k 19 REGISTRO DE LA PROPIEDAD INDUSTRIAL ESPA ˜NA k 21N´umero de solicitud:
8800691
k 51Int. Cl.4:B23P 6/04
k 12PATENTE DE INVENCION
A6
k22Fecha de presentaci´on: 09.03.88 k
73 Titular/es:
Westinghouse Electric Corporation Westinghouse Building
Gateway Center, Pittsburgh Pensilvania, US
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30Prioridad: 10.03.87 US 024207
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45Fecha de anuncio de la concesi´on: 16.04.89 k
72 Inventor/es: Clark, Robert Edward
Amos, Dennis Ray Taylor, David Ronald
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46Fecha de publicaci´on del folleto de patente:
16.04.89
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74 Agente: Elzaburu M´arquez, Fernando
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54T´ıtulo: Un m´etodo para reparar un rotor averiado de turbina de alta presi´on.
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57Resumen:
Los rotores de turbina de alta presi´on, al Cromo-Molibdeno-Vanadio, son reparados sustituyendo zonas da˜nadas de fijaci´on de ´alabes por anillos de recambio de sujecci´on de ´alabes fabricados con una aleaci´on modificada al 9cromo-1molibdeno. El anillo de recambio es provisto como un par de secciones forjadas semicirculares de anillo que son soldadas entre s´ı adyacentes a la zona del rotor sometida a reparaci´on y despu´es el anillo com-pleto es soldado al rotor. Utilizando un proceso de soldadura de ranura estrecha-arco en atm´osfera gaseosa, la propia soldadura, puede situarse entre pasadores de ´alabes y lejos de las zonas de tensi´on elevada.
DESCRIPCION
Esta invenci´on se refiere a la soldadura de re-paraci´on de rotores de turbinas de vapor de alta presi´on y particularmente a la reparaci´on de ta-les rotores mediante soldadura de anillo con un anillo fabricado con acero aleado modificado, al 9 cromo - 1 molibdeno (ASTM A 182, Grado F91). Aunque los avances tecnol´ogicos recientes han producido dispositivos muy mejorados de turbina de vapor de alta presi´on y, particularmente, han proporcionado dise˜nos de rotor mejorados para reducir al m´ınimo las tendencias de degradaci´on en servicio, algunas unidades, y especialmente las unidades m´as antiguas actualmente en servicio, experimentan a veces desgaste general, fisuraci´on exterior y otras formas de degradaci´on por des-gaste. Tales fen´omenos de desgaste se han hecho m´as corrientes debido a las tendencias actuales que producen una vida en servicio prolongado y el perfeccionamiento m´as bien que la sustituci´on por nuevas unidades.
Particularmente, en los rotores de turbinas de alta presi´on, al cromo-molibdeno-vanadio (Cr-Mo-V), a menudo se experimenta una fuerte fisu-raci´on en las zonas de fijaci´on de los ´alabes. A ve-ces, la fisuraci´on es tan importante que los ´alabes en filas particulares deben ser desmontados per-manentemente o sustituidos por ´alabes con dis-positivos de fijaci´on diferentes. Una soluci´on m´as pr´actica ha sido desmontar completamente las fi-jaciones de ´alabes fisuradas y sustituirlas por una pieza forjada en anillo que es soldada al rotor. Tales anillos deben ser generalmente de tama˜no mayor que la zona original de fijaci´on del rotor tanto en anchura como en di´ametro a fin de a-grandar el ´area de secci´on transversal, permitir el uso de diferentes tipos de fijaciones de ´alabes y reducir las tensiones impuestas en las fijaciones del rotor. Esto ha sido necesario porque la solda-dura convencional de aceros aleados al Cr-Mo-V produce una zona afectada por el calor de baja resistencia debida al proceso de soldadura.
