ターボ機械: ターボ機械ローター修復のためのレーザー溶接: パート 2

PSG11主催の特集シリーズ 2023年4月

Michael W. Kuper博士、Elliott Group材料エンジニア、およびMichael J. Metzmaier著、Elliott Group材料工学溶接エンジニアIV

シャフトの修理には、一般に LBW-P よりも LBW-W の方が適しています。 その第一の理由は、LBW-W には欠陥、つまり気孔が形成される可能性が低く、最終機械加工後に不合格の表面兆候が生じる可能性があるためです。

第 2 に、LBW-W でパルス レーザー源を使用できるため、入熱が減少し、歪み、残留応力、HAZ のサイズを最小限に抑えることができます [8]。

第三に、ワイヤフィラーメタルは、一般に粉末よりも安価で容易に入手できるため、ターボ機械のシャフト材料として一般的に使用される炭素鋼および低合金鋼に使用できる唯一の選択肢である可能性があります。

従来のアーク溶接を使用したローター修理には、通常、PWHT が必要です。 まず、アーク溶接による残留応力は、最終機械加工後、特にタービンローターに必要な熱安定性試験中にシャフトの動きを引き起こすほど大きくなります。

PWHT は残留応力を軽減し、加工中のシャフトの動きを最小限に抑えます。 また、ローターは通常、焼き入れおよび焼き戻しされたマルテンサイト鋼であるため、溶接により溶接デポジットおよび HAZ に硬くて脆い非焼き戻しマルテンサイトが生成されます。

焼き戻しされていないマルテンサイトは衝撃靱性を低下させ、特に低温使用の場合、母材の要件を下回る可能性があります。

PWHT は溶接中に形成されたフレッシュマルテンサイトを焼き戻し、シャフトの衝撃靱性を回復します。 残念ながら、PWHT は母材を焼き戻ししすぎる可能性があり、場合によっては強度が低下する可能性があります。

溶接後の熱処理もコストと時間がかかる作業です。 図 4 は、ローターに適用される PWHT のセットアップを示しています。

このプロセスでは、歪みを最小限に抑えるためにシャフトを垂直に吊るす必要があります。 言い換えれば、ローターが水平に熱処理されると、ローターは支持体間で曲がり、たわみ、熱処理後に永久的なものになります。

シャフトを垂直に吊り下げた後、加熱ブランケットと熱電対が追加され、強力かつ正確な熱 (通常は 1000 °F 以上) を提供する必要があり、この熱は均一に分散される必要があります。

熱が不均一に加えられると、応力の緩和が不均一になり、有害な歪みが発生する可能性があります。

加熱/冷却速度と保持時間は注意深く制御および監視する必要があります。 全体として、このプロセスは比較的複雑で、時間とコストがかかります。

多くの場合、レーザー溶接アプリケーターは、レーザー溶接によって生成される溶接付着物と HAZ が十分に小さいため、それらの存在がシャフト全体の特性に与える影響は無視できるため、プロセスに PWHT は必要ないと主張します。

しかし、ターボ機械用途におけるレーザー溶接修復の機械的特性に関する学術研究はほとんど行われていません。

溶接付着物と HAZ は小さいかもしれませんが、特にシャフト材料が最も一般的に使用される焼き入れ焼き戻し鋼である場合、それらがシャフトの使用適性に影響を与えないと仮定するのは危険です。

PWHT を回避するには、PWHT がなくても修理が必要な特性を確実に満たすように予防措置を講じる必要があります。 これらの予防措置には、この記事で後ほど推奨するテストや、動作環境の侵食および腐食要件との互換性の考慮が含まれます。

上で述べたように、現在の ASME BPVC は LBW-P と LBW-W を区別しておらず、Nd:YAG レーザーの出力パワーの時間の経過に伴う避けられない変化も考慮していません。

この点は、これらのプロセスの一般的なアプリケーションと認定の違いを考慮して、将来的には修正する必要があります。 手順の認定に関して、開先溶接は ASME BPVC セクション IX 表 QW-451.1 に認定されます。

