NAPRAWA USZKODZONYCH WIRNIKÓW TURBIN PAROWYCH PRZY ZASTOSOWANIU TECHNOLOGII SPAWANIA NA PODSTAWIE DOŚWIADCZEŃ FIRMY TURBOCARE Specjalista ds. spawania mgr inż. Marek Nogalski TURBOCARE Sp. z o.o., Wrocław Streszczenie W referacie przedstawiono zarys technologii naprawy spawalniczej uszkodzeń wirników turbin. Celem referatu jest przedstawienie możliwości jakie dają nowoczesne technologie spawalnicze stosowane przez firmę TurboCare do naprawy wirników turbin oraz ich popularyzacja na rynku krajowym. 1. WPROWADZENIE Wirnik jest jednym z najbardziej odpowiedzialnych części turbiny, który podczas pracy w wysokiej temperaturze jest poddawany bardzo dużym stałym i zmiennym obciążeniom. Tak ciężkie warunki pracy powodują iż prawie każdy błąd obsługi (eksploatacji) skutkuje awarią lub zniszczeniami. Przyczyn mechanicznego zniszczenia wirnika może być bardzo wiele. Mogą one być spowodowane błędami projektowymi, błędami powstałymi na etapie produkcji i montażu. Bardzo często zniszczenie wirnika jest spowodowane nieprawidłową obsługą podczas pracy czy błędami powstałymi przy remontach i konserwacji turbiny. Aby prawidłowo przeprowadzić proces naprawy, bardzo ważne jest aby określić przyczynę i mechanizm, który doprowadził do zniszczenia wirnika. Czasami jednoznaczne stwierdzenie jaka była przyczyna i mechanizm zniszczenia jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe ze względu na zbyt duży zasięg zniszczeń. Prawidłowo przeprowadzony proces naprawy powinien zminimalizować lub wyeliminować możliwość wystąpienia podobnej usterki w przyszłości i nie powinien sprowadzać się tylko do odtworzenia zniszczonej części wirnika.
W przeszłości spawanie jako metoda naprawy wirników turbin nie było stosowane na skalę przemysłową. Wieloskładnikowe stale do pracy w podwyższonych temperaturach z których wykonywane były wały wirników uznawane były za materiały niespawalne. Spawanie naprawcze wirników wiązało się ze zbyt dużym ryzykiem i często w przypadku gdy wirnik uległ mechanicznemu uszkodzeniu był wymieniany na nowy albo usuwano część ołopatkowania ograniczając moc (sprawność) turbiny. Wymiana wirnika wiązała się z długim czasem oczekiwania ze względu na kosztowny i czasochłonny proces technologiczny wytwarzania wirników. 2. TCHNOLOGIE SPAWALNICZE STOSOWANE W REMONTACH WIRNIKÓW TURBIN W chwili obecnej, przy zastosowaniu nowych technologii spawalniczych, istnieją niemal nieograniczone możliwości regeneracji wirników. Naprawione wirniki mogą pracować przy pełnym obciążeniu bez żadnych ograniczeń. Odtworzone części wirników charakteryzują się często lepszymi własnościami mechanicznymi, czy odpornością na korozję niż materiał rodzimy wirnika. Uszkodzenia wirników, które najczęściej podlegają naprawom spawalniczym można ograniczyć do czterech przypadków: 1. Lokalne odtworzenie poprzez napawanie zniszczonej powierzchni wału wirnika - Fot. 1. Fot. 1. 2. Odtworzenie poprzez napawanie uszkodzonej tarczy wirnika - Fot. 2. Fot. 2.
3. Rekonstrukcji części wału wirnika, w którym wykryto głębokie pęknięcie sięgające otworu centralnego - Fot. 3. Fot. 3. 4. Usuwanie przez napawanie głębokich pęknięć, które nie przechodzą na wskroś wału wirnika - Fot. 4. Fot. 4. 2.1. METODY SPAWANIA WYKORZYSTYWANE DO NAPRAWY WIRNIKÓW TURBIN Wiodącą spawalniczą metodą naprawczą wirników wykorzystywaną przez firmę TurboCare jest spawania łukiem krytym ( ang. Submerged Arc Welding SAW ). W procesie spawania SAW łuk elektryczny jarzy się pomiędzy podawanym w sposób ciągły drutem a materiałem spawanym, pod warstwą ziarnistego topnika. Topnik stapiając się w łuku tworzy na powierzchni jeziorka warstwę żużla, który osłania roztopiony metal przed wpływem powietrza atmosferycznego. Proces SAW jest w pełni zmechanizowany. Napawanie łukiem krytym jest procesem bardzo wydajnym, nadającym się szczególnie do wykonywania długich prostoliniowych i obwodowych napoin w pozycji podolnej.
