Kako zaostalo naprezanje u odljevcima rotora s lopaticama utječe na dugoročni radni vijek rotora

Odljevci rotora lopatica , srce fluidnih strojeva, često rade u okruženjima koja uključuju velike brzine, visoke tlakove, korozivne medije i fluktuirajuće temperature. Tijekom rada rotori su podvrgnuti složenim opterećenjima, uključujući centrifugalna, hidraulička i toplinska naprezanja. Međutim, osim ovih vanjskih opterećenja, skrivena prijetnja vreba unutar odljevka: zaostalo naprezanje. Zaostalo naprezanje je samouravnotežujući sustav naprezanja koji nastaje interno neravnomjernim skupljanjem ili promjenama volumena tijekom faznih prijelaza i procesa toplinske obrade. Za geometrijski složene odljevke rotora, prisutnost zaostalog naprezanja ima presudan utjecaj na dugoročni vijek trajanja i strukturni integritet rotora.

Izravna veza između zaostalog naprezanja i rizika od pucanja

Indukcija pukotina u lijevanju

Visoke razine vlačnog zaostalog naprezanja primarna su pokretačka snaga iza vrućih i hladnih pukotina u odljevcima. Kod odljevaka rotora lopatica, debela površina između lopatice i glavčine (glavčina/pokrov) i nagle geometrijske promjene područja su visokog rizika za koncentraciju zaostalog naprezanja.

Zaostalo vlačno naprezanje: Ako ovo unutarnje vlačno naprezanje premašuje granicu tečenja ili vlačnu čvrstoću materijala, može dovesti do trenutnih ili odgođenih makropukotina čak i u statičkom stanju nakon lijevanja.

Odgođeno pucanje: Osobito za određene legure, kao što je martenzitni nehrđajući čelik ili određene legure na bazi nikla, zaostalo naprezanje u kombinaciji s vodikovom krtošću može uzrokovati odgođeno pucanje. Ovaj kvar je često teško otkriti tijekom tvorničke inspekcije, ali može dovesti do iznenadnog kvara rano u radnom vijeku impelera.

Učinak superpozicije naprezanja

Nakon što je rotor stavljen u rad, zaostala vlačna naprezanja superponiraju se na vanjska radna naprezanja.

Koncentracija naprezanja: Centrifugalni napon koji stvara impeler tijekom rotacije velikom brzinom doseže svoj maksimum u korijenu lopatice. Ako u ovom području također postoji značajno zaostalo vlačno naprezanje lijevanja, rezultirajuće lokalno ukupno naprezanje može daleko premašiti granicu sigurnosti materijala.

Popuštanje i deformacija: Superponirana naprezanja mogu uzrokovati da lokalizirani materijal prerano uđe u fazu plastične deformacije, što dovodi do geometrijskog izobličenja rotora, narušavanja njegove dinamičke ravnoteže i konačnog uzroka ozbiljnih vibracija i oštećenja ležaja.

Utjecaj zaostalog naprezanja na vijek trajanja od zamora i korozijsko ponašanje

Značajno smanjenje trajanja umora

Odljevci rotora lopatica uglavnom rade pod izmjeničnim opterećenjima, a njihov je vijek trajanja ključni pokazatelj dugoročne pouzdanosti.

Ubrzano nastajanje pukotine uslijed zamora: Vlačno zaostalo naprezanje učinkovito povećava srednje naprezanje ciklusa naprezanja. Prema Goodmanovim ili Haighovim kriterijima zamora, povećanje srednjeg naprezanja značajno skraćuje granicu zamora materijala, ubrzavajući inicijaciju zamorne pukotine na defektu.

Pokretačka sila za rast zamora: Preostalo vlačno naprezanje daje dodatnu pokretačku silu za započete mikropukotine, uzrokujući njihovo širenje kroz kritična nosiva područja rotora većom brzinom, što dovodi do preranog kvara uslijed zamora.

Ubrzano pucanje od korozije pod naponom (SCC)

Mnogi odljevci impelera, posebno oni izrađeni od nehrđajućeg čelika ili duplex čelika, moraju raditi u korozivnim medijima (kao što su otopine klorida).

Osjetljivost na SCC: Pukotine uzrokovane naponskom korozijom (SCC) je način kvara uzrokovan kombiniranim učincima korozije i vlačnog naprezanja. Samo zaostalo vlačno naprezanje je dovoljno da predstavlja nužan uvjet naprezanja za SCC.

Lokalni anodni učinak: Granice zrna ili mikrostrukture u područjima visokog zaostalog naprezanja mogu se više aktivirati, stvarajući lokalne anode. To ubrzava elektrokemijsku koroziju i uzrokuje brzu pojavu krhkih pukotina na temperaturama daleko ispod granice razvlačenja materijala. To je izuzetno opasno za impelere izrađene od legura otpornih na koroziju koji se koriste u petrokemijskim i pomorskim aplikacijama.

Kritična kontrola zaostalog naprezanja u procesu lijevanja

Kontrola zaostalog naprezanja u odljevcima rotora s lopaticama jedan je od primarnih zadataka inženjera za lijevanje.

Nužnost toplinske obrade: žarenje za ublažavanje naprezanja ili specifični tretmani otopinom obično se koriste za otpuštanje ili preraspodjelu zaostalih naprezanja. Precizna kontrola brzine zagrijavanja, vremena držanja i temperature te brzine hlađenja je ključna kako bi se izbjeglo uvođenje novih toplinskih naprezanja ili utjecaj na mikrostrukturu materijala.

Optimizacija skrućivanja i hlađenja: Optimiziranjem dizajna kalupa i stopa hlađenja, kao što je korištenje hlađenja ili kontrola vruće temperature kalupa u kalupu, može se postići istovremeno skrućivanje i ravnomjerno hlađenje na svim komponentama impelera, smanjujući zaostala naprezanja na njihovom izvoru.