블레이드 임펠러 주물의 잔류 응력이 임펠러의 장기 작동 수명에 어떤 영향을 미칩니까?

블레이드 임펠러 주물 유체 기계의 핵심인 는 고속, 고압, 부식성 매체 및 변동하는 온도와 관련된 환경에서 작동하는 경우가 많습니다. 서비스 중에 임펠러는 원심력, 유압 및 열 응력을 포함한 복잡한 하중을 받습니다. 그러나 이러한 외부 하중 외에도 주물 내부에는 잔류 응력이라는 숨겨진 위협이 숨어 있습니다. 잔류 응력은 상전이 및 열처리 공정 중 불균일한 수축이나 부피 변화로 인해 내부적으로 생성되는 자체 균형 응력 시스템입니다. 기하학적으로 복잡한 임펠러 주조의 경우 잔류 응력의 존재는 임펠러의 장기 작동 수명과 구조적 무결성에 중요한 영향을 미칩니다.

잔류 응력과 균열 위험 사이의 직접적인 연관성

주조 균열 유도

높은 수준의 인장 잔류 응력은 주조품의 고온 및 저온 균열을 일으키는 주요 원동력입니다. 블레이드 임펠러 주조에서 블레이드와 허브(허브/슈라우드) 사이의 두꺼운 경계면과 기하학적 급격한 변화는 잔류 응력 집중의 위험이 높은 영역입니다.

인장잔류응력: 이 내부 인장응력이 재료의 항복강도나 인장강도를 초과하면 주조 후 정적 상태에서도 즉시 또는 지연된 거대균열이 발생할 수 있습니다.

지연된 균열: 특히 마르텐사이트 스테인리스강 또는 특정 니켈 기반 합금과 같은 특정 합금의 경우 수소 취성과 결합된 잔류 응력으로 인해 지연된 균열이 발생할 수 있습니다. 이 결함은 공장 검사 중에 발견하기 어려운 경우가 많지만 임펠러의 사용 수명 초기에 갑작스러운 고장으로 이어질 수 있습니다.

스트레스 중첩 효과

임펠러가 작동된 후 잔류 인장 응력이 외부 작동 응력에 중첩됩니다.

응력 집중: 고속 회전 시 임펠러에 의해 발생하는 원심 응력은 블레이드 루트에서 최대에 도달합니다. 이 영역에 상당한 주조 잔류 인장 응력이 존재하는 경우 결과적인 국부적 총 응력은 재료의 안전 한계를 훨씬 초과할 수 있습니다.

항복 및 변형: 중첩된 응력으로 인해 국부적인 재료가 소성 변형 단계에 조기에 진입하여 임펠러의 기하학적 왜곡이 발생하고 동적 균형이 붕괴되어 궁극적으로 심각한 진동 및 베어링 손상을 초래할 수 있습니다.

피로 수명 및 부식 거동에 대한 잔류 응력의 영향

피로 수명 대폭 감소

블레이드 임펠러 주물은 대부분 교번 하중에서 작동하며, 피로 수명은 장기적인 신뢰성을 나타내는 핵심 지표입니다.

가속된 피로 균열 시작: 인장 잔류 응력은 응력 사이클의 평균 응력을 효과적으로 증가시킵니다. Goodman 또는 Haigh 피로 기준에 따르면 평균 응력이 증가하면 재료의 피로 한계가 크게 단축되어 결함에서 피로 균열 시작이 가속화됩니다.

피로 성장을 위한 원동력: 잔류 인장 응력은 시작된 미세 균열에 대한 추가적인 원동력을 제공하여 미세 균열이 임펠러의 임계 하중 지지 영역을 통해 더 빠른 속도로 전파되어 조기 피로 파손을 초래합니다.

가속 응력 부식 균열(SCC)

많은 임펠러 주물, 특히 스테인리스강이나 이중강으로 만들어진 주물은 부식성 매체(예: 염화물 용액)에서 작동해야 합니다.

SCC 민감성: 응력 부식 균열(SCC)은 부식과 인장 응력의 결합 효과로 인해 발생하는 파손 모드입니다. 잔류 인장 응력만으로도 SCC에 필요한 응력 조건을 구성하기에 충분합니다.

국부 양극 효과: 잔류 응력이 높은 영역의 결정립 경계 또는 미세 구조가 더욱 활성화되어 국부 양극을 형성할 수 있습니다. 이는 전기화학적 부식을 가속화하고 재료의 항복 강도보다 훨씬 낮은 온도에서 취성 균열이 빠르게 발생하도록 합니다. 이는 석유화학 및 해양 응용 분야에 사용되는 내식성 합금으로 만들어진 임펠러에 매우 위험합니다.

주조 공정에서 잔류 응력의 중요한 제어

블레이드 임펠러 주조의 잔류 응력을 제어하는 ​​것은 주조 엔지니어의 주요 업무 중 하나입니다.

열처리의 필요성: 응력 제거 어닐링 또는 특정 용체화 처리는 일반적으로 잔류 응력을 해제하거나 재분배하는 데 사용됩니다. 새로운 열 응력이 발생하거나 재료의 미세 구조에 영향을 미치는 것을 방지하려면 가열 속도, 유지 시간 및 온도, 냉각 속도를 정밀하게 제어하는 ​​것이 중요합니다.

응고 및 냉각 최적화: 냉각 장치를 사용하거나 금형의 고온 금형 온도를 제어하는 ​​등 금형 설계 및 냉각 속도를 최적화함으로써 모든 임펠러 구성 요소에서 동시에 응고 및 균일한 냉각을 달성하여 소스의 잔류 응력을 최소화할 수 있습니다.