Ako zvyškové napätie v odliatkoch obežného kolesa lopatky ovplyvňuje dlhodobú životnosť obežného kolesa

Odliatky lopatkového obežného kolesa , srdce tekutých strojov, často pracujú v prostrediach s vysokými rýchlosťami, vysokým tlakom, korozívnymi médiami a kolísajúcimi teplotami. Počas prevádzky sú obežné kolesá vystavené komplexnému zaťaženiu, vrátane odstredivého, hydraulického a tepelného namáhania. Okrem týchto vonkajších zaťažení sa však v odliatku skrýva skrytá hrozba: zvyškové napätie. Zvyškové napätie je samovyvažujúci napäťový systém generovaný vnútorne nerovnomerným zmršťovaním alebo objemovými zmenami počas fázových prechodov a procesov tepelného spracovania. V prípade geometricky zložitých odliatkov obežného kolesa má prítomnosť zvyškového napätia zásadný vplyv na dlhodobú životnosť a konštrukčnú integritu obežného kolesa.

Priame prepojenie medzi zvyškovým stresom a rizikom prasknutia

Indukcia odlievacích trhlín

Vysoké úrovne zvyškového napätia v ťahu sú primárnou hnacou silou vytvárania trhlín za tepla a za studena v odliatkoch. V odliatkoch obežného kolesa lopatky je hrubé rozhranie medzi lopatkou a nábojom (náboj/plášť) a geometrické náhle zmeny vysoko rizikovými oblasťami koncentrácie zvyškového napätia.

Zvyškové napätie v ťahu: Ak toto vnútorné napätie v ťahu prekročí medzu klzu materiálu alebo pevnosť v ťahu, môže to viesť k okamžitým alebo oneskoreným makrotrhlinám aj v statickom stave po odliatí.

Oneskorené praskanie: Najmä pri určitých zliatinách, ako je martenzitická nehrdzavejúca oceľ alebo určité zliatiny na báze niklu, môže zvyškové napätie v kombinácii s vodíkovým skrehnutím spôsobiť oneskorené praskanie. Túto chybu je často ťažké odhaliť počas kontroly vo výrobe, ale môže viesť k náhlemu zlyhaniu na začiatku životnosti obežného kolesa.

Efekt superpozície stresu

Po uvedení obežného kolesa do prevádzky sa zvyškové ťahové napätia superponujú na vonkajšie prevádzkové napätia.

Koncentrácia napätia: Odstredivé napätie generované obežným kolesom počas vysokorýchlostnej rotácie dosahuje maximum na koreni lopatky. Ak v tejto oblasti existuje aj značné zvyškové ťahové napätie odlievania, výsledné lokálne celkové napätie môže ďaleko presiahnuť bezpečnostný limit materiálu.

Prieťažnosť a deformácia: Superponované napätia môžu spôsobiť, že lokalizovaný materiál predčasne vstúpi do štádia plastickej deformácie, čo vedie ku geometrickej deformácii obežného kolesa, narušeniu jeho dynamickej rovnováhy a v konečnom dôsledku spôsobí vážne vibrácie a poškodenie ložísk.

Vplyv zvyškového stresu na únavový život a korózne správanie

Výrazné zníženie únavy v živote

Odliatky obežných kolies lopatiek pracujú väčšinou pri striedavom zaťažení a ich únavová životnosť je kľúčovým ukazovateľom dlhodobej spoľahlivosti.

Zrýchlená iniciácia únavových trhlín: Zvyškové napätie v ťahu účinne zvyšuje priemerné napätie napäťového cyklu. Podľa Goodmanových alebo Haighových únavových kritérií zvýšenie stredného napätia výrazne skracuje medzu únavy materiálu, čo urýchľuje iniciáciu únavovej trhliny na defekte.

Hnacia sila pre rast únavy: Zvyškové ťahové napätie poskytuje dodatočnú hnaciu silu pre iniciované mikrotrhliny, ktoré spôsobujú, že sa šíria cez kritické nosné oblasti obežného kolesa vyššou rýchlosťou, čo vedie k predčasnému únavovému zlyhaniu.

Accelerated Stress Corrosion Crack (SCC)

Mnohé odliatky obežného kolesa, najmä tie, ktoré sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele alebo duplexnej ocele, musia pracovať v korozívnych médiách (ako sú roztoky chloridov).

Citlivosť SCC: Korózne praskanie pod napätím (SCC) je porucha spôsobená kombinovanými účinkami korózie a napätia v ťahu. Samotné zvyškové napätie v ťahu je dostatočné na vytvorenie nevyhnutnej podmienky napätia pre SZB.

Lokálny anodický efekt: Hranice zŕn alebo mikroštruktúry v oblastiach s vysokým zvyškovým napätím sa môžu viac aktivovať a vytvárať lokálne anódy. To urýchľuje elektrochemickú koróziu a spôsobuje rýchle praskanie pri teplotách hlboko pod medzou klzu materiálu. To je mimoriadne nebezpečné pre obežné kolesá vyrobené zo zliatin odolných voči korózii používaných v petrochemických a námorných aplikáciách.

Kritická kontrola zvyškového napätia v procese odlievania

Kontrola zvyškového napätia v odliatkoch obežného kolesa lopatiek je jednou z hlavných úloh odlievacích technikov.

Nevyhnutnosť tepelného spracovania: Na uvoľnenie alebo prerozdelenie zvyškového napätia sa zvyčajne používa žíhanie na uvoľnenie napätia alebo špecifické roztokové úpravy. Presné riadenie rýchlosti ohrevu, doby zdržania a teploty a rýchlosti chladenia je rozhodujúce, aby sa predišlo zavedeniu nových tepelných napätí alebo ovplyvneniu mikroštruktúry materiálu.

Optimalizácia tuhnutia a chladenia: Optimalizáciou konštrukcie formy a rýchlostí chladenia, ako je použitie chladenia alebo regulácia teploty horúcej formy, je možné dosiahnuť súčasné tuhnutie a rovnomerné chladenie naprieč všetkými komponentmi obežného kolesa, čím sa minimalizuje zvyškové napätie pri ich zdroji.