Řešení náběžné a odtokové hrany lopatky vodní turbíny navařováním Ing. Pavel Rohan, Ph.D. 1, Ing. Karel Kovanda, Ph.D. 1, Ing. Tomáš Kramár, Ph.D. 1, Lukáš Radvan 1, Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D. 1, Ing. Zdeněk Kráčmera 2 1 Ústav strojírenské technologie, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, Technická 4, Praha 6, 166 07 2 Mavel, a.s., Jana Nohy 1237, Benešov, 256 01 Růst produkce elektrické energie v malých vodních elektrárnách je Evropskou asociací malých vodních elektráren odhadovaný na více než 20 % mezi lety 2010 a 2020. Právě díky předpokládanému růstu v celém oboru je kladen velký důraz na zvyšování efektivity instalovaných zařízení. Toho lze docíli t například prodloužením životnosti kritických partií malých vodních elektráren, ale i snížením výrobních nákladů turbínových součástí. Vysoce namáhanou částí vodní turbíny jsou náběžné a odtokové hrany rozváděcích i oběžných lopatek. Jednou z možností prodloužení jejich životnosti je použití technologie nánosového navařování spolu s hlubokozávarovým svařováním při výrobě lopatek. Předkládaná studie, která navazuje na projekt TAČR (TA02011121) a byla vypracována v rámci projektu SGS13/187/OHK2/3T/12 - Výzkum a vývoj v oblasti progresivních strojírenských technologií, se zabývá technologickým řešením přípravy náběžné hrany rozváděcí lopatky Francisovy turbíny svařením a doplněním materiálu do požadovaného tvaru metodou MAG. Úvod Problematika odolnosti vodních turbín je v současnosti intenzivně studovanou oblastí v oboru využití vodní energie jejím převodem na mechanickou, zpravidla rotační. Ať již se jedná o cyklické napěťové namáhání, opotřebení abrazí nebo kavitací, je v technické praxi zajišťována odolnost vodních turbín celou řadou opatření od konstrukčního návrhu dílů na základě výpočtů, případně modelování proudění v pracovním prostoru turbíny až po vlastní technologické provedení jednotlivých konstrukčních prvků. Jedním ze základních konstrukčních uzlů jsou náběžné hrany rozváděcích i oběžných lopatek. V případě Francisovy turbíny jsou rozváděcí lopatky provedeny jako nastavitelné lamely umožňující regulaci i uzavření průtoku vody k oběžnému kolu. Počet lopatek rozváděcího kola je zpravidla 12 24 a důležitá je právě dobrá těsnost mezi lopatkami a její zachování. Lopatky jsou namáhané pevnostně tlakem proudící vody, momentem při natáčení a abrazí unášenými částicemi. V přechodných režimech práce turbíny může docházet i ke kavitačnímu opotřebení. Vzhledem k trvalému provozu pod vodou je třeba při volbě konstrukčních materiálů a postupů brát ohled i na jejich korozní odolnost. Jedním z předních výrobců vodních turbín je společnost MAVEL a.s. která se zabývá vývojem, výrobou a i nstalací vodních turbín do výkonu 30 MW. Vzhledem k rozšiřování sortimentu výkonů dodávaných turbínových celků i ke snaze o trvalé zvyšování odolnosti turbín je v současnosti věnován velký důraz na standardizaci výroby jednotlivých konstrukčních uzlů. Jedním z kritických míst turbíny a to jak z pohledu technologie výroby, tak i vzhledem k vysokému opotřebení, jsou náběžné hrany rozváděcích lopatek Francisovy turbíny. Tyto lopatky se v současné době vyrábí CNC obráběním litých nebo vypalovaných polotovarů. Vzhledem k vyšším spádům se používají chromniklové oceli typu COR 13-4 (1.4313). Lopatky jsou vyhotoveny jako jeden