In che modo le sollecitazioni residue nelle fusioni delle giranti a pale influiscono sulla vita operativa a lungo termine della girante

Fusioni di giranti a pale , il cuore dei macchinari a fluido, spesso operano in ambienti caratterizzati da velocità elevate, pressioni elevate, fluidi corrosivi e temperature fluttuanti. Durante il servizio, le giranti sono soggette a carichi complessi, comprese sollecitazioni centrifughe, idrauliche e termiche. Tuttavia, oltre a questi carichi esterni, all’interno del getto si nasconde una minaccia nascosta: le tensioni residue. Lo stress residuo è un sistema di stress autobilanciante generato internamente da un ritiro irregolare o da variazioni di volume durante le transizioni di fase e i processi di trattamento termico. Per le fusioni di giranti geometricamente complesse, la presenza di sollecitazioni residue ha un impatto cruciale sulla vita operativa a lungo termine e sull'integrità strutturale della girante.

Il legame diretto tra stress residuo e rischio di cracking

Induzione di crepe di colata

Elevati livelli di stress residuo da trazione sono la principale forza trainante dietro la fessurazione a caldo e a freddo nei getti. Nelle fusioni di giranti a pale, l'interfaccia spessa tra pala e mozzo (mozzo/protezione) e i bruschi cambiamenti geometrici sono aree ad alto rischio di concentrazione di tensioni residue.

Tensione residua di trazione: se questa tensione di trazione interna supera il carico di snervamento o la resistenza alla trazione del materiale, può portare a macrofessurazioni immediate o ritardate anche nello stato statico dopo la fusione.

Fessurazione ritardata: in particolare per alcune leghe, come l'acciaio inossidabile martensitico o alcune leghe a base di nichel, la tensione residua combinata con l'infragilimento da idrogeno può causare fessurazioni ritardate. Questo difetto è spesso difficile da rilevare durante l'ispezione in fabbrica, ma può portare a guasti improvvisi nelle prime fasi della vita utile della girante.

Effetto di sovrapposizione degli sforzi

Dopo la messa in funzione della girante, le tensioni residue di trazione si sovrappongono alle sollecitazioni operative esterne.

Concentrazione dello stress: lo stress centrifugo generato dalla girante durante la rotazione ad alta velocità raggiunge il suo massimo alla radice della pala. Se in quest'area è presente anche una significativa tensione residua di trazione della colata, la tensione totale locale risultante può superare di gran lunga il limite di sicurezza del materiale.

Snervamento e deformazione: le sollecitazioni sovrapposte possono far sì che il materiale localizzato entri prematuramente nella fase di deformazione plastica, portando alla distorsione geometrica della girante, interrompendo il suo equilibrio dinamico e, infine, causando gravi vibrazioni e danni ai cuscinetti.

Impatto dello stress residuo sulla vita a fatica e sul comportamento alla corrosione

Riduzione significativa della vita a fatica

I pezzi fusi delle giranti a pale funzionano principalmente con carichi alternati e la loro durata a fatica è un indicatore chiave dell'affidabilità a lungo termine.

Innesco accelerato della fessurazione da fatica: la sollecitazione residua di trazione aumenta efficacemente la sollecitazione media del ciclo di sollecitazione. Secondo i criteri di fatica di Goodman o Haigh, l’aumento della sollecitazione media riduce significativamente il limite di fatica del materiale, accelerando l’inizio della cricca da fatica nel difetto.

Forza motrice per l'aumento della fatica: lo stress di trazione residuo fornisce una forza motrice aggiuntiva per le microfessure iniziate, facendole propagare attraverso le aree critiche di carico della girante a una velocità maggiore, portando a un cedimento prematuro per fatica.

Cracking da stress-corrosione accelerato (SCC)

Molte giranti, soprattutto quelle realizzate in acciaio inossidabile o acciaio duplex, devono funzionare in mezzi corrosivi (come le soluzioni di cloruro).

Suscettibilità alla SCC: la tensocorrosione (SCC) è una modalità di guasto causata dagli effetti combinati della corrosione e dello stress da trazione. La sola sollecitazione di trazione residua è sufficiente a costituire la condizione di sollecitazione necessaria per l'SCC.

Effetto anodico locale: i bordi dei grani o le microstrutture in aree con elevato stress residuo possono diventare più attivati, formando anodi locali. Ciò accelera la corrosione elettrochimica e provoca rapidamente la formazione di fessurazioni fragili a temperature molto inferiori al carico di snervamento del materiale. Ciò è estremamente pericoloso per le giranti realizzate con leghe resistenti alla corrosione utilizzate nelle applicazioni petrolchimiche e marine.

Controllo critico delle tensioni residue nel processo di fusione

Il controllo dello stress residuo nelle fusioni delle giranti a pale è uno dei compiti principali degli ingegneri di fusione.

Necessità di trattamento termico: la ricottura di distensione o trattamenti di soluzione specifici vengono generalmente utilizzati per rilasciare o ridistribuire le tensioni residue. Il controllo preciso della velocità di riscaldamento, del tempo di mantenimento, della temperatura e della velocità di raffreddamento è fondamentale per evitare di introdurre nuove sollecitazioni termiche o di influenzare la microstruttura del materiale.

Ottimizzazione della solidificazione e del raffreddamento: ottimizzando la progettazione dello stampo e le velocità di raffreddamento, ad esempio utilizzando i refrigeratori o controllando la temperatura dello stampo caldo, è possibile ottenere una solidificazione simultanea e un raffreddamento uniforme su tutti i componenti della girante, riducendo al minimo le sollecitazioni residue alla fonte.