In vertikaler Stellung

Technik

Ressourcenknappheit und Klimawandel treffen alle technischen Bereiche. Unter anderem gilt es, effizientere Kraftwerke zu bauen, was vor allem die Turbinenbauer fordert – und die Schweißanlagenhersteller.

18. August 2011
Horizontal angeordneter Geräteträger mit montiertem WIG-Engspaltbrenner.
Bild 1: In vertikaler Stellung (Horizontal angeordneter Geräteträger mit montiertem WIG-Engspaltbrenner.)

Um flexibler und unabhängiger in Planung und Konstruktion zu werden, entschloss sich ein bedeutender Turbinenhersteller, eine neue Fertigungsmethode einzusetzen. Eine Reihe großer Rotoren musste in sehr kurzer Zeit hergestellt werden.

Im Grunde wurde eine alte Idee neu aufgegriffen: Fügen von zwei oder mehr Rotorsegmenten in vertikaler Stellung bis 12 m Gesamtlänge durch mechanisiertes Schweißen mit hoher Produktivität und hervorragender Qualität durch eine dem neuesten Stand der Technik entsprechende Anlage.

Planung, Entwicklung und Aufbau der Anlage erfolgte dann in enger Zusammenarbeit mit dem französischen Unternehmen Polysoude.

Eine durchgehend hohe Verbindungsqualität soll mechanisiertes WIG-Schweißen garantieren, höhere Produktivität das Heißdrahtverfahren, wo der Zusatzdraht unmittelbar vor dem Eintauchen ins Schmelzbad durch einen separaten Heißdrahtstrom vorgewärmt wird. Das Engspaltschweißen führt zu deutlich kürzeren Schweißzeiten und geringerem Verbrauch von Zusatzwerkstoff und Energie. Zwei im Brenner integrierte Mikrokameras ermöglichen eine visuelle Prozesskontrolle.

Der Rotor einer Mitteldruckturbine ist höchst unterschiedlichen Einsatzbedingungen ausgesetzt: Während an der Eingangsseite der Turbine wegen der hohen Dampftemperatur eine ausgeprägte Beständigkeit des Rotorwerkstoffes gegen Hochtemperaturkriechen erforderlich ist, muss er an der Austrittseite den durch die großen rotierenden Schaufeln verursachten Kräften eine ausreichende Zugfestigkeit entgegensetzen. Die Turbinenhersteller versuchen, von möglichen Lieferengpässen außerhalb ihres Einflussbereiches weitgehend unabhängig zu bleiben und bevorzugen daher meist geschweißte Rotoren. Für die sprechen auch wirtschaftliche Überlegungen: Kostenreduzierungen bis 20 Prozent.

Das Werkstück wird von einem in 5 m Tiefe aufgestellten Drehtisch mit einer Tragfähigkeit von 150 t gehalten und gedreht. Das Versetzen und Positionieren der Rotorsegmente durch den Hallenkran erfolgt mit Hilfe speziell entwickelter Spann- und Hebevorrichtungen. Bevor das zweite Rotorsegment aufgesetzt werden kann, wird das bereits endgültig positionierte untere Segment durch eine induktive Vorwärmeinrichtung auf eine Temperatur von 170 °C gebracht. Durch die damit verbundene thermische Ausdehnung entsteht das zum Zusammenführen der beiden Segmentenden notwendige radiale Passungsspiel von einem Millimeter; sobald beide Segmente die gleiche Temperatur erreichen, verschwindet dieses Spiel, und die vorläufige Verbindung ist durch die entstandene Presspassung gewährleistet.

Die Schweißwerkzeuge sind an zwei sich gegenüberstehenden horizontalen Automatenträgern befestigt, die sich separat und unabhängig von der Stellung der Bühne an den Säulen auf und ab bewegen lassen und zum vertikalen Ausrichten der Brenner benutzt werden.

