Como a tensão residual nas peças fundidas do impulsor de pás afeta a vida operacional a longo prazo do impulsor

Fundições do impulsor de lâmina , o coração das máquinas fluidas, geralmente operam em ambientes que envolvem altas velocidades, altas pressões, meios corrosivos e temperaturas flutuantes. Durante o serviço, os impulsores estão sujeitos a cargas complexas, incluindo tensões centrífugas, hidráulicas e térmicas. Contudo, além dessas cargas externas, uma ameaça oculta se esconde na peça fundida: a tensão residual. A tensão residual é um sistema de tensão de autoequilíbrio gerado internamente por contração irregular ou alterações de volume durante transições de fase e processos de tratamento térmico. Para peças fundidas de impulsores geometricamente complexos, a presença de tensão residual tem um impacto crucial na vida operacional a longo prazo e na integridade estrutural do impulsor.

A ligação direta entre tensão residual e risco de fissuração

Indução de fissuras na fundição

Altos níveis de tensão residual de tração são a principal força motriz por trás da trinca a quente e a frio em peças fundidas. Nas peças fundidas do impulsor de pás, a interface espessa entre a pá e o cubo (cubo/invólucro) e as mudanças geométricas abruptas são áreas de alto risco para concentração de tensão residual.

Tensão residual de tração: Se esta tensão de tração interna exceder a resistência ao escoamento ou a resistência à tração do material, pode levar a macrofissuras imediatas ou retardadas, mesmo no estado estático após a fundição.

Fissuração retardada: Particularmente para certas ligas, como aço inoxidável martensítico ou certas ligas à base de níquel, a tensão residual combinada com a fragilização por hidrogênio pode causar fissuração retardada. Este defeito é muitas vezes difícil de detectar durante a inspeção de fábrica, mas pode levar a uma falha repentina no início da vida útil do impulsor.

Efeito de superposição de estresse

Depois que o impulsor é colocado em operação, as tensões de tração residuais são sobrepostas às tensões operacionais externas.

Concentração de tensão: A tensão centrífuga gerada pelo impulsor durante a rotação em alta velocidade atinge seu máximo na raiz da pá. Se também existir uma tensão de tração residual significativa na fundição nesta área, a tensão total local resultante pode exceder em muito o limite de segurança do material.

Cedência e Deformação: Tensões sobrepostas podem fazer com que o material localizado entre prematuramente no estágio de deformação plástica, levando à distorção geométrica do impulsor, perturbando seu equilíbrio dinâmico e, por fim, causando vibrações severas e danos ao rolamento.

Impacto do estresse residual na vida em fadiga e no comportamento de corrosão

Redução significativa na vida de fadiga

As peças fundidas do impulsor de lâmina operam principalmente sob cargas alternadas e sua vida útil à fadiga é um indicador chave da confiabilidade a longo prazo.

Iniciação acelerada de trincas por fadiga: A tensão residual de tração aumenta efetivamente a tensão média do ciclo de tensão. De acordo com os critérios de fadiga de Goodman ou Haigh, o aumento da tensão média encurta significativamente o limite de fadiga do material, acelerando o início da trinca por fadiga no defeito.

Força motriz para o crescimento da fadiga: A tensão de tração residual fornece força motriz adicional para microfissuras iniciadas, fazendo com que elas se propaguem através das áreas críticas de suporte de carga do impulsor a uma taxa mais alta, levando à falha prematura por fadiga.

Fissuração por corrosão sob tensão acelerada (SCC)

Muitas peças fundidas de impulsores, especialmente aquelas feitas de aço inoxidável ou aço duplex, são necessárias para operar em meios corrosivos (como soluções de cloreto).

Suscetibilidade SCC: A fissuração por corrosão sob tensão (SCC) é um modo de falha causado pelos efeitos combinados de corrosão e tensão de tração. A tensão de tração residual por si só é suficiente para constituir a condição de tensão necessária para o CAA.

Efeito Anódico Local: Os limites dos grãos ou microestruturas em áreas de alta tensão residual podem tornar-se mais ativados, formando ânodos locais. Isto acelera a corrosão eletroquímica e faz com que ocorram rapidamente fissuras frágeis em temperaturas muito abaixo do limite de escoamento do material. Isto é extremamente perigoso para impulsores feitos de ligas resistentes à corrosão utilizados em aplicações petroquímicas e marítimas.

Controle Crítico de Tensão Residual no Processo de Fundição

Controlar a tensão residual em peças fundidas de impulsores de pás é uma das principais tarefas dos engenheiros de fundição.

Necessidade de tratamento térmico: Recozimento de alívio de tensão ou tratamentos de solução específicos são normalmente usados ​​para liberar ou redistribuir tensões residuais. O controle preciso da taxa de aquecimento, do tempo de retenção e da temperatura e da taxa de resfriamento é crucial para evitar a introdução de novas tensões térmicas ou afetar a microestrutura do material.

Otimização da solidificação e do resfriamento: Ao otimizar o projeto do molde e as taxas de resfriamento, como o uso de resfriamento ou o controle da temperatura do molde quente do molde, a solidificação simultânea e o resfriamento uniforme podem ser alcançados em todos os componentes do impulsor, minimizando as tensões residuais em sua origem.