La presente invenci´on proporciona la meto-dolog´ıa para reparar rotores de turbinas de va-por de alta presi´on, al cromo-molibdeno-vanadio (Cr-Mo-V), lo que evita los problemas anterio-res que se han experimentado en la reparaci´on de tales rotores en el pasado. Particularmente, la invenci´on proporcion un m´etodo para repa-rar rotores averiados de turbinas de alta presi´on, al cromo-molibdeno-vanadio (Cr-Mo-V), sustitu-yendo las zonas da˜nadas de fijaci´on de ´alabes por anillos de recambio de sujeci´on de ´alabes de una manera que evita las zonas afectadas por el calor de baja resistencia en ´areas de tensiones eleva-das. En su forma m´as amplia, la invenci´on pro-porciona un m´etodo para dicha reparaci´on que in-cluye mecanizar una zona del rotor da˜nado hasta una configuraci´on superficial adecuada para re-cibir un anillo de recambio; proporcionar un par de secciones forjadas de anillo acopladas, general-mente semicirculares formadas por una aleaci´on modificada al 9 cromo - 1 molibdeno (9 Cr - 1 Mo, mod.), teniendo cada una de dichas seccio-nes un par de extremos que est´an configurados de forma complementaria respecto a los extremos correspondientes de la otra secci´on a fin de
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sentar un anillo cuando los extremos correspon-dientes son situados uno junto al otro y solda-dos entre s´ı; disponer las secciones adyacentes a dicha zona mecanizada del rotor con los extre-mos correspondientes de las secciones del anillo en una relaci´on acoplada complementaria entre si para presentar el anillo de recambio; soldar entre si los extremos correspondientes de las secciones de anillo usando un procedimiento de soldadura de ranura extrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseos y metal depositado de soldadura de aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo para comple-tar el anillo; y despu´es soldar el anillo completo al rotor en la zona sometida a reparaci´on. En un as-pecto m´as preferido de la invenci´on, la soldadura del anillo al rotor es realizada usando un procedi-miento de soldadura de ranura estrecha-arco su-mergido atm´osfera inerte o un procedimiento de soldadura de ranura estrecha-arco con electrodo met´alio en atm´osfera gaseosa. En otro aspecto m´as preferido de la invenci´on, el anillo es soldado al rotor usando un metal depositado de soldadura de aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo. En otro as-pecto preferido de la invenci´on, la soldadura del anillo al rotor incluye soldar el anillo a la zona de recambio desde un primer lado del anillo y despu´es soldar el anillo a la zona desde el lado opuesto de este anillo. En un procedimiento pre-ferido particularmente, despu´es de que el anillo ha sido soldado a la zona desde el primer lado del mismo, la zona de reparaci´on es mecanizada desde el otro lado hasta el interior de la soldadura del primer lado para asegurar de este modo una penetraci´on de la junta del 100 % antes de soldar el anillo a la zona desde el lado opuesto de este anillo.
En otro aspecto m´as espec´ıfico de la invenci´on, las secciones de anillo semicirculares acopladas del anillo de reparaci´on son formadas cortando inicialmente 0una pieza forjada con forma de ani-llo en dos mitades aproximadas.
Esta invenci´on puede comprenderse mejor me-diante referencia a los dibujos, en los que: la Fi-gua 1 es una vista en perspectiva, fragmentaria, en corte transversal parcial, que ilustra la zona de reparaci´on por soldadura y el procedimiento de la presente invenci´on; y la Figura 2 es una vista en planta de un anillo de recambio para su uso en conexi´on con el procedimiento de reparaci´on de la Figura 1.
Como se esboz´o antes, la presente invenci´on se refiere a un m´etodo ´unico para reparar un rotor de turbina de vapor de alta presi´on, al Cr-Mo-V, que implica soldar un anillo, fabricado de un material de aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo, al rotor para sustituir una zona averiada de fijaci´on de ´alabes. El m´etodo de la invenci´on proporciona una zona reparada para montaje de ´alabes que tiene una re-sistencia de metal base suficiente para satisfacer los l´ımites de tensi´on de proyecto de la turbina y, particularmente, que supera la resistencia de una zona reparada afectada por el calor en la que alea-ciones al cromo-molibdeno-vanadio son soldadas entre s´ı.
