Welke invloed heeft de restspanning in de gietstukken van schoepen op de lange termijn levensduur van de waaier?

Gietstukken van bladwaaiers , het hart van vloeistofmachines, opereren vaak in omgevingen met hoge snelheden, hoge drukken, corrosieve media en fluctuerende temperaturen. Tijdens bedrijf worden waaiers onderworpen aan complexe belastingen, waaronder centrifugale, hydraulische en thermische spanningen. Naast deze externe belastingen schuilt er echter een verborgen bedreiging in het gietstuk: restspanning. Restspanning is een zelfbalancerend spanningssysteem dat intern wordt gegenereerd door ongelijkmatige krimp- of volumeveranderingen tijdens faseovergangen en warmtebehandelingsprocessen. Voor geometrisch complexe waaiergietstukken heeft de aanwezigheid van restspanning een cruciale impact op de lange termijn levensduur en structurele integriteit van de waaier.

Het directe verband tussen restspanning en scheurrisico

Inductie van gietscheuren

Hoge niveaus van restspanning zijn de belangrijkste drijvende kracht achter warm en koud scheuren in gietstukken. Bij gietstukken van bladwaaiers vormen het dikke grensvlak tussen het blad en de naaf (naaf/mantel) en geometrische abrupte veranderingen gebieden met een hoog risico voor restspanningsconcentratie.

Trekrestspanning: Als deze interne trekspanning de vloeigrens of treksterkte van het materiaal overschrijdt, kan dit leiden tot onmiddellijke of vertraagde macroscheuren, zelfs in de statische toestand na het gieten.

Vertraagde scheurvorming: Vooral bij bepaalde legeringen, zoals martensitisch roestvast staal of bepaalde legeringen op nikkelbasis, kan restspanning in combinatie met waterstofbrosheid vertraagde scheurvorming veroorzaken. Dit defect is vaak moeilijk te detecteren tijdens fabrieksinspectie, maar kan vroeg in de levensduur van de waaier tot plotselinge defecten leiden.

Superpositie-effect van stress

Nadat de waaier in gebruik is genomen, worden de resterende trekspanningen bovenop de externe bedrijfsspanningen gelegd.

Spanningsconcentratie: De centrifugale spanning die door de waaier wordt gegenereerd tijdens rotatie op hoge snelheid bereikt zijn maximum bij de bladwortel. Als er in dit gebied ook aanzienlijke resttrekspanningen bij het gieten bestaan, kan de resulterende lokale totale spanning de veiligheidslimiet van het materiaal ver overschrijden.

Opbrengst en vervorming: Opeenvolgende spanningen kunnen ervoor zorgen dat lokaal materiaal voortijdig in de plastische vervormingsfase terechtkomt, wat leidt tot geometrische vervorming van de waaier, waardoor de dynamische balans wordt verstoord en uiteindelijk ernstige trillingen en lagerschade worden veroorzaakt.

Impact van reststress op vermoeidheidsleven en corrosiegedrag

Aanzienlijke vermindering van vermoeidheid in het leven

Gietstukken met bladwaaiers werken meestal onder wisselende belastingen, en hun levensduur tegen vermoeiing is een belangrijke indicator voor betrouwbaarheid op de lange termijn.

Versnelde scheurinitiatie door vermoeidheid: Restspanning door trek verhoogt effectief de gemiddelde spanning van de spanningscyclus. Volgens de vermoeiingscriteria van Goodman of Haigh verkort de toename van de gemiddelde spanning de vermoeiingsgrens van het materiaal aanzienlijk, waardoor het ontstaan ​​van vermoeiingsscheuren bij het defect wordt versneld.

Drijvende kracht voor de groei van vermoeidheid: Residuele trekspanning zorgt voor een extra drijvende kracht voor geïnitieerde microscheuren, waardoor deze zich sneller door de kritische belastingdragende gebieden van de waaier voortplanten, wat leidt tot voortijdige vermoeidheidsbreuken.

Versnelde spanningscorrosiescheuren (SCC)

Veel waaiergietstukken, vooral die van roestvrij staal of duplexstaal, moeten in corrosieve media (zoals chlorideoplossingen) werken.

SCC-gevoeligheid: Spanningscorrosiescheuren (SCC) zijn een faalwijze die wordt veroorzaakt door de gecombineerde effecten van corrosie en trekspanning. Resterende trekspanning alleen is voldoende om de noodzakelijke spanningsvoorwaarde voor SCC te vormen.

Lokaal anodisch effect: Korrelgrenzen of microstructuren in gebieden met hoge restspanning kunnen meer geactiveerd worden, waardoor lokale anoden ontstaan. Dit versnelt de elektrochemische corrosie en zorgt ervoor dat brosse scheuren snel optreden bij temperaturen ver onder de vloeigrens van het materiaal. Dit is uiterst gevaarlijk voor waaiers gemaakt van corrosiebestendige legeringen die worden gebruikt in petrochemische en maritieme toepassingen.

Kritische controle van restspanning in het gietproces

Het beheersen van restspanningen in gietstukken van schoepen is een van de belangrijkste taken van gietingenieurs.

Noodzaak van warmtebehandeling: Ontspanningsgloeien of specifieke oplossingsbehandelingen worden doorgaans gebruikt om restspanningen op te heffen of te herverdelen. Nauwkeurige controle van de verwarmingssnelheid, houdtijd en temperatuur, en afkoelsnelheid is cruciaal om te voorkomen dat er nieuwe thermische spanningen ontstaan ​​of dat de microstructuur van het materiaal wordt aangetast.

Optimalisatie van stolling en koeling: Door het ontwerp van de matrijs en de koelsnelheid te optimaliseren, zoals het gebruik van koeling of het regelen van de hete matrijstemperatuur van de matrijs, kan gelijktijdig stollen en uniforme koeling worden bereikt voor alle waaiercomponenten, waardoor restspanningen aan de bron worden geminimaliseerd.