В области транспортировки жидкостей многоступенчатые насосы широко используются в таких ключевых отраслях промышленности, как нефтехимия, водопользование, энергетика и горнодобывающая промышленность, благодаря своим основным преимуществам: высокому напору и производительности. Корпус насоса, являясь основным компонентом, работающим под давлением, и носителем проточной части многоступенчатых насосов, от структурной целостности, точности размеров и свойств материала напрямую зависят эксплуатационная эффективность, надежность и срок службы насосного агрегата. Литейный процесс, являясь основным технологическим процессом изготовления корпусов насосов, требует точного контроля на всех этапах, включая выбор материала, проектирование пресс-форм, плавку и литье, термическую обработку и последующий контроль, чтобы соответствовать строгим требованиям, предъявляемым к многоступенчатым насосам в сложных условиях эксплуатации.
I. Выбор материала для литья корпуса многоступенчатых насосов: основное условие соответствия требованиям к условиям эксплуатации
Рабочие условия корпуса многоступенчатого насоса часто сопровождаются высоким давлением, высокоскоростной эрозией, коррозионным воздействием сред (например, растворов кислот и щелочей, жидкостей, содержащих твердые частицы) и периодическими перепадами температур. Поэтому при выборе материала необходимо учитывать три основных показателя: механические свойства, коррозионную стойкость и технологичность, чтобы избежать таких дефектов, как трещины, износ или утечки из корпуса насоса, вызванных неправильным выбором материала.
С точки зрения промышленной практики применения серый чугун наиболее широко используется в многоступенчатых насосах для перекачки чистой воды и низкотемпературных сред низкого давления благодаря своим превосходным литейным характеристикам, амортизации и ценовым преимуществам. Среди них ХТ250 и ХТ300 с пределом прочности на растяжение до 250 МПа и 300 МПа соответственно могут удовлетворить требования большинства гражданских и легких промышленных сценариев. Однако для промышленных многоступенчатых насосов, перекачивающих среды высокой температуры (выше 200 ℃) и высокого давления (выше 10 МПа), такие как паровой конденсат и горячее масло, лучшим выбором становится ковкий чугун. QT450-10 и QT500-7 не только имеют прочность, близкую к прочности стали, но их сферическая структура графита также значительно повышает ударную вязкость и усталостную прочность материала, эффективно противостоя периодическим нагрузкам, вызванным пульсацией жидкости.
В коррозионных условиях эксплуатации применение специальных сплавов приобретает решающее значение. При транспортировке агрессивных сред, содержащих хлорид-ионы, сульфиды и т. д., нержавеющие стали марок 304 и 316L обладают превосходной коррозионной стойкостью благодаря пассивной пленке, образованной хромом и никелем. Среди них сталь 316L с добавлением молибдена обладает значительно лучшей стойкостью к точечной и щелевой коррозии, чем сталь 304, и подходит для применения в химической промышленности, опреснении морской воды и т. д. В средах с высокой концентрацией кислот и щелочей дуплексная нержавеющая сталь (например, 2205) с двухфазной структурой феррита и аустенита сочетает в себе высокую прочность и коррозионную стойкость, что позволяет обеспечить длительную и стабильную работу корпусов насосов в экстремальных условиях.
II. Проектирование литейной формы: основополагающий шаг к обеспечению конструктивной точности корпуса насоса
Многоступенчатый насос имеет сложную конструкцию, состоящую из множества последовательно соединенных проточных каналов, полостей рабочего колеса и уплотнительных поверхностей. Проточные каналы разных ступеней должны быть соосными и перпендикулярными, в противном случае это приведет к образованию вихрей в корпусе насоса, увеличению гидравлических потерь и даже к вибрации корпуса. Поэтому конструкция литейной формы должна быть направлена на точное воспроизведение конструкции и оптимизацию процесса заливки, а также на преодоление следующих технических трудностей.