De acuerdo con la presente invenci´on, se pro-porciona un m´etodo original para reparar un rotor averiado de aleaci´on al Cr-Mo-V. Como es cono-cido por los que tienen una cualificaci´on
ordina-ria en la t´ecnica relativa a la presente invenci´on, los rotores de turbinas de vapor de alta presi´on, relacionadas con la presente invenci´on, incluyen generalmente una serie de ´alabes de turbina que est´an unidos a la periferia exterior del rotor y se extienden radialmente hacia el exterior desde ella. Los ´alabes son fijados convencionalmente al rotor por medio de sujecciones de tipo leng¨ueta y ranura (machiembrado) en los que una leng¨ueta en el ´alabe se desliza dentro de una ranura en el rotor y es enchavetada en su lugar a trav´es de orificios de pasadores en el rotor. En tales zonas es donde se produce el da˜no de fisuraci´on que re-quiere la provisi´on de nuevas zonas de fijaci´on al rotor. Evidentemente, la zona de recambio debe poseer las limitaciones m´ınimas de tensi´on de pro-yecto.
Con referencia a los dibujos, el m´etodo de la presente invenci´on implica inicialmente el meca-nizado de un rotor 11 en una zona de ´este de-signada por el n´umero de referencia 10 para pre-parar dicha zona de forma que tenga una confi-guraci´on apropiada para recibir un anillo de re-cambio que ha sido designado generalmente por el n´umero de referencia 12 en los dibujos. Con re-ferencia adicional a los dibujos, ha de observarse que la Figura 1 ilustra un corte transversal par-cial de la zona de reparaci´on terminada; sin em-bargo, los que tengan una cualificaci´on ordinaria en la t´ecnica apreciar´an que el anillo 12 se ex-tiende 360◦ completos alrededor del rotor y que la zona 10, que est´a mecanizada para recibir el anillo, tambi´en se extiende 360◦ completos alre-dedor del rotor, teniendo as´ı la zona 10 una forma generalmente anular. Los ´alabes del rotor se fi-jar´an a la periferia circunferencial exterior 12c del anillo 12 de una forma conocida por los expertos en esta t´ecnica.
Preferiblemente, el anillo 12 puede ser faci-litado inicialmente como una pieza forjada en forma de anillo completo. Entonces, dicho ani-llo es cortado en dos mitades aproximadas 12a y 12b, como se ve en la Figura 2, cada una de cu-yas partes tiene forma sustancialmente semicircu-lar y se extiende 180◦aproximadamente alrededor de la zona 10 despu´es de que la reparaci´on est´a completa. En este aspecto, debe observarse que las secciones 12a y 12b de anillo pueden no ser segmentos perfectos de 180◦ porque las posicio-nes de los orificios 13 de pasador var´ıan a veces y la ranura 12d de soldadura debe situarse lejos de los orificios de pasador. Tambi´en se se˜nala que el corte del anillo original 12 en un par de secciones 12a y 12b de anillo aproximadamente semicirculares es deseable generalmente para per-mitir la ubicaci´on inicial del anillo 12 adyacente a la zona 10 que ha de repararse puesto que esta ´
ultima est´a dispuesta usualmente en el centro del rotor y los extremos del rotor tiene generalmente un di´ametro mayor que el centro. De este modo, ser´ıa imposible deslizar una secci´on de anillo com-pleto axialmente a lo largo del rotor, y la provisi´on de un par de secciones de anillo semicirculares, tales como las 12a y 12b, facilita la ubicaci´on del anillo completo adyacente a la zona sometida a reparaci´on.
De acuerdo con la invenci´on, las mitades o sec-ciones semicirculares 12a y 12b del anillo est´an
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formadas con acero de aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo, y despu´es de ser formadas cortando la pieza forjada del anillo original por la mitad aproxima-damente, cada secci´on 12a y 12b tiene un par de extremos 12a’ y 12b’. Los extremos 12a’ y 12b’ son mecanizados preferiblemente con un perfil, dejando una zona 12d entre ellas conocida como una ranura de soldadura. As´ı, los extremos 12a’y 12b’ est´an configurados de forma complementa-ria respecto a los extremos correspondientes de la otra secci´on de forma que cuando los extremos corespondientes 12a’ y 12b’ se sit´uan pr´oximos, el anillo 12 es presentado con la ranura 12d de sol-dadura entre los extremos adyacentes 12a’ y 12b’ como puede verse mejor en la Figura 2.
