Hvordan påvirker restspænding i skovlhjulsstøbninger løbehjulets langsigtede levetid

Klingehjulstøbninger , hjertet af flydende maskineri, fungerer ofte i miljøer, der involverer høje hastigheder, høje tryk, ætsende medier og svingende temperaturer. Under service udsættes pumpehjulene for komplekse belastninger, herunder centrifugale, hydrauliske og termiske spændinger. Ud over disse ydre belastninger lurer der dog en skjult trussel i støbningen: restspænding. Restspænding er et selvbalancerende spændingssystem, der genereres internt af ujævnt svind eller volumenændringer under faseovergange og varmebehandlingsprocesser. For geometrisk komplekse impellerstøbninger har tilstedeværelsen af ​​resterende spænding en afgørende indflydelse på den langsigtede levetid og strukturelle integritet af pumpehjulet.

Den direkte forbindelse mellem resterende stress og revnerisiko

Fremkaldelse af støberevner

Høje niveauer af restspændinger er den primære drivkraft bag varm og kold revnedannelse i støbegods. I vingehjulstøbninger er den tykke grænseflade mellem vinge og nav (nav/kappe) og geometriske pludselige ændringer højrisikoområder for restspændingskoncentration.

Trækrestspænding: Hvis denne indre trækspænding overstiger materialets flydespænding eller trækstyrke, kan det føre til umiddelbare eller forsinkede makrorevner selv i statisk tilstand efter støbning.

Forsinket revnedannelse: Især for visse legeringer, såsom martensitisk rustfrit stål eller visse nikkelbaserede legeringer, kan restspænding kombineret med brintskørhed forårsage forsinket revnedannelse. Denne defekt er ofte svær at opdage under fabriksinspektion, men kan føre til pludselige fejl tidligt i pumpehjulets levetid.

Stress superposition effekt

Efter at pumpehjulet er sat i drift, overlejres resterende trækspændinger på eksterne driftsspændinger.

Spændingskoncentration: Centrifugalspændingen, der genereres af pumpehjulet under højhastighedsrotation, når sit maksimum ved bladroden. Hvis der også eksisterer betydelige resttrækspændinger i dette område, kan den resulterende lokale samlede spænding langt overstige materialets sikkerhedsgrænse.

Eftergivenhed og deformation: Overlejrede spændinger kan få lokaliseret materiale til at gå ind i plastisk deformationsstadiet for tidligt, hvilket fører til geometrisk forvrængning af pumpehjulet, forstyrrer dets dynamiske balance og i sidste ende forårsage alvorlige vibrationer og lejeskader.

Indvirkning af resterende stress på træthedsliv og korrosionsadfærd

Betydelig reduktion i træthedslivet

Bladhjulsstøbegods fungerer for det meste under vekslende belastninger, og deres udmattelseslevetid er en nøgleindikator for langsigtet pålidelighed.

Accelereret træthedsrevneinitiering: Resterende trækspænding øger effektivt den gennemsnitlige spænding i spændingscyklussen. Ifølge Goodman- eller Haigh-træthedskriterierne forkorter stigningen i middelspænding materialets træthedsgrænse betydeligt, hvilket accelererer udmattelsesrevneinitiering ved defekten.

Drivkraft for træthedsvækst: Resterende trækspænding giver yderligere drivkraft for initierede mikrorevner, hvilket får dem til at forplante sig gennem pumpehjulets kritiske lastbærende områder med en højere hastighed, hvilket fører til for tidlig udmattelsesfejl.

Accelereret spændingskorrosion (SCC)

Mange impellerstøbegods, især dem, der er lavet af rustfrit stål eller dupleksstål, er påkrævet for at fungere i ætsende medier (såsom chloridopløsninger).

SCC-følsomhed: Spændingskorrosionsrevner (SCC) er en fejltilstand forårsaget af de kombinerede virkninger af korrosion og trækspænding. Resterende trækspænding alene er tilstrækkelig til at udgøre den nødvendige spændingstilstand for SCC.

Lokal anodisk effekt: Korngrænser eller mikrostrukturer i områder med høj restspænding kan blive mere aktiveret og danne lokale anoder. Dette fremskynder den elektrokemiske korrosion og bevirker, at sprøde revner hurtigt opstår ved temperaturer langt under materialets flydespænding. Dette er ekstremt farligt for pumpehjul lavet af korrosionsbestandige legeringer, der anvendes i petrokemiske og marine applikationer.

Kritisk kontrol af resterende stress i støbeprocessen

Kontrol af restspænding i vingehjulstøbegods er en af ​​støbeingeniørernes primære opgaver.

Nødvendigheden af ​​varmebehandling: Afspændingsudglødning eller specifikke opløsningsbehandlinger bruges typisk til at frigøre eller omfordele resterende spændinger. Præcis styring af opvarmningshastigheden, holdetid og temperatur samt afkølingshastighed er afgørende for at undgå at indføre nye termiske spændinger eller påvirke materialets mikrostruktur.

Størkning og afkølingsoptimering: Ved at optimere formdesign og afkølingshastigheder, såsom at bruge kulde eller kontrollere formens varme formtemperatur, kan der opnås samtidig størkning og ensartet afkøling på tværs af alle pumpehjulskomponenter, hvilket minimerer resterende spændinger ved deres kilde.