Turbomacchine: saldatura laser per restauro del rotore di turbomacchine: seconda parte

Serie di contenuti speciali sponsorizzata dal PSG11 aprile 2023

Scritto da Michael W. Kuper, PhD., Ingegnere dei materiali, Elliott Group e Michael J. Metzmaier, Ingegnere di saldatura IV, Ingegneria dei materiali, Elliott Group

Per le riparazioni degli alberi, LBW-W è generalmente più applicabile di LBW-P. La prima ragione di ciò è che LBW-W ha una minore probabilità di formare difetti, in particolare porosità, che possono comportare indicazioni superficiali rifiutabili dopo la lavorazione finale.

In secondo luogo, la possibilità di utilizzare una sorgente laser pulsata in LBW-W riduce l’apporto di calore, il che aiuta a ridurre al minimo la distorsione, lo stress residuo e la dimensione della ZTA [8].

In terzo luogo, il metallo d’apporto per fili è più economico e più facilmente disponibile rispetto alla polvere in generale, e potrebbe essere l’unica opzione disponibile per gli acciai al carbonio e a bassa lega comunemente utilizzati come materiali per gli alberi delle turbomacchine.

Per la riparazione del rotore mediante saldatura ad arco convenzionale, generalmente è necessario un PWHT. Innanzitutto, lo stress residuo della saldatura ad arco è abbastanza grande da causare il movimento dell'albero dopo la lavorazione finale, in particolare durante il test di stabilità termica richiesto per i rotori delle turbine.

Il PWHT allevia lo stress residuo per ridurre al minimo il movimento dell'albero durante la lavorazione. Inoltre, poiché i rotori sono generalmente acciai martensitici bonificati, la saldatura crea martensite non temperata dura e fragile nel deposito di saldatura e nella ZTA.

La martensite non temperata riduce la resilienza, potenzialmente al di sotto dei requisiti del materiale di base, soprattutto per il servizio a bassa temperatura.

Il PWHT tempera la martensite fresca formatasi durante la saldatura, ripristinando la resilienza dell'albero. Sfortunatamente, il PWHT può anche temperare eccessivamente il materiale di base, il che in alcuni casi può comportare una perdita di resistenza.

Anche il trattamento termico post saldatura è un’operazione costosa e dispendiosa in termini di tempo. La Figura 4 mostra la configurazione per un PWHT applicato a un rotore.

Per questo processo, l'albero deve essere sospeso verticalmente per ridurre al minimo la distorsione. In altre parole, se il rotore fosse trattato termicamente orizzontalmente, il rotore si piegherebbe e si affloscerebbe tra supporti che diventerebbero permanenti dopo il trattamento termico.

Dopo aver sospeso l'albero verticalmente, vengono aggiunte coperte riscaldanti e termocoppie che devono fornire un calore intenso ma preciso (generalmente superiore a 1000 ° F) e questo calore deve essere distribuito uniformemente.

Se il calore viene aggiunto in modo non uniforme, lo stress verrà alleviato in modo non uniforme, il che potrebbe provocare distorsioni dannose.

Le velocità di riscaldamento/raffreddamento e i tempi di attesa devono essere controllati e monitorati attentamente. Nel complesso, il processo è relativamente complesso, lungo e costoso.

Spesso, gli applicatori di saldatura laser affermano che un PWHT non è richiesto nel loro processo perché il deposito di saldatura e la ZTA creati dalla saldatura laser sono sufficientemente piccoli da far sì che la loro presenza abbia un effetto trascurabile sulle proprietà complessive dell'albero.

Tuttavia, sono state condotte poche ricerche accademiche sulle proprietà meccaniche delle riparazioni tramite saldatura laser nelle applicazioni di turbomacchine.

Sebbene il deposito di saldatura e la HAZ possano essere piccoli, è pericoloso presumere che non influenzino l'idoneità al servizio dell'albero, in particolare quando il materiale dell'albero è acciaio bonificato, che è il materiale dell'albero più comunemente utilizzato.

Per evitare il PWHT, è necessario prendere precauzioni per garantire che la riparazione soddisfi le proprietà richieste senza PWHT. Queste precauzioni includono i test consigliati più avanti in questo articolo, oltre alla considerazione della compatibilità con i requisiti di erosione e corrosione dell'ambiente operativo.

Come accennato in precedenza, l’attuale ASME BPVC non distingue tra LBW-P e LBW-W, né tiene conto dell’inevitabile cambiamento nel tempo della potenza di uscita per i laser Nd:YAG.

A questo sarà necessario porre rimedio in futuro per tenere conto delle differenze nelle applicazioni tipiche e nella qualificazione di questi processi. Per quanto riguarda la qualificazione della procedura, le saldature scanalate sarebbero qualificate secondo ASME BPVC Sezione IX Tabella QW-451.1.