Per Fernbedienung kann der Schweißer den Brenner in horizontaler Richtung auf das Werkstück zubewegen. Jetzt kommt es auf genaues Positionieren an, denn die schlanke Schweißfuge ist gerade soweit geöffnet, dass der nur 8 mm dünne Engspaltbrenner ohne anzustoßen eintauchen kann. Die exakte Einstellung der Entfernung zwischen Elektrode und Werkstückoberfläche am Grund der Schweißfuge übernimmt die Anlage selbstständig – eine Fugentiefe bis 135 mm lässt schließlich keine Chance, diese Operation manuell sauber durchzuführen.

Sind beide Brenner richtig in der Schweißfuge positioniert, kann der Schweißzyklus gestartet werden. Das Einbringen jeder Schweißlage vergrößert den Durchmesser, für jede Lage ist ein passendes Programm im Speicher der Stromquelle abgelegt.

Zum Einbringen der Wurzellage ist eine Werkstückdrehung von 181° programmiert, die kleine Zugabe dient dem Wiederaufschmelzen des Nahtanfangs. Für den folgenden Hotpass sind ebenfalls 181° vorgesehen, während die einzelnen Füll- und Decklagen mit Drehungen von jeweils 540° eingebracht werden. In jedem Zyklus werden drei Lagen fertiggestellt. Eine programmierte allmähliche Schweißstromsenkung am Ende eines jeden Zyklus verhindert Endkrater und Risse.

Die in der Schweißzone der Rotorsegmente einzuhaltende Vorwärmtemperatur wird durch Sensoren an der Innenwand der hohlen Rotorwelle gemessen und durch die Steuerung der Generatoren der induktiven Heizeinheiten ausgewertet.

Da sich der Durchmesser durch jede Schweißlage vergrößert, ist die Drehgeschwindigkeit des Rotors nach jeder Umdrehung geringfügig zu vermindern. Während die reine Schweißzeit für den kleinsten Werkstückdurchmesser etwa 1 h beträgt, wächst sie gegen Ende auf 1 ½ h pro Lage.

Ist die Schweißfuge zu etwa einem Drittel gefüllt, erlaubt die Stabilität der Verbindung, dass der Rotor aus der Anlage herausgehoben werden kann. Ist er aus mehr als zwei Segmenten zusammengesetzt, erhalten alle Verbindungen zunächst die für die Stabilität des gesamten Werkstücks erforderlichen Schweißnähte. Die werden nun durch zerstörungsfreie Prüfverfahren vom Inneren der hohlen Rotorwelle aus kontrolliert.

Sind etwa zwei Drittel der endgültigen Nahtdicke geschafft, reicht die Tiefe der Schweißfuge nicht mehr, um mit den Engspaltbrennern einen ausreichenden Gasschutz zu erzielen; sie werden daher gegen normale WIG-Heißdrahtbrenner ausgetauscht. Da man die Schweißnahtoberflächen des Rotors spanend endbearbeitet, werden an die Ausbildung der Decklagen keine über das normale Maß hinausgehenden Anforderungen gestellt.

Seit der erste Rotor auf der kürzlich errichteten Anlage erfolgreich aus den vorbereiteten Segmenten zusammengefügt worden ist, läuft die Turbine kontinuierlich bei voller Auslastung rund um die Uhr. Die aus einzelnen Segmenten zusammengefügten Rotoren erfüllen alle gestellten Anforderungen an Schweißnahtqualität und Werkstückgeometrie. Die hohe Kapitalrendite macht die Anlage zu einem günstigen Investitionsobjekt, und die Unabhängigkeit von langen Lieferzeiten für große Schmiederohlinge ermöglicht eine deutlich gesteigerte Flexibilität der Auftragsverwaltung.

Die Anschaffung einer Anlage zum mechanisierten WIG-Heißdraht-Verbindungsschweißen von Turbinenrotoren aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen in vertikaler Stellung ermöglicht den betreffenden Turbinenherstellern folglich eine erfolgreiche Präsenz auf dem Markt für große Hochleistungsdampfturbinen.

Jürgen Krüger, Lippstadt

Erschienen in Ausgabe: 04/2011