 肉盛り溶接
Ｗ 溶接継手部
Ｗｃ 継手面

Claims (8)

1. タービンロータに適用される第１のディスク及び第２のディスクのうち少なくとも一方に凹溝を形成する溝形成ステップであって、前記第１のディスク及び前記第２のディスクの各々は、動翼を支持可能な本体及び前記本体から軸線方向に突出する環状部を有し、前記第１のディスク及び前記第２のディスクの環状部は前記軸線方向にて先端に継手面を有し、前記継手面は相互に当接可能な突合せ面及び前記突合せ面よりも径方向外側に外周溝を形成可能な開先部を有し、前記凹溝は、前記第１のディスク及び前記第２のディスクのうち一方又は両方の環状部の先端側且つ内周側に、前記環状部の周方向に沿って延びるよう形成される、溝形成ステップと、
   前記外周溝を通じて前記突合せ面同士を初層溶接し、溶込み部を形成する初層溶接ステップと、
   前記初層溶接ステップの後、前記環状部の径方向にて外側から前記溶込み部に対しＸ線を照射し、前記溶込み部を透過したＸ線によって感光用フィルムに像を形成させる撮像ステップと、
   前記撮像ステップで得られた像に基づいて、前記溶込み部における溶け込み不足の有無を判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで溶け込み不足が無いと判定されたときに、前記溶込み部の周囲にて前記開先部同士を溶接する２次溶接ステップと、
   前記判定ステップで溶け込み不足が有ると判定されたとき、前記溶込み部を修復する修復ステップと
   を備え、
   前記撮像ステップは、
   前記環状部の径方向にて外側に、前記Ｘ線を照射するためのＸ線発生装置を配置するＸ線発生装置配置ステップと、
   前記環状部の周方向にて前記Ｘ線発生装置とは１８０°反対側に位置する前記環状部の部分の外周面に前記感光用フィルムを配置する感光用フィルム配置ステップと、
   前記Ｘ線発生装置から前記溶込み部に対し前記Ｘ線を照射し、前記環状部の周方向にて前記Ｘ線発生装置とは１８０°反対側に位置する前記溶込み部の部分の像のみを前記感光用フィルムに形成させる感光ステップと
   を含み、
   前記Ｘ線発生装置配置ステップ、前記感光用フィルム配置ステップ及び前記感光ステップを、前記溶込み部における溶け込み不足の有無を判定するため、前記溶込み部の全周の像を得るべく複数回実行する、
   ことを特徴とするタービンロータの製造方法。
2. 前記第１のディスクの環状部に、前記突合せ面に段差を形成するよう前記軸線方向に突出する第１の凸部を形成するとともに、前記第２のディスクの環状部に、前記突合せ面に段差を形成するよう前記軸線方向に突出し且つ前記第１の凸部よりも小径の第２の凸部を形成する凸部形成ステップと、
   前記初層溶接ステップの前に、前記第１の凸部及び前記第２の凸部を同心上に相互に嵌合させる突合せステップと
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータの製造方法。
3. 前記凹溝は、前記第２のディスクの環状部にのみ形成され、前記第２の凸部の径方向内側に位置している
   ことを特徴とする請求項２に記載のタービンロータの製造方法。
4. 前記凹溝の断面積は、前記初層溶接ステップが失敗したとき、前記判定ステップで前記凹溝の存在を確認可能な大きさであって、且つ、前記初層溶接ステップが成功したときに、前記初層溶接により埋めることが可能な大きさに設定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービンロータの製造方法。
5. タービンロータに適用される第１のディスク及び第２のディスクを準備する工程であって、前記第１のディスク及び前記第２のディスクの各々は、動翼を支持可能な本体及び前記本体から軸線方向に突出する環状部を有し、前記第１のディスク及び前記第２のディスクの環状部は前記軸線方向にて先端に継手面を有し、前記継手面は相互に当接可能な突合せ面及び前記突合せ面よりも径方向外側に外周溝を形成可能な開先部を有し、前記第１のディスク及び前記第２のディスクのうち一方又は両方の環状部の先端側且つ内周側に、前記環状部の周方向に沿って延びる凹溝が形成されている、準備ステップと、
   前記外周溝を通じて前記突合せ面同士を初層溶接し、溶込み部を形成する初層溶接ステップと、
   前記初層溶接ステップの後、前記環状部の径方向にて外側から前記溶込み部に対しＸ線を照射し、前記溶込み部を透過したＸ線によって感光用フィルムに像を形成させる撮像ステップと、
   前記撮像ステップで得られた像に基づいて、前記溶込み部における溶込み不足の有無を判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで溶け込み不足が無いと判定されたときに、前記溶込み部の周囲にて前記開先部同士を溶接する２次溶接ステップと、
   前記判定ステップで溶け込み不足が有ると判定されたとき、前記溶込み部を修復する修復ステップと
   を備え、
   前記撮像ステップは、
   前記環状部の径方向にて外側に、前記Ｘ線を照射するためのＸ線発生装置を配置するＸ線発生装置配置ステップと、
   前記環状部の周方向にて前記Ｘ線発生装置とは１８０°反対側に位置する前記環状部の部分の外周面に前記感光用フィルムを配置する感光用フィルム配置ステップと、
   前記Ｘ線発生装置から前記溶込み部に対し前記Ｘ線を照射し、前記環状部の周方向にて前記Ｘ線発生装置とは１８０°反対側に位置する前記溶込み部の部分の像のみを前記感光用フィルムに形成させる感光ステップと
   を含み、
   前記Ｘ線発生装置配置ステップ、前記感光用フィルム配置ステップ及び前記感光ステップを、前記溶込み部における溶け込み不足の有無を判定するため、前記溶込み部の全周の像を得るべく複数回実行する、
   ことを特徴とするタービンロータの製造方法。
6. 前記第１のディスクの環状部に、前記突合せ面に段差を形成するよう前記軸線方向に突出する第１の凸部を形成するとともに、前記第２のディスクの環状部に、前記突合せ面に段差を形成するよう前記軸線方向に突出し且つ前記第１の凸部よりも小径の第２の凸部を形成する凸部形成ステップと、
   前記初層溶接ステップの前に、前記第１の凸部及び前記第２の凸部を同心上に相互に嵌合させる突合せステップと
   を更に備えることを特徴とする請求項５に記載のタービンロータの製造方法
7. 前記凹溝は、前記第２のディスクの環状部にのみ形成され、前記第２の凸部の径方向内側に位置している
   ことを特徴とする請求項６に記載のタービンロータの製造方法。
8. 前記凹溝の断面積は、前記初層溶接ステップが失敗したとき、前記判定ステップで前記凹溝の存在を確認可能な大きさであって、且つ、前記初層溶接ステップが成功したときに、前記初層溶接により埋めることが可能な大きさに設定されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載のタービンロータの製造方法。
   

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