kierunek przemieszczania topnika z zasobnika palnik kierunek podawania drutu rolki podajnika drutu ciekły metal dysza drut elektrodowy topnik ciekły topnik zakrzepły topnik (+) (-) łuk elektryczny napoina materiał rodzimy kierunek spawania Fot. 5. Zasada spawania łukiem krytym (SAW ) Kolejną metodą spawalniczą wykorzystywaną do naprawy wirników turbin jest spawanie łukowe elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych, znane powszechnie pod nazwą TIG ( ang. Tungsten Inert Gas) lub GTAW ( ang. Gas Tungsten Arc Welding). W procesie spawania metodą TIG łuk elektryczny jarzy się pomiędzy elektrodą wolframową a materiałem spawanym. Wydzielające się podczas spawania ciepło stapia brzegi łączonych elementów. Spoiwo w postaci drutu podawane jest do jeziorka ręcznie. Ciekły metal jest osłonięty przed wpływem powietrza atmosferycznego przez wypływający z dyszy gaz obojętny. Metoda ta, ze względu na niską wydajność, służy do niewielkich napraw lub wykonywania warstw przetopowych podczas łączenia odkuwki z wałem wirnika. dysza ceramiczna palnik uchwyt przewód gazu osłonowego łuk elektryczny elektroda wolframowa spoiwo obojętny gaz osłonowy napoina (-) (+) ciekły metal materiał rodzimy kierunek spawania Fot. 6. Zasada spawania elektrodą wolframową w osłonie argonu (TIG)
2.2. WYBRANE PRZYPADKI NAPRAW SPAWALNICZYCH WIRNIKÓW TURBIN ZREALIZOWANE PRZEZ TURBOCARE SP. Z O.O. WE WROCŁAWIU ORAZ TURBOCARE INC. W HOUSTON 2.2.1. NAPRAWY ZREALIZOWANE W FIRMIE TURBOCARE SP. Z O.O.W SEZONIE 2007 Przykłady naprawianych wirników: 1. Naprawa wirnika WP turbiny 110MW polegała na odtworzeniu przez napawanie stopni A7, A8 i A11 w których stwierdzono pęknięcia we wrębach łopatkowych oraz otworach odciążających. a) b) Fot. 7. a) Pęknięcie w jednym z otworów odciążających, b) Pęknięcie wewnątrz wrębu łopatkowego Fot. 8. Widok stanowiska do napawania wirników metodą SAW znajdującego się w firmie TurboCare Sp. z o.o.
Fot. 9. Przygotowanie tarcz wirnika do napawania Fot. 10. Napawanie uszkodzonych tarcz Fot. 11. Widok tarcz po napawaniu pierwszej warstwy
Fot.12. Obróbka cieplna napawanych tarcz wirnika Fot.13. Widok tarcz po obróbce wstępnej obróbce mechanicznej, przygotowanych do badań diagnostycznych
2. Naprawa wirnika SP turbiny 65MW polegała na odtworzeniu przez napawanie stopnia A7 w którym stwierdzono pęknięcie we wrębie łopatkowym. Fot. 14. Widok wirnika SP w trakcie napawania stopnia A7 3. Naprawa wirnika WP turbiny 120MW polegała na odtworzeniu przez napawanie tarcz stopnia A9 i A10, które w wyniku skrzywienia wału uległy zniszczeniu. Fot. 15. Widok zniszczonych tarcz Fot. 16. Przygotowanie wirnika WP do napawania poprzez usunięcie części zniszczonych tarcz
Fot. 17. Napawanie zniszczonych tarcz wirnika 2.2.2. WYBRANE NAPRAWY WYKONANE W FIRMIE TURBOCARE INC., HOUSTON USA 1. Naprawa wirnika z rozległym uszkodzeniem tarcz. Fot. 18. Widok uszkodzonego wirnika Fot.19. Proces napawania tarcz
Fot. 20. Obróbka mechaniczna napawanych tarcz Fot. 21. Łopatkowanie odtworzonych tarcz 2. Przykład rekonstrukcji części wału wirnika w którym wykryto głębokie pęknięcie. Fot. 22. Odcięcie pękniętej części wału
Fot. 23. Przygotowanie złącza do spawania Fot. 24. Widok wału po przyspawaniu odkuwki Fot. 25. Obróbka mechaniczna na gotowo przyspawanej odkuwki
3. PODSUMOWANIE Wdrożone w firmie TurboCare Sp. z o.o. we Wrocławiu spawalnicze technologie naprawy dają niemal nieograniczone możliwości regeneracji wirników turbin. Powyższe przykłady przedstawiają jak szeroki jest zakres napraw spawalniczych, które umożliwiają przywrócenie uszkodzonych wirników do pracy. Przedstawione technologie spawalnicze mogą być z powodzeniem wykorzystywane do modernizacji, umożliwiając zmianę pierwotnego kształtu wirnika. Dzięki obecności w grupie TURBOCARE, możemy korzystać z wieloletniego doświadczenia firmy Turbocare Inc. z Houston USA w której naprawiono ponad 600 wirników turbin. Pierwsze naprawy były przeprowadzone pod nadzorem specjalistów z TC Houston według sprawdzonych technologii. Urządzenia i materiały spawalnicze zostały sprowadzone z USA. 4. LITERATURA [1] - William P. Anders, P. Eng. Turbine Steam Path, Maintenance and Repair, Volume I, PenWell Corporation, Tulsa 2001 (USA) [2] - William P. Anders, P. Eng. Turbine Steam Path, Maintenance and Repair, Volume II, PenWell Corporation, Tulsa 2002 (USA) [3] - Dr. ing. Wolfgang Janssen Welding on Rotors for Power Plant Turbo Sets, State of the Art, Siemens AG, Power Generation, Germany [4] - A. Klimpel, Napawanie i natryskiwanie cieplne, - WNT Warszawa 2000 [5] - Poradnik inżyniera, Spawalnictwo Tom I, II - Pod red. J. Pilarczyka - WNT Warszawa 2003 / 2005