El acero de aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo, que se utiliza para fabricar el anillo 12 de acuerdo con la presente invenci´on, es un acero de aleaci´on conocido, obtenible en el comercio, que es descrito en la especificaci´on Al82 de ASTM (American So-ciety for Testing Materials), Grado F91. Esta es-pecificaci´on ASTM se expone a continuaci´on en la Tabla 1.
Tabla 1
Detalles de la especificaci´on comercial ASTM de piezas forjadas para acero de aleaci´on modifi-cada al 9 cromo-1 molibdeno.
Especifaci´on
ASTM A-182, Grado F91
Composici´on qu´ımica Elemento Margen ( % en peso)
C 0,08 - 0,12 Mn 0,30 - 0,50 Si 0,2 - 0,5 P 0,02 m´aximo S 0,01 m´aximo Cr 8 - 9,5 Ni 0,4 m´aximo Mo 0,85 - 1,05 Cu 0,1 m´aximo V 0,18 - 0.25 Nb 0,06 - 0,10 N 0,03 - 0,07 AL 0,04 m´aximo
Exigencias de resistencia a tracci´on y dureza
Resistencia a
tracci´on, m´ınima 585 MPa (85.000 1b/pulg2)
L´ımite
el´astico m´ınimo 415 MPa (60.000 1b/pulg2)
Alargamiento ( %),
m´ınimo 20
Reducci´on de
secci´on, m´ınima 40
N´umero de dureza
Tratamiento t´ermico
Normalizado
- 1.037,78 a 1.093,33◦C (1.9000 a 2.000◦F) Revenido
- 732,2◦C (1.350◦F) m´ınimo
Las secciones 12a y 12b del anillo son monta-das alrededor del rotor en la zona 10 y situada esencialmente como se muestra en la Figura 1. Entonces, los extremos correspondientes 12a’ y 12b’ de las secciones 12a y 12b son soldadas en-tre si en cada zona 12d de ranura de soldadura como puede verse en la Figura 1. Despu´es, cada una de las zonas 12d es soldada usando un proce-dimiento de soldadur de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa. Al com-pletar la soldadura de los extremos 12a’y 12b’ de las secciones 12a y 12b en las zonas 12d de ra-nura de soldadura, es presentado un anillo que se extiende 360◦ alrededor del rotor. Como puede verse en la Figura 1, el anillo 12 est´a yuxtapuesto a la zona 10.
Los extremos 12a’y 12b’ de las secciones 12a y 12b se sueldan entre s´ı usando metal depositado de soldadura de aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo para completar el anillo 12. Y como se expuso an-tes, la soldadura en las zonas 12d es completada preferiblemente usando un proceso de soldadura de ranura estrecha-arco de electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa. Tal procedimiento de solda-dura de ranura estrecha crea generalmente una soldadura con una anchura de unos 12,7 mm (1/2 pulgada), permitiendo que la soldadura sea si-tuada entre, y lejos de, los pasadores de ´alabes que mantienen estos ´alabes en posici´on. Tales pasadores se extienden a trav´es de orificios 13 de pasador de una manera conocida por los exper-tos en la t´ecnica relativa a la presente invenci´on. Por consiguiente, las soldaduras pueden situarse lejos de las zonas de tensi´on elevada. Adem´as, de acuerdo con la presente invenci´on, la soldadura de una aleaci´on modifiada al 9Cr-1Mo usando un material depositado de soldadura de aleaci´on mo-dificada al 9Cr-1Mo evita la producci´on de una zona afectada por el calor de baja resistencia.
Despu´es que las secciones 12a y 12b del ani-llo son soldadas entre si en las zonas 12d de ra-nura de soldadura, el anillo completo 12 es yux-tapuesto ahora a la zona 10. Entonces, el anillo 12 es soldado al rotor 11 en la zona superficial 10 usando un procedimiento de soldadura de ra-nura estrecha-arco sumergido en atm´osfera inerte o de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa.