ただし、ローターの修復の場合、LBW 修復は通常、表面の損傷に対して実行されるため、肉盛溶接と見なされます。 ASME BPVC セクション IX 表 QW-453 のオーバーレイの手順認定要件は、開先溶接の要件とともに以下の表 1 に記載されています。

硬化オーバーレイには硬度の測定値が必要ですが、ASME は許容基準をリストしていません。

したがって、硬度制限は、アプリケーションおよび使用環境条件に基づいてケースバイケースで適用する必要があります。

前述したように、ほとんどのローター修理は肉盛溶接として認定されますが、場合によっては、上記の要件に加えて、レーザー ビーム溶接のさらなるテストが必要になる場合があります。

一般に、シャフトのどの部分が修理が必要かによって決まる、シャフトの重要な設計要素も考慮する必要があります。

修復中のシャフトの損傷の最も一般的な場所には、カップリングのはめあい、ジャーナル、プローブ領域、シール領域、および本体が含まれます。

修復プロセスの性質 (溶接デポジットの融合と HAZ の形成) により、修復領域の特性は元のシャフト材料の特性と一致しないことが理解されています。

さらに、シャフトの各部分には独自の設計基準があります。 したがって、修復された領域が各修復場所の最小設計要件を満たしていることを確認することが重要です。

それを念頭に置いて、以下ではシャフトの各領域について考慮すべき重要な特性について説明します。 この情報の概要を表 2 に示します。

メインシャフト本体の修理は通常、応力が最も低い領域に行われ、シャフトの材料組成と特性を一致させる必要は通常ありません。 これらの場所での修復の目的は、他の場所に歪みを生じさせることなく寸法を復元することです。

シャフトの本体はプロセスガスと接触しているため、水素供給（100 psig を超える水素分圧）に使用される機器の溶接修理は、最大降伏強度 120 ksi およびロックウェル硬度 34 に制限する必要があります。 API 617 の要件を満たす C。

したがって、水素サービスで動作するローター修理に LBW を適用できるかどうか、またどのように適用できるかを決定するには、さらなる分析が必要です。

ジャーナル、シール、プローブ領域は一般にシャフト本体に比べて直径が小さいため、これらの場所の応力は適度に高く、修理方法を選択する際には考慮する必要があります。

引張強さと靭性は、これらの領域の修理評価の一部である必要があります。 また、ジャーナル領域は、最終機械加工および研削後の表面粗さ要件 (通常は 32 マイクロインチ以上) を満たすことができなければなりません。つまり、これらの場所では気孔率が懸念される可能性があります。

プローブ領域にある修理箇所は、電気的振れの読み取り値が不安定になるのを防ぐために、均一な微細構造を持つ必要があります。 プローブ領域は通常、プローブの精度と精度を最大化するために研削および光沢仕上げが施されます。

充填材は渦電流プローブのターゲット材としても機能する必要があり、プローブの校正の変更を考慮する必要がある場合があります。

ジャーナルおよびプローブ領域では硬度は大きな問題ではありませんが、シール領域はプロセスガスと接触するため、ローターが水素サービスで動作する場合は、上記の最大強度と硬度の要件を満たさなければなりません。

カップリング領域は通常、シャフト全体の中で最も小さな直径の 1 つであり、これは最も高い応力の一部を受けることを意味します。 この領域には、キー溝、溝、圧縮嵌めなどの追加の応力集中部が含まれる場合もあります。

タービンディスクなど、ローターに他の高度に応力がかかる一体的な特徴がない限り、シャフト全体の強度はこの特徴に基づいて選択されます。

シャフトのこの部分は、ローターを駆動する装置によって引き起こされる可能性のある高い交番応力を受ける可能性があるため、耐久限界を考慮する必要があります。

表面処理された材料は、基材と比較して耐久限界が最大 50% 低下する可能性があるため、耐久限界を決定する際には注意が必要です。

したがって、引張特性に加えて疲労特性を直接試験する必要があります。 カップリング修理の疲労に関する考慮事項は複雑であり、ASME BPVC ガイドラインをはるかに超える追加の考慮事項とテストが必要です。

