1. Netradiční oprava turbokompresoru
Risky repair of the turbocompressor
Frantisek Heczko, ENERGETIKA TŘINEC, Maintenance manager, 1992 (revised 2010)
V hutní části strojovny průmyslové teplárny ENERGETIKA TŘINEC (ET) bylo provozováno
turbosoustrojí s označením TD13. Stroj byl na teplárnu přemístěn v roce 1980 ze staré
strojovny dmychadel u vysokých pecí. Turbínu a kompresor vyrobila švýcarská firma Brown
Boveri & Cie, Baden, v roce 1951. TD13 sloužil k výrobě stlačeného (dmýchaného) vzduchu
pro vysoké pece Třineckých železáren. Kompresor byl radiální, pětistupňový, liché stupně
byly osazeny difuzory s přestavitelnými lopatkami. Jmenovitý výkon TD13 byl 13,5 MW,
maximální množství nasávaného vzduchu 195 000 m3
/hod., při tlaku na výstupu 280 kPa.
The turbocompressor labeled TD13 was operated in the industrial combined heat and power
plant (CHP) ENERGETIKA TŘINEC (ET). TD13 was moved to the CHP machinery hall in
1980 from the old hall for blowers near blast furnaces. Turbine and compressor was original
supplied by Swiss company Brown Boveri & Cie from Baden, in 1951. TD13 produced
compressed (blast) air for the blast furnaces in Třinecké železárny (Iron and Steel
Company), Czech Republic. Five stages centrifugal (radial) compressor was equipped with
adjustable blades in diffusers on each unpaired stages. Rated power was 13.5 MW for the
maximum intake air flow of 195 000 m3
/hr and the discharge air pressure of 280 kPa.
Počátkem devadesátých let byly na základě informací o špatném technickém stavu stejného
rotoru kompresoru v energetice Nová huť Ostrava (NH), nyní ArcelorMittal Ostrava,
provedeny ultrazvukové kontroly nýtovaného spojení lopatek s oběžnými koly také u TD13.
Závěry diagnostiků byly stejné. Bylo zřejmé, že “Rotor provozovaného stroje je časovanou
bombou na strojovně”. Na špatný signál o technickém stavu nýtovaných spojů reagovalo
vedení ET a rozhodli jsme, že provedeme opravu nýtů svařováním. Nový rotor vyrobený
v zahraničí nebo v ČKD Kompresory v Praze by stál zhruba 20 milionů korun. Oprava
svařováním s následnou instalací diagnostiky chvění rotoru stála méně než půl milionů
korun.
Based on information from CHP in Nova Hut Ostrava (now ArcelorMittal Ostrava) were
performed the ultrasonic tests and inspections on TD13 rivets in the early nineties. The rivets
were used as fasteners between blades and diffuser (impeller) discs. Findings were very
similar to the findings in Ostrava CHP, many rivets had crevices. It was clear that “the
turbocompressor was operated by a ticking bomb in the machinery hall”. Finally we decided
for rivets repair using welding as main technology. New turbocompressor shaft with radial
discs and blades manufactured abroad or in ČKD in Prague would cost about Czech crowns
20 millions. First repair works in 1991 with welding and subsequent installation of vibration
control system costs less than Czech crowns half a million.
Materiály
První problém po rozhodnutí o opravě svařováním nastal při určení materiálu oběžných kol,
lopatek a nýtů. Informace z původní dokumentace výrobce Brown Boveri a označení
materiálu stupnicí „Stahl“ byly pro vypracování technologického postupu opravy svařování
nedostatečné. Výzkumný ústav zváračský, Bratislava (VÚZ) provedl tyto materiálové testy:
 chemická analýza,
 zkoušku praskavosti TEKKEN,
 metalografická kontrola celistvosti zkušebních svarů metodou TEKKEN,
 zkouška tvrdosti HV 30,
 zkouška v tahu.

2. Výsledky materiálových testů vzorků ocelí rotoru TD 13 provedené ve VÚHŽ, Dobrá uvádím
v následující tabulce.
Materials
Principal document we need to develop and then used was a Welding Procedure. We had to
determine the discs, blades and rivets material. Information from the original Brown Boveri
manufacturer's documentation and used material scale "Stahl xxx" was insufficient for us. In
collaboration with the Slovak Research Institute for Welding (VUZ) we accomplished the
following material tests:
- Chemical analysis,
- TEKKEN-Tests,
- Metallographic integrity check of the test welds using TEKKEN methods,
- HV 30 Hardness tests
- Strength tests.
Results of material samples test performed by Research Institute of Metallurgy (VUHZ) are
summarized in the following table.