Con respecto a la soldadura del anillo 12 al rotor 11, el anillo es soldado al rotor 11 desde un lado del anillo mediante una soldadura 14 como puede verse en el dibujo. Despu´es, para asegu-rar una penetraci´on de junta del 100 %, la zona de soldadura debe ser mecanizada desde el lado opuesto del anillo de tal manera que el mecani-zado se extiende hasta el interior de la soldadura 14. Este es ilustrado por la zona c´oncava 14a en la extremidad interior de la soldadura 14. Despu´es, se efect´ua otra soldadura 16 desde el lado opuesto
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del anillo. Preferiblemente, cada una de las sol-daduras 14 y 16 es efectuada usando un procedi-miento de soldadura de ranura estrecha-arco su-mergido en atm´osfera inerte o de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa, empleando en cualquier caso un metal deposi-tado de soldadura de aleaci´on modificada al 9CR-1Mo. Adem´as, aunque el procedimiento de solda-dura ha sido descrito empezando desde un lado con la soldadura 14 y termin´andose desde el lado opuesto con la soldadura 16, los expertos en la t´ecnica relativa a la invenci´on apreciar´an que el proceso de soldadura para soldar el anillo 12 al rotor 11 podr´ıa invertirse de forma que la pri-mera soldadura ser´ıa la 16 y la seund soldadura ser´ıa la 14. En tal caso, el mecanizado intermedio tendr´ıa lugar desde el lado opuesto y el mecani-zado penetrar´ıa en la soldadura 16 para garanti-zar nuevamente una penetraci´on de junta del 100 %.
De este modo, la presente invenci´on resuelve un problema b´asico encontrado frecuentemente al soldar un material del rotor al cromo-molibdeno-vanadio, es decir, la producci´on de una zona de baja resistencia, afectada por el calor, en el ro-tor al cromo-molibdeno-vanadio. De auerdo con la presente invenci´on, se ha descubierto que tal problema puede eliminarse mediante el uso de un anillo de recambio fabricado con una aleaci´on mo-dificada al 9 cromo-1 molibdeno (ASTM A 182, Grado F 91). La aleaci´on modificada al 9Cr-1Mo, que es usada as´ı tanto para la pieza forjada del anillo 12 como para el metal depositado de sol-dadura para sldar entre si los extremos 12a’ y 12b’ de las secciones de anillo, posee propiedades de termodeformaci´on pl´astica que son iguales por lo menos a las del material original del rotor al cromo-molibdeno-vanadio. Adem´as, cuando las mitades del anillo de material de aleaci´on modi-ficada al 9 cromo-1 molibdeno son soldadas entre s´ı con el mismo metal de soldadura, se ha des-cubierto inesperadamente que el anillo no tiene una zona afetada por el calor de baja resistencia, que exhiba propiedades inadecuadas de termode-formaci´on pl´astica similares a las malas propieda-des creadas cuando se sueldan aleaciones de acero al cromo-molibdeno-vanadio. De este modo, la junta de soldadura de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa en las ranuras 12d, que une entre s´ı los extremos 12a’ y 12b’ de las seciones de anillo 12a y 12b, y las zonas del anillo 12 adyacente a ellas poseen resis-tencias plenas a temperatura elevada.
Con respecto a la soldadura de ranura estrecha-arco sumergido en atm´osfera inerte o soldadura de ranura estrecha-aro con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa, utilizada para for-mar las zonas de soldadura 14 y 16, aunque es cierto que se producir´an zonas afectadas por el calor de baja resistencia en el lado del rotor de ta-les soldaduras, dichas zonas afectadas por el calor estar´an localizadas en regiones de baja tensi´on lo que permite que la estructura global cumpla los l´ımites de tensi´on admisible del proyecto.
Evidentemente, como resultar´a claro para los expertos en la t´ecnica relativa a la presente in-venci´on, las zonas 12d de reparaci´on por solda-dura y las soldasolda-duras 14 y 16 son sometidas a
inspecciones rutinarias no destructivas antes de soldar, despu´es de soldr y despu´es del tratamiento postsoldadura para asegurar la calidad requerida. En este mismo aspecto, despu´es de soldar se apli-can tratamientos t´ermicos postsoldadura para re-ducir al m´ınimo las tensiones residuales de solda- 5
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dura. Estos procedimientos son convencionales y bien conocidos por lo que tienen una cualificaci´on ordinaria en la t´ecnica relativa a la presente in-venci´on. Por consiguiente, no es necesario descri-bir tales procedimientos con detalle.