celek spolu s čepy sloužícími pro upnutí a natáčení v lopatkových kruzích. Stávající způsob výroby z litých polotovarů je zatížen nízkou kvalitou odlitků, jejich nepříznivou cenou, dodacími lhůtami, ale například i technologickou náročností při obrábění (poškozování nástrojů). Tyto skutečnosti jsou hlavním důvodem, proč bylo ve spolupráci s ÚST FS ČVUT v Praze rozhodnuto provést studii výroby lopatek turbín svařováním a navařováním. Vlastní těleso svařované rozváděcí lopatky Francisovy turbíny je složeno ze dvou tvarově ohnutých desek, přivařených čel a upínacích čepů (Obr. 1). Kritické místo svařování desek v oblasti náběžné a odtokové hrany lopatky je v současnosti řešeno ručním svařováním s následným obrobením do požadovaného tvaru. Jako materiál vlastní náběžné hrany slouží buď vlastní svar, nebo přivařený polotovar ve tvaru desky, případně kulatiny. Tyto způsoby vyhotovení jsou však charakteristické poměrně velkým vlivem lidského faktoru na kvalitu provedení svarových spojů i vysokou náročností přípravy výroby. 1
Obr. 1: Rozváděcí lopatka Francisovy turbíny. Výsledný tvar a polotovar před svařením (stávající stav přípravy polotovarupro ruční svařování) Návrh řešení náběžné hrany Problematiku konstrukčního uzlu náběžné hrany lze rozdělit do dvou oblastí. Jednou z nich je spojení dvou tvarově ohnutých desek a druhou zajištění požadovaného tvaru před obráběním do čistého výsledného tv aru a rozměrů. Z technologického hlediska by bylo velmi užitečné provést spojení i doplnění do požadovaného tvaru v jedné operaci na jedno upnutí. Proto byla zvolena metoda MAG robotizovaným způsobem svařování s využitím jednoho typu přídavného materiálu. Provedení experimentu Svařování desek je navrženo tak, aby co nejméně tepelně zatížilo základní materiál lopatky a současně bylo dostatečně efektivní a produktivní. Těmto kritériím odpovídá i úprava svarových ploch, které jsou pouze sraženy pod požadovaným úhlem (zde 25 ) tak, aby před svařováním stačilo pouze sesadit desky k sobě a bez mezery svařit. Svařovací parametry byly zvoleny s ohledem na maximální efektivitu procesu [Hudec,Z.]. Pro doplnění do požadovaného tvaru je navrženo nánosové navařování (Additive Manufacturing), které je obdobou 3D tisku v prostředí těžké průmyslové výroby [Ding,J., Wang,F.] Základní materiál: chromniklová martenzitická ocel typu 1.4313, plech tloušťky 10 mm. Tyto oceli se vyznačují nízkým obsahem uhlíku pod 0,15%, a nízkým obsahem síry, chemické složení viz tabulka 1. Struktura je tvořena jemnozrnným popuštěným martenzitem bez feritu delta. Tab. 1: Chemické složení oceli 1.4313 a svarového kovu trubičky Filarc PZ6166 Základní material C Si Mn P S Cr Mo Ni ostatní <0,05 <0,7 <1,5 <0,04 <0,015 12,00-14,00 0,30-0,70 3,50-4,50 N >0,020 Plněná elektroda 0,03 0,5-0,9 1,0-1,5 0,025 0,025 12,0-13,5 0,4-0,6 4,0-5,0 - Obr. 2: Umístění termočlánků a sesazení plechů Přídavný materiál: plněná elektroda Filarc PZ6166 průměru 1,2 mm. Je určena pro výrobu a opravy oběžných kol Peltonových a Francisových turbín a ostatních částí vodních turbín při použití ochranné atmosféry typu M13 nebo M14 (ČSN EN ISO 14 175). Materiál byl vytipován na doporučení výrobce. Ochranná atmosféra: pro spojovací svar byla použitá směs plynů M12 o složení 63 % Ar, 2 % CO 2, 35 % He (Inomaxx Plus, Air Products), pro zaručení maximální hloubky průvaru při minimální TOO. Pro výplňovou část byla použitá směs plynů M12 o složení 98 % Ar, 2 % CO 2.(Inomaxx 2, Air Products). 2