カップリングの修理設計と評価は重要かつ複雑であるため、この分野の修理についてはこの記事では考慮しません。

このセクションで特定された重要な特性に基づいて、ASME BPVC セクション IX によって要求されるテストだけでは、シャフトの本体を除くすべての一般的な修理箇所の修理の適合性を評価するには不十分です。

この不一致を修正するには、ジャーナル、プローブ、およびシール領域で行われたすべての修理認定に対して、少なくとも追加の引張試験と衝撃試験を実行することをお勧めします。

水素サービスによりローターの降伏強度が制限される場合、本体とシールの修理のために硬度測定も行う必要があります。 さらに、結合領域には、この記事の範囲外である疲労試験に関連する追加の考慮事項が必要です。

次のセクションでは、シャフトに一般的に使用される低合金鋼に関する LBW 性能認定によるテスト結果の例を詳しく説明します。

これらの母材はそれぞれ、AWS A5.28 クラス ER120S-1 を使用して溶接されました。 この論文で使用される略語、関連する工業規格、および各材料の主合金元素の組成制限を含む、この研究で使用される材料を表 3 に示します。

すべての溶接は、ファイバー レーザー源を備えた 900 ワットのパルス レーザー溶接システムを使用して行われました。 この研究に使用された溶接パラメータは知的財産とみなされ、詳細を共有することはできません。

ただし、この研究では同じ溶接パラメータを使用し、平均レーザー出力は 522 W でした。この出力はレーザー システムの能力の約 58% であり、中間の堆積速度 (約 0.10 ポンド/時) に相当します。

各母材について、溶接用に V 溝を 1 インチ (25.4 mm) のプレートに機械加工しました。

溝は、25°の夾角 (片側あたり 12.5°) で深さ 0.625 インチ (15.9 mm) まで機械加工されました。

深さは、半径 0.1875 インチ (4.76 mm) で機械加工された溝の底まで測定されました。

溶接後、溶接部の表面欠陥について液体浸透試験が行われ、機械試験のために試験片が抽出されました。

開先溶接に加えて、溶接金属のみからなる引張試験片は、各層が溶接ビードのパッドからなる溶接金属の層を堆積および積み重ねることによって作成されました (積層造形と同様)。

バーは幅約 0.5 インチ、高さ 0.5 インチ、長さ 5 インチでした。試験のためにそれぞれから 2 つの引張試験片が抽出されました。1 つの試験片は溶接されたままの状態で試験され、もう 1 つは 3 分間の PWHT を受けた後に試験されました。 1200°Fで時間。

次のリストは、この研究で溶接された各母材の LBW-W 手順認定のために実行された機械的試験をまとめたものです。特に記載のない限り、すべての試験片は V 溝溶接から抽出されました。

すべての溶接部は液体浸透試験と側面曲げ試験に合格しました。 マクロテストでも検査に合格しました。つまり、5 倍の倍率で目に見える亀裂は含まれていませんでした。

図 5 は、LBW オーバーレイの断面を示しています。LBW オーバーレイの HAZ のサイズが小さいことがわかります。この研究では、平均厚さは 0.00975 インチでした。さらに、LBW 溶接デポジットはきれいで、気孔は検出できませんでした。画像は表面のわずかな錆びからのものです。

表 4 に、降伏強さ、引張強さ、破断点伸び、破断点での面積減少を含む全溶接引張試験の結果を示します。

失敗。

この表には、溶接されたままのサンプルと PWHT サンプルの実験値がリストされており、AWS A5.28 のフィラー ワイヤーの特性要件が含まれています。

使用した 4 つの母材のそれぞれについて、開先溶接引張試験の結果を表 5 に示します。 試験結果には、降伏強さ、引張強さ、破断時の伸び、面積減少、破断位置が含まれます。

この表には、母材規格の機械的特性要件も含まれています。

シャルピー v ノッチ衝撃試験の結果を表 6 に示します。

試験結果には、試験温度、平均衝撃靱性、平均横方向膨張、平均せん断パーセントが含まれます。

該当する場合は、母材仕様からの機械的特性要件も含まれます。

各開先溶接の硬度調査結果を表 7 に示します。

表 7 には、各溶接からの溶接デポジットと HAZ の測定された厚さも含まれています。

手順の認定のために実施された機械的テストに加えて、損傷した 2 本のシャフトに対して修復溶接が実施されました。

図 6 に示すように、最初のシャフトは、シール、プローブ、およびジャーナル領域の広範囲の孔食によって損傷しました。図には、溶接後および最終機械加工後の修復されたシャフトも示されています。