Element Method Code Samples and Results (Mass %)
Radial Diffuser Wheels Blades
Near welds
C ČSN ISO 9556 0,35 0,36 0,37
S ČSN ISO 4935 0,017 0,008 0,015
Mn ČSN EN ISO 10700 0,47 0,43 0,71
Si ČSN 42 0512 0,38 0,42 0,34
P ČSN EN 10184 0,013 0,020 0,028
Cu ČSN EN 24943 0,21 0,26 0,20
Ni ČSN EN 10136 2,55 2,61 2,41
Cr ČSN EN 10188 0,65 0,73 0,31
Mo PPLCH 1-02 0,11 0,17 0,24
Opravy
První opravy nýtovaných spojů rotoru svařováním provedli specialisté VÚZ spolu s námi,
zaměstnanci údržby ET. Technologický postup VÚZ byl poprvé použit u 63 vadných nýtů.
Opravu provedli takzvanými děrovými svary, čili vadný (natržený) nýt, který vycházel
z lopatky a byl její součástí, byl až po místo svého natržení odvrtán. Vývrt byl vyplněn
svarovým kovem, kladeným v jednotlivých vrstvách. Svarový kov se navázal na původní
materiál lopatky v místě původního natržení. VÚZ provedl řadu zkoušek ještě před
dokončením technologického postupu a předepsal, že při opravě poškozeného rotoru
vysušenými elektrodami Castolin XUPER 2222 průměr 2,5 a 3,25 mm je třeba dodržet místní
předehřev minimálně 175 o
C. Jednotlivé svarové „housenky“ musely být překovány vhodným
nástrojem ručně nebo pneumaticky ihned po navaření za tepla. Nutností se stalo i zaoblení
ostrých míst spoje. Opravené plochy bylo potřeba ochlazovat postupně, k čemuž sloužil
tepelně-izolační zábal. Zajímavé bylo, že původně svářeči opravovali rotor ve vertikální
poloze hlavní osy, čili oběžná kola byla v horizontální poloze. Pozdější technologické
postupy opravy rotoru svařováním již probíhaly v obvyklé horizontální poloze (kolmá poloha
oběžných kol).

3. Repairs
Repair works of rivet joints using welding technology was carried by VUZ
specialists and ET maintenance staff. Welding procedure and Repair procedure
was used first for 63 defective rivets. Repair method used drilling up to rivet
crevice and drilled hole was filled with welds metal placed in different layers.
Weld metal join the original blade material and grow in place of the original
rivet. VUZ conducted a series of tests before completing technological
procedure and prescribed that the repair works with dry electrodes Castolin
XUPER 2222, diameter 2.5 and 3.25 mm is necessary to comply with local
minimum preheat to 175°C. Individual weld "bead" had to be a suitable
manually or pneumatically forged as soon as the weld is done. It is necessary
to smooth out a sharp curvature places of the connection. Repaired areas were
cooled down gradually with insulating wrap. Interestingly, initially welders
repaired the compressor shaft (rotor) in the vertical main axis, or impellers
(discs) were horizontal. Later Repair Procedure used welding methods for the
horizontal position of the shaft (perpendicular impellers).
Oprava porušeného místa děrovým svarem je řešení, které lze považovat za nouzové.
Relativně úspěšné použití děrových svárů k náhradě nýtového spoje je podmíněno
použitím speciálního přídavného materiálu s mimořádně dobrými plastickými
vlastnostmi. Podstatného zvýšení životnosti lze docílit zvětšením nosného průřezu v
kritických místech koutovým svárem. Z technologických důvodů však toto řešení lze
použít pouze u opravy prvních dvou nýtů oběžného kola ze strany výtlaku.
Rivets with crevice repairs using method with rivets drilling and drilled hole filling with weld
metal can be considered as a temporary solution. Successful use of described method with
welded joints is subject to the use of special filler metals with exceptionally good plastic
properties. Substantial increase in lifetime can be achieved by increasing the cross-section at
critical parts using fillet welds. From technological limitations this solution can only be used
for repair of the first two rivets from the impeller outlet.
Systematické kontroly
Od roku 1991 byly spojovací nýty pravidelně diagnostikovány při odstávkách TD13. Oprava
poškozených spojů vyžaduje odstávku soustrojí na zhruba čtyři týdny s velkým rozsahem
demontážních a montážních prací. Dalším provozem TD13 postupně praskaly další nýty. Od
roku 1991 bylo opraveno 235 nýtů, což je 22,5 procenta z celkového počtu 1 044. Později
provedli posouzení zbytkové životnosti TD 13 specialisté z ČKD NOVÉ ENERGO. Analýzu
uskutečnili na spoji oběžného kola a lopatky, které prošly první opravou v roce 1991.
