Hvordan påvirker restspenning i bladimpellerstøpte den langsiktige levetiden til impelleren

Blade impeller støpegods , hjertet av væskemaskineri, opererer ofte i miljøer som involverer høye hastigheter, høyt trykk, korrosive medier og varierende temperaturer. Under service blir impellerne utsatt for komplekse belastninger, inkludert sentrifugale, hydrauliske og termiske påkjenninger. Men i tillegg til disse ytre belastningene, lurer en skjult trussel i støpingen: restspenning. Restspenning er et selvbalanserende stresssystem generert internt av ujevn krymping eller volumendringer under faseoverganger og varmebehandlingsprosesser. For geometrisk komplekse impellerstøpte har tilstedeværelsen av gjenværende spenning en avgjørende innvirkning på den langsiktige levetiden og strukturelle integriteten til impelleren.

Den direkte koblingen mellom gjenværende stress og sprekkrisiko

Induksjon av støpesprekker

Høye nivåer av gjenværende strekkspenning er den primære drivkraften bak varm og kald sprekkdannelse i støpegods. I bladimpellerstøping er det tykke grensesnittet mellom bladet og navet (nav/deksel) og geometriske brå endringer høyrisikoområder for gjenværende spenningskonsentrasjon.

Strekkrestspenning: Dersom denne indre strekkspenningen overstiger materialets flytegrense eller strekkgrense, kan det føre til umiddelbare eller forsinkede makrosprekker selv i statisk tilstand etter støping.

Forsinket sprekkdannelse: Spesielt for visse legeringer, slik som martensittisk rustfritt stål eller visse nikkelbaserte legeringer, kan restspenning kombinert med hydrogensprøhet forårsake forsinket sprekkdannelse. Denne feilen er ofte vanskelig å oppdage ved fabrikkinspeksjon, men kan føre til plutselig feil tidlig i løpehjulets levetid.

Stress superposisjonseffekt

Etter at pumpehjulet er satt i drift, legges gjenværende strekkspenninger over eksterne driftsspenninger.

Spenningskonsentrasjon: Sentrifugalspenningen som genereres av løpehjulet under høyhastighetsrotasjon når sitt maksimum ved bladroten. Hvis det også eksisterer betydelig gjenværende strekkspenning i dette området, kan den resulterende lokale totalspenningen langt overstige materialets sikkerhetsgrense.

Ettergivelse og deformasjon: Overlagrede spenninger kan føre til at lokalisert materiale går inn i det plastiske deformasjonsstadiet for tidlig, noe som fører til geometrisk forvrengning av løpehjulet, forstyrrer dets dynamiske balanse og til slutt forårsake alvorlig vibrasjon og lagerskade.

Innvirkning av gjenværende stress på utmattelsesliv og korrosjonsatferd

Betydelig reduksjon i utmattelseslivet

Bladimpellerstøpegods opererer for det meste under vekslende belastninger, og deres utmattelseslevetid er en nøkkelindikator for langsiktig pålitelighet.

Accelerated fatigue crack initiation: Restspenning for strekk øker effektivt gjennomsnittsspenningen i spenningssyklusen. I henhold til Goodman- eller Haigh-utmattelseskriteriene forkorter økningen i gjennomsnittlig spenning tretthetsgrensen for materialet betydelig, og akselererer initiering av utmattelsessprekker ved defekten.

Drivkraft for tretthetsvekst: Gjenværende strekkspenning gir ekstra drivkraft for initierte mikrosprekker, noe som får dem til å forplante seg gjennom pumpehjulets kritiske lastbærende områder med høyere hastighet, noe som fører til for tidlig tretthetssvikt.

Akselerert spenningskorrosjonssprekker (SCC)

Mange impellerstøpegods, spesielt de som er laget av rustfritt stål eller dupleksstål, kreves for å fungere i korrosive medier (som kloridløsninger).

SCC-følsomhet: Spenningskorrosjonssprekker (SCC) er en feilmodus forårsaket av de kombinerte effektene av korrosjon og strekkspenning. Gjenværende strekkspenning alene er tilstrekkelig til å utgjøre den nødvendige spenningstilstanden for SCC.

Lokal anodisk effekt: Korngrenser eller mikrostrukturer i områder med høy restspenning kan bli mer aktivert og danne lokale anoder. Dette akselererer elektrokjemisk korrosjon og forårsaker at sprø sprekkdannelse raskt oppstår ved temperaturer langt under materialets flytegrense. Dette er ekstremt farlig for impellere laget av korrosjonsbestandige legeringer som brukes i petrokjemiske og marine applikasjoner.

Kritisk kontroll av gjenværende stress i støpeprosessen

Kontroll av gjenværende spenning i bladimpellerstøpegods er en av hovedoppgavene til støpeingeniører.

Nødvendigheten av varmebehandling: Spenningsavlastende utglødning eller spesifikke løsningsbehandlinger brukes vanligvis for å frigjøre eller omfordele gjenværende spenninger. Nøyaktig kontroll av oppvarmingshastigheten, holdetid og temperatur og kjølehastighet er avgjørende for å unngå å introdusere nye termiske påkjenninger eller påvirke materialets mikrostruktur.

Optimalisering av størkning og kjøling: Ved å optimalisere formdesign og kjølehastigheter, som å bruke frysninger eller kontrollere formens varme formtemperatur, kan samtidig størkning og jevn avkjøling oppnås på tvers av alle impellerkomponentene, og minimerer gjenværende spenninger ved kilden.