プローブ領域も研磨され、磨き上げられています。これは、電気的振れの測定結果とともに図 7 に示されています。

修理された領域とシャフトの残りの部分の色の違いは、バニシング中の基材の硬度の違いによって生じましたが、機械的および電気的な振れの測定値は必要な許容範囲内でした。

図 7. 修理後の磨き上げられたプローブ領域の例 (左)。 補修部分は母材と溶接金属の違いにより暗く見えます。 ただし、修理はプローブ領域に必要な幾何公差、表面仕上げ、および電気的振れ (右) を満たしていました。

図 8 に示すように、2 番目のシャフトは組み立てのために開梱中にカッターで損傷しました。

傷の深さは約 0.003 インチで、図 8 にも見られるように、単一の溶接ビードを使用して局所的に修復されました。修復後、シャフトは幾何学的仕様に研削され、検査され、保守用に取り付けられました。

図 8. ジャーナル領域 (左) のスクラッチ (丸で囲んだ)。 LBW修理後の同じ傷（中）。 最終加工後の修正箇所（右）。

この研究で使用された溶接されたままの ER120S-1 は、全溶接引張試験片の降伏強度、引張強度、伸びに関して、AWS ワイヤ標準の機械的特性要件をそれぞれ 26.7%、14.2%、および 21.4% 上回りました。 。

これらの優れた値は、レーザー溶接プロセスに固有の急速凝固によって引き起こされる結晶粒の微細化に起因すると推測されます。

溶接物に関しては、各 V 溝からテストされたサンプルは、BM4 を除くすべての場合で、機械的特性が関連する母材の要件を超えていることを示しました。

したがって、BM1、BM2、および BM3 は、母材の機械的特性を満たすことを心配することなく、今回の研究で使用したプロセスで ER120S-1 で溶接できます。

BM4 溶接が BM4 母材の要件を満たしていない理由は、この母材が溶接材料と一致しすぎているためです。 ER120S-1 の最小引張強度は 120 ksi、BM4 の最小引張強度は 175 ksi です。

それにもかかわらず、溶接部は見事に機能し、テストでは 142.3 ksi の引張強度を達成しました。 他の溶接部と比較して、ここで示されたより高い強度は、母材の希釈によって引き起こされた可能性があります。

溶接されたままの状態での優れた機械的特性にもかかわらず、PWHT を受けた試験片は、引張強度と降伏強度がそれぞれ 41% と 28% 低下し、この研究で使用されたすべての母材と比較した場合、許容できないレベルになりました。 。

そのため、予想される強度の低下が設計の観点から許容できる場合を除き、このフィラー ワイヤは PWHT が必要な状況では使用しないでください。

一般に、衝撃靱性の結果は例外的でした。 すべての溶接継手 (衝撃靱性要件があるもの) の衝撃靱性は、必要な値を大幅に上回っていました。

さらに、横方向の拡張とせん断パーセントの結果も例外的でした。 これらの優れた結果は、図 5 に見られるように溶接金属の微細な粒径によるものと推測されますが、確認するにはさらなる特性評価とテストが必要です。

前述したように、ASME コードでは肉盛溶接の認定に硬度スキャンが必要ですが、合格基準は設定されていません。 ローターの修復に適用される可能性のある最も適切な制限は、水素が豊富な環境で動作するコンプレッサー シャフトに対して API 617 によって設定された最大硬度要件 (34 ロックウェル C) です。

この要件は、シャフトのこれらの領域がプロセスガスと接触するため、本体およびシールの修理にも適用されます。 硬度変換を規定する ASTM E140 の表 1 によると、34 ロックウェル C はビッカース スケールで 336 に相当します。