Expertiza měla zjistit postup dalšího poškozování rotoru. Výsledná zpráva konstatovala, že
místa nýtových spojů jsou kritická, protože v nich dochází k několikanásobnému
překračováni meze kluzu materiálu. Podle zprávy představuje odhadovaná životnost těchto
míst asi 1.000 zatěžovacích cyklů. Ve zprávě se dále uvádí, že životnost kritických míst je již
delší dobu vyčerpána, což odpovídá tomu, že první nýtované spoje byly opravovány již v
roce 1991. Po náhradě porušeného nýtu děrovým svarem je životnost opraveného místa
opět řádově zhruba 1.000 zatěžovacích cyklů. Na stroji je velký počet kritických míst v
různém stádiu poškození. Rotor je třeba nejméně jednou ročně kontrolovat ultrazvukem,
případně opravovat. V opačném případě hrozí porušení několika míst současně, odlomení
celé lopatky a následná vážná havárie celého stroje.
Controls
Since 1991, the rivet joints were regularly controlled during TD13 outages. Repair works
requires approximately four weeks with a wide range of turbocompressor dismantling and

4. assembly works. Continuous TD13 operation caused more defects of rivets. Since 1991 has
been fixed 235 rivets, which is 22.5 percent of the total number of 1 044 rivets. Specialists
from CKD NEW ENERGO Company carried additional lifetime assessment
later. Assessment was carried out on the joints between diffuser wheel (impeller) and blades,
which has undergone the first repair in 1991. Expertise should determine potential
deterioration of the compressor. The Report stated that the rivet connections are critical
because they fight with multiple crossing of the material yield stress value. According to the
report, the estimated life of these parts is around 1,000 cycles. The report states that the
lifetime of some critical points is used for a long time and it corresponds to the first repairs in
1991. After repairing works with welding is the lifetime of a repaired parts approximately
1,000 load cycles again. On TD13 a large number of critical points in various stages were
determined. The compressor should be checked at least once a year with ultrasonic
methods, or repair. Otherwise there is a potential failure with cumulating failures of several
places simultaneously and a blade or wheal broken and subsequent serious crash of the
whole machine and not only. The new additional vibration control system has to minimize the
possibility of similar crash.
V roce 2001 nahradily první dva nýty, které jsou v místě nepřístupném pro opravu děrovými
svary, koutové svary. Lopatka byla v místě nýtů přivařena přímo k rotorovému disku. Po této
opravě, zřejmě vlivem opětovného (pevného) spojení začátku lopatky s diskem rotoru, se
radikálně snížila četnost poškození dalších nýtů. Koutové svary byly provedeny oboustranně,
na náběhové straně lopatky, osvědčenou elektrodou Castolin XUPER 2222. Ze strany
unášecího kola vyrobili svářeči (podle technologického postupu ČKD) spoje v délce zhruba
80 milimetrů.
In 2001 were replaced the first two rivets which are inaccessible for repair works with drilling
and welding only with using fillet welds. The blade was welded directly to the diffuser wheel
in the rivet location. After this repair works, probably due to recurrence (hard) joint between
blade edge and diffuser disc, were observed radically reduction of rivet damages. Fillet welds
were made on both tinge side (on the rise) of the blade, with well-tried electrode Castolin
XUPER 2222. Welders provided on drifted disc coupling at a length of 80 millimeters
(according to the CKD Technological Procedure).
Závěr
Rozhodnutí o opravách vadných nýtů turbokompresoru svařováním bylo poměrně složité.
Předcházelo mu jednání se svařovacím technologem firmy Castolin a řada konzultací
s odborníky na výrobu kompresorů. Výrobní závod ze Švýcarska nás od opravy důrazně
odrazoval. Oprava nýtovaného spoje svařováním je zcela nestandardní. V případě rotujících,
tepelně namáhaných částí a při nevhodném provedení opravy může být i velmi nebezpečná.
Nýtovaná spojení lopatek a oběžných kol kompresorů byla u nově vyráběných strojů
nahrazena svařováním již před mnoha lety. Opravou TD 13 v Třinci byl eliminován nákup
nového rotoru a byly ušetřeny miliony korun.
Conclusion
Decision to repair compressors defective rivets with welding was rather complex. Decision
was preceded by discussions with the welding engineer from the Castolin Company and by
series of consultations with experts in the field of compressors design and
manufacture. Switzerland manufacture strongly discourages this kind of repairs. Repair of
riveted joints with welding is very exceptional. In the case of rotating, thermal stressed parts
and inappropriate repair works it can be very dangerous. Riveted blades connections with
diffuser discs for the new compressors have been replaced by welding methods many years
ago. Described repair works on TD13 in ENERGETIKA TRINEC eliminated a new rotor
purchasing and were spared millions of Czech crowns.