Svařování i navařování proběhlo během jednoho upnutí na pracovišti osazeném svařovacím robotem Fanuc a svařovacím zdrojem SIGMA Galaxy 400 (Migatronic). Pro spojovací operaci byl vytipován jako nejvhodnější program P113 s korigovaným svařovacím napětím a pro navařování P183 IAC (Intelligent Arc Control) umožňující snížení vneseného tepla modifikací svařovací vlny. Parametry svařování jsou uvedeny v Tab. 2. Pro měření teplotních cyklů základního materiály bylo využito dvou termočlánků typu K a měřící stanice Ahlborn ALMEMO 5690-2 (Obr. 2), umístěných 10, resp. 15 mm pod hranou svařované desky. Záznam svařovacích parametrů byl proveden záznamovým zařízením Weld Monitor se snímkovací frekvencí 250 khz. Metalografické zkoušky byly uskutečněny běžným metalografickým postupem na poloautomatické brusce Buehler. Tab. 2: Svařovací parametry spoje a návaru typ housenka I (A) Posuv drátu (m/min) U(V) Rychlost svařování (m/min) Plyn,průtok (l/min) program výlet drátu svar 1 369 15,3 28,7 0,85 InomaxxPlus, 18 113 12 návar 2 121 3 17,1 0,08 Inomaxx 2, 12 183 10 návar 3 121 3 17,1 0,08 Inomaxx 2, 12 183 10 návar 4 121 3 17,1 0,08 Inomaxx 2, 12 183 10 návar 5 121 3 17,1 0,2 Inomaxx 2, 12 183 10 návar 6 121 3 17,1 0,2 Inomaxx 2, 12 183 10 Výsledky a diskuze Obr. 5: Uspořádání pro svařování náběžné hrany svarovou hranou je větší než 90 (114 ), což je spolu s rovnoměrným povrchem svaru dobrý předpoklad pro to, aby ve vytvořeném úžlabí neulpívaly případné nečistoty. Další vrstvy byly navařeny v těsném sledu za sebou tak, aby byla dodržena teplota interpass 200 C. Šířka navařených housenek byla volena tak, aby přechod do další vrstvy byl co nejplynulejší a to i při zachování požadovaného vrcholového úhlu 50. Jednotlivé návarové vrstvy byly navařeny tak, aby při odebrání přídavku na Obr. 4: Svar a návar náběžné hrany lopatky s vyznačeným 1mm přídavkem pro obrábění Zvolené parametry a uspořádání svařovacího zařízení (Obr. 3) pro svařování první housenky zajistily plný průvar kořenové oblasti sesazených zkušebních desek. Na testovacím vzorku pro kořen svaru se objevilo mírné přetečení v oblasti kořene (Obr. 3). Vzhledem k tomu, že kořenová část svaru nepřenáší napětí způsobující oddalování desek, lze provaření kořenové oblasti považovat za dostatečné. Průřez navařeného svarového kovu spoje v první housence (výpočtových 19 mm 2 ) je spolu se zbývající částí svarové hrany dostatečný jako základna pro navařování ostatních housenek tak, aby došlo k doplnění hrany do požadovaného tvaru. Styčný úhel mezi svarem a nenatavenou Obr. 3: Spojovací svar kořenové části obrábění 1mm nedošlo k místním nedostatkům materiálu (Obr.5). Tvrdost základního materiálu po celkovém navaření se pohybuje od 350 do 390 HV0.5. Tvrdost návaru je nižší (272 do 340 HV0.5) vzhledem k nízkým rychlostem ochlazování a přehřátí další vrstvou. 3
