Hur påverkar restspänningen i skovelhjulsgjutgods den långa livslängden för pumphjulet

Bladhjulsgjutgods , hjärtat av vätskemaskineri, arbetar ofta i miljöer med höga hastigheter, höga tryck, korrosiva media och fluktuerande temperaturer. Under service utsätts pumphjulen för komplexa belastningar, inklusive centrifugala, hydrauliska och termiska påfrestningar. Men förutom dessa externa belastningar lurar ett dolt hot i gjutningen: kvarvarande spänning. Restspänning är ett självbalanserande spänningssystem som genereras internt av ojämn krympning eller volymförändringar under fasövergångar och värmebehandlingsprocesser. För geometriskt komplexa impellergjutgods har förekomsten av restspänning en avgörande inverkan på pumphjulets långsiktiga livslängd och strukturella integritet.

Den direkta kopplingen mellan kvarstående stress och sprickrisk

Induktion av gjutsprickor

Höga nivåer av kvarvarande dragspänning är den primära drivkraften bakom varm och kall sprickbildning i gjutgods. I bladhjulsgjutningar är den tjocka gränsytan mellan bladet och navet (nav/hölje) och geometriska abrupta förändringar högriskområden för kvarvarande spänningskoncentration.

Dragrestspänning: Om denna inre dragspänning överstiger materialets sträckgräns eller draggräns kan det leda till omedelbara eller fördröjda makrosprickor även i statiskt tillstånd efter gjutning.

Fördröjd sprickbildning: Särskilt för vissa legeringar, såsom martensitiskt rostfritt stål eller vissa nickelbaserade legeringar, kan kvarvarande spänningar i kombination med väteförsprödning orsaka fördröjd sprickbildning. Denna defekt är ofta svår att upptäcka vid fabriksbesiktning, men kan leda till plötsligt fel tidigt i pumphjulets livslängd.

Stress superposition effekt

Efter att pumphjulet har tagits i drift, överlagras kvarvarande dragspänningar på externa driftspänningar.

Spänningskoncentration: Centrifugalspänningen som genereras av pumphjulet under höghastighetsrotation når sitt maximum vid bladroten. Om betydande kvarvarande dragpåkänningar även föreligger i detta område, kan den resulterande lokala totala spänningen vida överstiga materialets säkerhetsgräns.

Eftergivenhet och deformation: Överlagrade spänningar kan göra att lokalt material kommer in i det plastiska deformationsstadiet i förtid, vilket leder till geometrisk förvrängning av pumphjulet, stör dess dynamiska balans och i slutändan orsaka allvarliga vibrationer och lagerskador.

Inverkan av kvarvarande stress på utmattningsliv och korrosionsbeteende

Betydande minskning av trötthetslivet

Bladhjulsgjutgods arbetar för det mesta under växlande belastningar, och deras utmattningslivslängd är en nyckelindikator på långsiktig tillförlitlighet.

Accelererad utmattningssprickinitiering: Resterande dragspänning ökar effektivt medelspänningen i spänningscykeln. Enligt Goodman- eller Haigh-utmattningskriterierna förkortar ökningen av medelspänningen avsevärt materialets utmattningsgräns, vilket påskyndar initieringen av utmattningssprickor vid defekten.

Drivkraft för utmattningstillväxt: Återstående dragspänning ger ytterligare drivkraft för initierade mikrosprickor, vilket får dem att fortplanta sig genom pumphjulets kritiska lastbärande områden i högre hastighet, vilket leder till för tidigt utmattningsbrott.

Accelererad spänningskorrosion (SCC)

Många impellergjutgods, särskilt de som är gjorda av rostfritt stål eller duplexstål, krävs för att fungera i korrosiva medier (som kloridlösningar).

SCC-känslighet: Spänningskorrosionssprickning (SCC) är ett felläge som orsakas av de kombinerade effekterna av korrosion och dragspänning. Enbart kvarvarande dragspänning är tillräcklig för att utgöra det nödvändiga spänningstillståndet för SCC.

Lokal anodeffekt: Korngränser eller mikrostrukturer i områden med hög restspänning kan bli mer aktiverade och bilda lokala anoder. Detta accelererar elektrokemisk korrosion och gör att spröd sprickbildning uppstår snabbt vid temperaturer långt under materialets sträckgräns. Detta är extremt farligt för pumphjul gjorda av korrosionsbeständiga legeringar som används i petrokemiska och marina tillämpningar.

Kritisk kontroll av kvarstående stress i gjutningsprocessen

Att kontrollera kvarvarande spänningar i bladhjulsgjutgods är en av gjutingenjörernas primära uppgifter.

Behovet av värmebehandling: Avspänningsglödgning eller specifika lösningsbehandlingar används vanligtvis för att frigöra eller omfördela kvarvarande spänningar. Exakt kontroll av uppvärmningshastigheten, hålltid och temperatur samt kylhastighet är avgörande för att undvika att införa nya termiska påkänningar eller påverka materialets mikrostruktur.

Solidifiering och kylningsoptimering: Genom att optimera formdesign och kylningshastigheter, såsom att använda kylningar eller kontrollera formens heta formtemperatur, kan samtidig stelning och enhetlig kylning uppnås över alla impellerkomponenter, vilket minimerar kvarvarande spänningar vid källan.