Турбомашины: лазерная сварка для восстановления роторов турбомашин. Часть вторая

Серия специальных материалов, спонсируемая PSG11 апреля 2023 г.

Автор: Майкл В. Купер, доктор философии, инженер по материалам, Elliott Group, и Майкл Дж. Мецмайер, инженер по сварке IV, инженерия материалов, Elliott Group

Для ремонта валов LBW-W обычно более применим, чем LBW-P. Первая причина этого заключается в том, что LBW-W имеет меньшую вероятность образования дефектов, а именно пористости, что может привести к отбраковке дефектов поверхности после окончательной обработки.

Во-вторых, возможность использования импульсного лазерного источника в LBW-W снижает тепловложение, что помогает минимизировать искажения, остаточные напряжения и размер ЗТВ [8].

В-третьих, присадочный металл для проволоки дешевле и более доступен, чем порошок в целом, и, возможно, это единственный доступный вариант для углеродистых и низколегированных сталей, обычно используемых в качестве материалов для валов турбомашин.

Для ремонта ротора с использованием обычной дуговой сварки обычно требуется PWHT. Во-первых, остаточное напряжение от дуговой сварки достаточно велико, чтобы вызвать перемещение вала после окончательной обработки, особенно во время испытания на термостойкость, которое требуется для роторов турбин.

PWHT снимает остаточное напряжение и минимизирует перемещение вала во время обработки. Кроме того, поскольку роторы обычно изготавливаются из закаленной и отпущенной мартенситной стали, сварка создает твердый и хрупкий неотпущенный мартенсит в сварочном наплавлении и зоне термической опасности.

Неотпущенный мартенсит снижает ударную вязкость, потенциально ниже требований к основному материалу, особенно для эксплуатации при низких температурах.

PWHT закаливает свежий мартенсит, образовавшийся во время сварки, что восстанавливает ударную вязкость вала. К сожалению, PWHT также может привести к перегреву основного материала, что в некоторых случаях может привести к потере прочности.

Термическая обработка после сварки также является дорогостоящей и трудоемкой операцией. На рисунке 4 показана установка для PWHT, применяемая к ротору.

Для этого процесса вал необходимо подвешивать вертикально, чтобы минимизировать искажения. Другими словами, если бы ротор подвергся термообработке горизонтально, он бы прогнулся и провис между опорами, которые после термообработки стали бы постоянными.

После вертикального подвешивания вала добавляются нагревательные одеяла и термопары, которые должны обеспечивать интенсивный, но точный нагрев (обычно более 1000 ° F), и это тепло должно распределяться равномерно.

Если тепло подается неравномерно, напряжение будет сниматься неравномерно, что может привести к нежелательным искажениям.

Скорость нагрева/охлаждения и время выдержки необходимо тщательно контролировать и отслеживать. В целом этот процесс является относительно сложным, трудоемким и дорогостоящим.

Часто специалисты по лазерной сварке утверждают, что PWHT не требуется в их процессе, поскольку сварочные наплавки и зона термической опасности, создаваемые лазерной сваркой, достаточно малы, и их присутствие оказывает незначительное влияние на общие свойства вала.

Однако мало академических исследований было проведено по механическим свойствам ремонта лазерной сваркой в ​​турбомашинах.

Хотя наплавка и ЗТВ могут быть небольшими, опасно предполагать, что они не повлияют на пригодность вала к эксплуатации, особенно если материал вала изготовлен из закаленной и отпущенной стали, которая является наиболее часто используемым материалом вала.

Чтобы избежать PWHT, необходимо принять меры предосторожности, чтобы гарантировать, что ремонт будет соответствовать требуемым свойствам без PWHT. Эти меры предосторожности включают испытания, рекомендованные далее в этой статье, а также рассмотрение совместимости с требованиями рабочей среды к эрозии и коррозии.

Как упоминалось выше, текущий стандарт ASME BPVC не различает LBW-P и LBW-W, а также не учитывает неизбежное изменение с течением времени выходной мощности Nd:YAG-лазеров.

В будущем это необходимо будет исправить, чтобы учесть различия в типичных применениях и квалификации этих процессов. Что касается аттестации процедуры, сварные швы с разделкой кромок будут соответствовать требованиям ASME BPVC, раздел IX, таблица QW-451.1.