00:28,0 01:41,8 02:55,6 04:09,4 05:23,2 06:37,0 07:50,8 09:04,6 10:18,4 11:32,2 12:46,0 13:59,8 15:13,6 16:27,4 17:41,2 18:55,0 20:08,8 21:22,6 22:36,4 23:50,2 25:04,0 26:17,8 27:31,6 28:45,4 29:59,2 31:13,0 32:26,8 33:40,6 34:54,4 36:08,2 Teplota [ C] Svařování kořenové části bylo provedeno sprchovým přenosem se sníženým napětím a nejednalo se tedy o typický proces nazývaný zkratovaná sprcha charakteristický velkým množstvím zkratů vznikajících propojením jednotlivých kapiček [Hudec]. Přesto při svařování docházelo ke snižování napětí (Obr.6). Na Obr.6 je také znázorněn typický průběh proudu a napětí při svařování modifikovanou vlnou, v tomto případě systémem kontroly oblouku IAC (Migatronic). A B Obr. 6: Svařovací proud a napětí při svařování kořenové části (B) a návaru (A) Měření teplotního cyklu v těsné blízkosti svaru prokázalo, že materiál v oblasti termočlánků je nejvíce nahříván při navařování nánosových housenek (Obr. 7), kdy je vnesené teplo 1,15 kj /mm, při navařování závěrných dvou vrstev je vnesené teplo 0,62 kj /mm a při svařování kořenové části 0,74 kj/mm. 800 700 600 termočlánek1 termočlánek2 500 400 300 200 100 0 Čas [mm:ss.s] Obr. 7: Teplotní cyklus při svařovaní a navařování náběžné hrany lopatky 4
Závěr Svařením a nánosovým navařením zkušebních desek bylo prokázáno, že touto technologií lze úspěšně vytvořit polotovar pro výrobu rozváděcí lopatky Francisovy turbíny. Celý technologický proces byl proveden na jedno upnutí, bez mezioperací, jedním přídavným materiálem pro svařovací i navařovací práce. Jako úprava svarové hrany bylo použito jednoduché sražení pod požadovaným úhlem, který může být zvolen libovolně tak, aby odpovídal styčnému úhlu lícních desek rozváděcí (v budoucnu i oběžné) lopatky. Další výhodou je použitelnost tohoto postupu pro všechny délky rozváděcích lopatek a v budoucnosti i pro tvarově složitější, nelineární tvary náběžných a odtokových hran. V provedené studii byla zkoumána převážně vhodnost navrženého postupu z hlediska tvaru budoucího polotovaru. Před případným zavedením do výroby bude třeba otestovat odolnost navrženého materiálu proti účinkům proudící vody s příměsí abraziva. Diskutabilní je také použití robotizovaného pracoviště, kterým výrobce v současnosti nedisponuje. Jako další krok ke zvýšení efektivity procesu se nabízí použití plazmatu pro svařování i navařování. Výhodou je možnost provedení svarového spoje bez přídavného materiálu a navaření chybějícího tvaru téměř libovolným materiálem ve formě prášku, například slitinou typu Stellite 6. Literatura Hudec, Zdeněk: Gas Metal Rapid Arc Welding Potential, Manufacturing Technology, Dec 2012, Vol. 12, No. 13 ISSN 1213 2489 Hudec, Zdeněk: Optimalizace konstrukčních a technologických parametrů koutových svarů zhotovených metodou MAG: Fillet weld design and GMAW process parameters optimization : [(teze disertační práce)]. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2005, 30 s. ISBN 80-7372-035-3 Hudec, Zdeněk: Optimization of Source-Wire-Gas Systems for Efficient Robotic Welding,, Third International Conference on Multidisciplinary Design Optimization and Applications, 21-23 June 2010, Paris, France Ding J, Colegrove P, Mehnen J, Williams S, Wang F & Sequeira Almeida P (2014) A computationally efficient finite element model of wire and arc additive manufacture,international Journal of Advanced Manufacturing Technology, 70 (1-4) 227-236 Wang, Fude, Stewart Williams, Paul Colegrove, Alphons A. ANTONYSAMY. Microstructure and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufactured Ti-6Al-4V. Metallurgical and Materials Transactions A. 2012, vol. 44, issue 2, s. 968-977. DOI: 10.1007/s11661-012-1444-6. Firemní materiály Mavel, a.s. FILARC products data sheet FILARC PZ6166 5