最大 336 HV にさらされた場合、HAZ 硬度が規定の制限を超えているため、この研究で使用した母材はいずれも補修溶接後の水素サービスに使用できません。

また、溶接金属は、335 HV で測定された BM3 溶接部を除くすべての場合で、硬度限界 336 HV を超えており、許容範囲の限界値として考慮する必要があります。 また、BM4 は母材の硬度も高すぎるため、いずれの場合も水素サービスには使用できませんでした。

HAZ と溶接デポジットの硬度が高いため、この研究で使用された材料はどれも、溶接したままの状態での水素サービスに使用できません。

これらの領域の硬度は PWHT を使用して下げることができますが、前述したように、この研究で使用した溶接金属は熱処理により強度が大幅に低下するため、シャフトの用途には受け入れられない可能性があります。

PWHT が必要な場合は、他の溶加材の方が適切である可能性がありますが、これは現在の作業の範囲外です。 さらに、HAZ の硬度が非常に高いため、水素サービスに関する API 617 の要件を満たすにはかなりの PWHT が必要となる場合があり、これによりシャフトの母材が過剰に焼き戻されて、用途によって設定された制限を超えて強度が低下する可能性があります。

補足として、この問題に対する潜在的な解決策は、誘導加熱を使用して局所的な PWHT を実行することであることに注意してください。これには表皮効果があり、シャフトの大部分を大幅に焼き戻しすることなく HAZ を焼き戻すことができる可能性があります。 。

この可能性はまだ調査されておらず、さらなる研究が必要です。 いずれにしても、ここで概説した理由により、LBW は、水素サービスを伴う場合、特に母材が焼き入れ焼き戻し鋼である場合の修理には最適な選択肢ではない可能性があります。

溶接および仕上げ機械加工後の幾何学振れは許容限度 (0.002 インチ) 内にあったため、LBW によって引き起こされる歪みはわずかでした。最終機械加工後に表面の兆候は見つかりませんでした。これは、液体浸透試験中に気孔が検出されなかったことを意味します。

さらに、プローブ領域は標準プロセスを使用して正常に研磨され、許容可能な幾何公差が得られました。 プローブ領域の電気的振れテストも許容範囲内で許容可能であり、この場合、プローブの再校正は必要ありませんでした。

許容可能な電気的振れは、機械化された LBW プロセスに固有の高度な精度と制御の結果として得られる溶接デポジットの高度な均一性によるものであると仮説が立てられています。

この仮説を評価するにはさらなる研究が必要である。 傷の修復については、最終加工後に局所的な溶接が「きれいに」ならないのではないかという当初の懸念がありました。

言い換えれば、溶接の開始または終了におけるクレーター、または溶接止端に沿ったアンダーカットにより、最終加工後に負のスペース (材料の欠落) が発生する可能性があることが予測されました。 しかし、溶接後の元の寸法への最終機械加工により、トポロジー欠陥や低いスポットのない滑らかな表面が得られました。

深さ約 0.003 インチの傷は、実行可能な修復プロセスがなければシャフトをスクラップにしていたでしょう。従来のアーク溶接は、ジャーナル領域からシャフトのカップリング端まで溶接する必要があったため、オプションとして除外されました。軸。

この場合、その場所の強度要件により、結合領域での溶接は実現できませんでした。 代わりに、レーザー溶接プロセスを利用して傷の局所的な修復を実行し、結合領域での溶接の必要性を排除し、処理時間を大幅に節約しました。

修理領域の最終研削では、元の図面公差を超えて追加の素材を除去する必要はありませんでした。

図 6 に示すタービン ローターは、シールとジャーナルの位置に広範囲の孔食損傷を受けていました。 これらの領域の従来のアーク溶接肉盛では、修復するには複数の段階のプロセスが必要でした。

まず、すべての損傷および突出部分 (つまり、パッキンの歯、バランス リング、スラスト ディスクなど) を、0.125 インチのラジアル ストックの追加のアンダーカットでシャフトから機械加工します。

