Cum afectează stresul rezidual din turnarea rotorului cu palete durata de funcționare pe termen lung a rotorului

Piese turnate pentru rotorul cu palete , inima mașinilor fluide, funcționează adesea în medii care implică viteze mari, presiuni mari, medii corozive și temperaturi fluctuante. În timpul serviciului, rotoarele sunt supuse unor sarcini complexe, inclusiv solicitări centrifuge, hidraulice și termice. Cu toate acestea, pe lângă aceste încărcări externe, în interiorul turnării se ascunde o amenințare ascunsă: stresul rezidual. Stresul rezidual este un sistem de auto-echilibrare generat intern de contracția neuniformă sau modificări de volum în timpul tranzițiilor de fază și proceselor de tratament termic. Pentru turnarea rotorului cu complexitate geometrică, prezența tensiunii reziduale are un impact crucial asupra duratei de funcționare pe termen lung și asupra integrității structurale a rotorului.

Legătura directă dintre stresul rezidual și riscul de fisurare

Inducerea fisurilor de turnare

Nivelurile ridicate ale tensiunii reziduale de tracțiune sunt principala forță motrice din spatele fisurilor la cald și la rece în piese turnate. În turnarea rotorului cu palete, interfața groasă dintre paletă și butuc (butuc/capă) și modificările abrupte geometrice sunt zone cu risc ridicat pentru concentrarea tensiunilor reziduale.

Tensiunea reziduală la tracțiune: Dacă această tensiune internă de tracțiune depășește limita de curgere sau rezistența la tracțiune a materialului, poate duce la macrofisuri imediate sau întârziate chiar și în stare statică după turnare.

Fisurare întârziată: în special pentru anumite aliaje, cum ar fi oțelul inoxidabil martensitic sau anumite aliaje pe bază de nichel, tensiunea reziduală combinată cu fragilizarea hidrogenului poate provoca fisurarea întârziată. Acest defect este adesea dificil de detectat în timpul inspecției din fabrică, dar poate duce la o defecțiune bruscă la începutul duratei de viață a rotorului.

Efect de suprapunere a stresului

După punerea în funcțiune a rotorului, tensiunile de întindere reziduale sunt suprapuse tensiunilor externe de funcționare.

Concentrarea tensiunilor: Tensiunea centrifugă generată de rotor în timpul rotației de mare viteză atinge maximul la rădăcina palei. Dacă în această zonă există o tensiune reziduală de întindere semnificativă, tensiunea totală locală rezultată poate depăși cu mult limita de siguranță a materialului.

Cedarea și deformarea: Tensiunile suprapuse pot determina intrarea prematură a materialului localizat în stadiul de deformare plastică, ducând la deformarea geometrică a rotorului, perturbând echilibrul său dinamic și, în cele din urmă, provocând vibrații severe și deteriorarea rulmentului.

Impactul stresului rezidual asupra vieții la oboseală și asupra comportamentului la coroziune

Reducere semnificativă a vieții de oboseală

Piesele turnate ale rotorului cu palete funcționează în cea mai mare parte sub sarcini alternative, iar durata lor de viață la oboseală este un indicator cheie al fiabilității pe termen lung.

Inițierea accelerată a fisurii de oboseală: Tensiunea reziduală la tracțiune crește efectiv tensiunea medie a ciclului de tensiuni. Conform criteriilor de oboseală Goodman sau Haigh, creșterea tensiunii medii scurtează semnificativ limita de oboseală a materialului, accelerând inițierea fisurilor de oboseală la defect.

Forța motrice pentru creșterea oboselii: Tensiunea reziduală de întindere oferă forță de antrenare suplimentară pentru microfisurile inițiate, determinându-le să se propagă prin zonele critice de încărcare ale rotorului la o rată mai mare, ceea ce duce la defecțiuni premature la oboseală.

Fisurarea prin coroziune prin efort accelerat (SCC)

Multe piese turnate cu rotoare, în special cele din oțel inoxidabil sau oțel duplex, sunt necesare pentru a funcționa în medii corozive (cum ar fi soluțiile de clorură).

Susceptibilitate SCC: Fisurarea prin coroziune la efort (SCC) este un mod de defecțiune cauzat de efectele combinate ale coroziunii și tensiunii de tracțiune. Numai efortul de tracțiune rezidual este suficient pentru a constitui condiția de efort necesară pentru SCC.

Efectul anodic local: limitele de granule sau microstructurile din zonele cu stres rezidual ridicat pot deveni mai activate, formând anozi locali. Acest lucru accelerează coroziunea electrochimică și provoacă fisurarea fragilă să apară rapid la temperaturi mult sub limita de curgere a materialului. Acest lucru este extrem de periculos pentru rotoarele din aliaje rezistente la coroziune utilizate în aplicații petrochimice și marine.

Controlul critic al tensiunii reziduale în procesul de turnare

Controlul tensiunii reziduale din turnarea rotorului cu palete este una dintre sarcinile principale ale inginerilor de turnare.

Necesitatea tratamentului termic: Recoacere de reducere a tensiunii sau tratamente specifice cu soluție sunt de obicei utilizate pentru a elibera sau redistribui tensiunile reziduale. Controlul precis al vitezei de încălzire, al timpului de menținere și al temperaturii și al vitezei de răcire este crucial pentru a evita introducerea de noi solicitări termice sau afectarea microstructurii materialului.

Solidificarea și optimizarea răcirii: prin optimizarea designului matriței și a ratelor de răcire, cum ar fi utilizarea frigurilor sau controlul temperaturii fierbinți a matriței, se pot obține solidificare și răcire uniformă simultană pentru toate componentele rotorului, minimizând tensiunile reziduale la sursa lor.