Bagaimana tegangan sisa pada pengecoran sudu impeler mempengaruhi umur pengoperasian impeler dalam jangka panjang

Pengecoran impeler bilah , jantung dari mesin fluida, sering kali beroperasi di lingkungan yang melibatkan kecepatan tinggi, tekanan tinggi, media korosif, dan suhu yang berfluktuasi. Selama servis, impeller terkena beban kompleks, termasuk tekanan sentrifugal, hidrolik, dan termal. Namun, selain beban eksternal ini, ancaman tersembunyi mengintai di dalam pengecoran: tegangan sisa. Tegangan sisa adalah sistem tegangan yang menyeimbangkan diri yang dihasilkan secara internal oleh penyusutan yang tidak merata atau perubahan volume selama transisi fase dan proses perlakuan panas. Untuk pengecoran impeler yang rumit secara geometris, adanya tegangan sisa mempunyai dampak penting terhadap umur pengoperasian jangka panjang dan integritas struktural impeler.

Hubungan Langsung Antara Residu Stres dan Risiko Retak

Induksi Retak Pengecoran

Tingkat tegangan sisa tarik yang tinggi merupakan kekuatan pendorong utama terjadinya keretakan panas dan dingin pada coran. Dalam pengecoran impeller sudu, antarmuka yang tebal antara sudu dan hub (hub/shroud) dan perubahan geometrik yang tiba-tiba merupakan area yang berisiko tinggi terhadap konsentrasi tegangan sisa.

Tegangan sisa tarik: Jika tegangan tarik internal ini melebihi kekuatan luluh atau kekuatan tarik material, hal ini dapat menyebabkan retakan makro yang terjadi secara langsung atau tertunda bahkan dalam keadaan statis setelah pengecoran.

Retak tertunda: Khususnya untuk paduan tertentu, seperti baja tahan karat martensit atau paduan berbasis nikel tertentu, tegangan sisa yang dikombinasikan dengan penggetasan hidrogen dapat menyebabkan keretakan tertunda. Cacat ini seringkali sulit dideteksi selama inspeksi pabrik, namun dapat menyebabkan kegagalan mendadak pada awal masa pakai impeler.

Efek superposisi stres

Setelah impeler dioperasikan, tegangan tarik sisa ditumpangkan pada tegangan operasi eksternal.

Konsentrasi tegangan: Tegangan sentrifugal yang dihasilkan oleh impeller selama putaran kecepatan tinggi mencapai maksimum pada akar sudu. Jika tegangan tarik sisa pengecoran yang signifikan juga terdapat pada area ini, tegangan total lokal yang dihasilkan dapat jauh melebihi batas keamanan material.

Lelehan dan Deformasi: Tegangan yang ditumpangkan dapat menyebabkan material lokal memasuki tahap deformasi plastis sebelum waktunya, menyebabkan distorsi geometrik pada impeler, mengganggu keseimbangan dinamisnya, dan pada akhirnya menyebabkan getaran parah dan kerusakan bantalan.

Dampak Residu Stres terhadap Kehidupan Kelelahan dan Perilaku Korosi

Pengurangan Signifikan dalam Kelelahan Hidup

Pengecoran impeler sudu sebagian besar beroperasi pada beban bolak-balik, dan umur lelahnya merupakan indikator utama keandalan jangka panjang.

Inisiasi Retak Kelelahan yang Dipercepat: Tegangan sisa tarik secara efektif meningkatkan tegangan rata-rata dari siklus tegangan. Menurut kriteria kelelahan Goodman atau Haigh, peningkatan tegangan rata-rata secara signifikan memperpendek batas kelelahan material, sehingga mempercepat timbulnya retak lelah pada cacat.

Kekuatan Pendorong Pertumbuhan Kelelahan: Tegangan tarik sisa memberikan kekuatan pendorong tambahan untuk memulai retakan mikro, menyebabkan retakan tersebut merambat melalui area penahan beban kritis impeler dengan kecepatan yang lebih tinggi, sehingga menyebabkan kegagalan kelelahan dini.

Retak Korosi Stres yang Dipercepat (SCC)

Banyak pengecoran impeler, terutama yang terbuat dari baja tahan karat atau baja dupleks, diharuskan beroperasi dalam media korosif (seperti larutan klorida).

Kerentanan SCC: Retak korosi tegangan (SCC) adalah mode kegagalan yang disebabkan oleh efek gabungan dari korosi dan tegangan tarik. Tegangan tarik sisa saja sudah cukup untuk membentuk kondisi tegangan yang diperlukan untuk SCC.

Efek Anodik Lokal: Batas butir atau struktur mikro di area dengan tegangan sisa tinggi dapat menjadi lebih aktif, membentuk anoda lokal. Hal ini mempercepat korosi elektrokimia dan menyebabkan retak getas terjadi dengan cepat pada suhu jauh di bawah kekuatan luluh material. Hal ini sangat berbahaya bagi impeler yang terbuat dari paduan tahan korosi yang digunakan dalam aplikasi petrokimia dan kelautan.

Kontrol Kritis terhadap Stres Sisa dalam Proses Pengecoran

Mengontrol tegangan sisa pada pengecoran impeler sudu adalah salah satu tugas utama insinyur pengecoran.

Perlunya Perlakuan Panas: Anil pelepas stres atau perawatan larutan khusus biasanya digunakan untuk melepaskan atau mendistribusikan kembali tegangan sisa. Kontrol yang tepat terhadap laju pemanasan, waktu dan suhu penahanan, serta laju pendinginan sangat penting untuk menghindari timbulnya tekanan termal baru atau mempengaruhi struktur mikro material.

Solidifikasi dan Optimasi Pendinginan: Dengan mengoptimalkan desain cetakan dan laju pendinginan, seperti menggunakan pendingin atau mengontrol suhu cetakan panas cetakan, pemadatan simultan dan pendinginan seragam dapat dicapai di seluruh komponen impeler, meminimalkan tegangan sisa pada sumbernya.