その後、シャフトが溶接され、すべての形状を復元するために必要に応じて材料が積み上げられ、機械加工や溶接プロセスによる歪みを考慮して追加のストックが追加されます。

溶接の修復には、残留応力を除去するために応力除去熱処理が必要になります。 これが必要なのは、機械加工中に残留応力によってシャフトが移動する傾向があり、その結果、必要な幾何公差を満たせない可能性が高くなるためです。

タービンシャフトの場合、残留応力の除去は熱安定性チェックに合格するために重要です。 応力除去後、シャフトは最終加工され、非破壊検査が行われます。 次に、タービン ローターは前述の熱安定性チェックの対象になります。

レーザー溶接を使用すると、修理プロセスに必要な手順が少なくなります。 まず、損傷領域はアンダーカットされますが、突出部分を含む損傷を受けていない領域はシャフト上に残る可能性があります。

第 2 に、LBW オーバーレイを実行して、追加の 0.020 インチの機械加工ストックを使用してシャフトの寸法を復元します。第 3 に、図面の寸法を満たすように修理を機械加工し、最後に、欠陥をチェックするために所定の非破壊検査が実行されます。

全体として、このプロセスでは溶接修復の前後に必要な機械加工が大幅に減り、PWHT が排除されます。 また、ローターがニッケルベースの合金などの耐食性材料で被覆されている場合、LBW は堆積する材料の量が少なくなり、コスト削減につながる可能性があります。

シャフトの肉盛溶接にかかる時間は、サブマージ アーク溶接などの従来のアーク溶接プロセスよりも LBW の方が長くなる可能性があることに注意してください。ただし、LBW を使用すると、加工時間が短縮され、PWHT が不要になるため、通常、溶接中に失われた時間は補われます。かなり余裕を持って溶接します。

もちろん、これはローターのサイズ、修理の範囲、機能の複雑さなどを含むさまざまな要因に依存するため、特定の用途に最適な溶接修理プロセスは異なる可能性があり、ケースに応じて選択する必要があります。ケースバイケース。

それにもかかわらず、LBW は多くの場合、時間の経過や使用条件にさらされると一般的に発生する表面的な損傷の修復に明らかな利点を提供します。

レーザー溶接は、正しく適用されれば、ターボ機械のシャフトを修復するための効果的な方法です。 このプロセスは表面的な修復を迅速かつ効率的に実行でき、場合によっては PWHT を実行せずに修復できるため、時間とコストがさらに節約されます。

ただし、シャフト本体の外側で LBW 修理を行う場合は、溶接したままの修理の完全性を保証するための補足テストによって溶接手順を完全に認定することが重要です。

この試験には、引張試験、衝撃試験、硬度が含まれます。 この文書では詳しく説明しませんでしたが、カップリングの修理には疲労試験も重要です。

さらに、これらの要件と、LBW でのワイヤベースと粉末ベースのフィラーメタル供給の違いの認識は、業界標準としてこれらの慣行への準拠を保証するために、ASME BPVC のセクション IX によって対処される必要があります。

HAZ = 熱影響区域

LBW = レーザービーム溶接

LBW-P = レーザービーム溶接 (粉末フィラーメタル)

LBW-W = レーザービーム溶接 (ワイヤーフィラーメタル)

PWHT = 溶接後の熱処理

SAW = サブマージアーク溶接

WPS = 溶接手順仕様

Michael W. Kuper 博士は、Elliott Group の製品および技術グループの材料エンジニアです。 彼は学士号、修士号、博士号を取得しています。 オハイオ州立大学で材料科学と工学の博士号を取得。

彼の過去の経験には、ニッケルベースの溶加材で溶接された 9Cr-1Mo-V 鋼を含む異種金属溶接の分析や、金属材料の高堆積速度の積層造形が含まれます。

彼は現在 5 冊の出版物を出版し、十数の技術会議で研究を発表しており、雑誌「Welding In the World」の査読者としても活躍しています。

Michael Metzmaier は、Elliott Group の材料工学部門の溶接エンジニアです。 彼はペンシルベニア工科大学で溶接および製造エンジニアリング技術の学士号を取得しています。

彼は、エリオット グループ内で製造エンジニア、ローター部門スーパーバイザー、溶接エンジニアなどのさまざまな役職を歴任してきました。