REIVINDICACIONES
1. Un m´etodo para reparar un rotor (11) averiado de turbina de alta presi´on, al cromo-molibdeno-vanadio, sustituyendo una zona (10) da˜nada del mismo de sujecci´on de ´alabes con un anillo (12) de recambio de fijaci´on de ´alabes, es-tandocaracterizadodicho m´etodo por los pasos de:
(a) mecanizar una zona (10) de dicho rotor ave-riado (11) para presentar una configuraci´on superficial adecuada para recibir dicho ani-llo (12) de recambio;
(b) proporcionar un par de secciones (12, 12b) conjugadas forjadas de anillo, semicircu-lares generalmente, que constan de una aleaci´on modificada al 9 cromo-1 molib-deno, teniendo cada una de dichas seccio-nes (12a, 12b) un par de extremos (12a’, 12b’) que est´an configurados de forma com-plementaria respecto a los extremos corres-pondientes (12a’, 12b’) de la otra secci´on a fin de presentar dicho anillo (12) cuando los extremos correspondientes (12a’, 12b’) est´an situados pr´oximos;
(c) disponer dichas secciones (12a, 12b) adya-centes a dicha zona (10) mecanizada del rotor (11), con dichos extremos correspon-dientes (12a’, 12b’) en relaci´on conjugada complementaria uno respecto al otro para presentar dicho anillo (12) de recambio; (d) soldar entre si los extremos
correspondien-tes (12a’, 12b’) de dichas secciones (12a, 12b) usando un procedimiento de solda-dura de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa (en 12d) y metal depositado de soldadura de aleaci´on modificada al 9 cromo-1 molibdeno para completar dicho anillo; y
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(e) soldar (16,14) el anillo completo (12) a di-cho rotor (11) en dicha zona (10).
2. Un m´etodo seg´un la reivindicaci´on 1, ca-racterizadoporque dicha soldadura (14,16) del anillo (12) al rotor (11) es realizada usando un procedimiento de soldadura de ranura estrecha-arco sumergido en atm´osfera inerte o un procedi-miento de soldadura de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa.
3. Un m´etodo seg´un la reivindicaci´on 2, ca-racterizadoporque dicha soldadura (14,16) del anillo (12) al rotor (11) es realizada usando un metal depositado de soldadura de aleaci´on modi-ficada al 9 cromo-1 molibdeno.
4. Un m´etodo seg´un la reivindicaci´on 1, 2 o 3, caracterizado porque dicho anillo (12) es soldado al rotor (11) primero desde un lado (14) del anillo (12) y despu´es desde el lado opuesto (16) del anillo (12).
5. Un m´etodo seg´un la reivindicaci´on 4, ca-racterizadoporque dicho anillo (12) es soldado al rotor (11) por un procedimiento de soldadura de ranura estrecha-arco sumergido en atm´osfera inerte o por un procedimiento de soldadura de ranura estrecha-arco con electrodo met´alico en atm´osfera gaseosa.
6. Un m´etodo seg´un la reivindicaci´on 4 o 5,
caracterizado porque despu´es de que el anillo (12) ha sido soldado a dicha zona (10) desde dicho lado uno (14) del mismo y antes de que el anillo (12) haya sido soldado a dicha zona (10) desde el otro lado citado (16), la zona de soldadura es sometida a un mecanizado (14a) desde el otro lado y hasta el interior de la soldadura del lado uno para garantizar de este modo una penetraci´on de junta del 100 %.
7. Un m´etodo seg´un cualquiera de las reivindi-caciones 1 a 6, caracterizadoporque dicho par de secciones (12a, 12b) de anillo semicirculares acopladas son formadas cortando una pieza for-jada anular, (12) en dos mitades aproximadas.