С точки зрения проектирования структуры пресс-формы, первым шагом является планирование поверхности разъема на основе трехмерной модели корпуса насоса, гарантируя, что поверхность разъема избегает критических прецизионных зон, таких как уплотнительная поверхность и поверхность фланцевого соединения, тем самым минимизируя влияние удаления облоя на точность размеров. Для сложных внутренних каналов потока корпуса насоса следует применять процесс комбинирования песчаных стержней. Общий канал потока делится на несколько отдельно изготавливаемых песчаных стержней (например, песчаный стержень канала потока первой ступени и песчаный стержень канала потока второй ступени), и на песчаных стержнях устанавливаются позиционирующие штифты и позиционирующие пазы, чтобы гарантировать, что ошибка соосности канала потока после сборки контролируется в пределах 0,1 мм/м. При этом форма должна быть спроектирована с рациональной системой литниково-приподнятых каналов: расположение литника должно быть таким, чтобы исключить зоны концентрации напряжений в корпусе насоса (например, основание фланца), а нижний или ступенчатый литник должен обеспечивать равномерное заполнение формы расплавленным металлом, исключая удары по песчаной форме, которые могут привести к образованию песчаных включений и раковин. Приподнятые каналы следует размещать в наиболее толстой части стенки корпуса насоса (например, на фланце корпуса насоса и в месте пересечения проточных каналов) для устранения усадочных раковин и пористости внутри отливки, обеспечивая плотность заполнения ответственных деталей корпуса насоса.
Что касается выбора материала формы и контроля точности обработки, корпус формы (например, песочная коробка и основание формы) обычно изготавливается сваркой стальных пластин Q235, а его плоскостность должна контролироваться с точностью до 0,05 мм/м посредством фрезерной обработки. Для изготовления песчаных стержней следует выбирать соответствующий процесс, исходя из требований партии. Для мелкосерийного производства можно использовать ручное изготовление стержней из смоляной смеси, в то время как для крупносерийного производства предпочтительны методы изготовления стержней в горячих и холодных стержневых коробках. Допуск на размер песчаных стержней должен поддерживаться в пределах ±0,1 мм с помощью автоматизированного оборудования. Кроме того, в форме должны быть предусмотрены вытяжные каналы для быстрого отвода газов из полости во время заполнения металлом, предотвращая их скопление и образование пор. Как правило, на каждые 100 см² поверхности песчаной формы следует предусматривать одно вытяжное отверстие диаметром 2–3 мм, при этом вытяжные отверстия должны выходить на поверхность песчаной формы для обеспечения плавного отвода газов.
III. Процесс плавки и заливки: ключевые этапы, определяющие качество корпуса насоса
Качество расплавленного металла при плавке напрямую влияет на химический состав, чистоту и механические свойства отливки, а процесс заливки определяет, сможет ли расплавленный металл полностью заполнить полость формы. Вместе они образуют внутреннюю защиту качества литого корпуса многоступенчатого насоса.
На этапе плавки необходимо разработать дифференцированные параметры процесса плавки в зависимости от типа материала. Для плавки литых стальных материалов обычно используются среднечастотные индукционные печи, а температура плавки должна поддерживаться в диапазоне 1600–1660 °C. При этом для регулирования химического состава добавляют легирующие элементы, такие как ферросилиций и ферромарганец, чтобы предотвратить повышение хрупкости или снижение прочности отливок из-за колебаний состава. В процессе плавки также требуется удаление шлака и дегазация. Добавление шлакообразующих агентов позволяет адсорбировать включения в расплавленном металле.
Суть процесса литья заключается в контроле температуры и скорости литья для обеспечения равномерного заполнения расплавленным металлом. Из-за высокой температуры плавления нержавеющей стали, температура литья должна быть повышена до 1550-1600 ℃. Скорость литья должна динамически регулироваться в соответствии с толщиной стенки корпуса насоса. Для тонкостенных областей толщиной 5-10 мм следует использовать более высокую скорость литья (15-20 кг/с), чтобы предотвратить преждевременное затвердевание расплавленного металла в процессе заполнения. Для толстостенных областей толщиной более 30 мм скорость следует соответствующим образом уменьшить (5-10 кг/с), чтобы минимизировать газоуловление. Кроме того, во время процесса литья уровень жидкого расплавленного металла должен поддерживаться постоянно возрастающим, чтобы избежать прерывания потока, гарантируя полное заполнение всех частей полости формы.
IV. Процесс термообработки: необходимое средство оптимизации механических характеристик насосов
После литья корпус многоступенчатого насоса часто имеет такие проблемы, как концентрация внутренних напряжений и неравномерная структура. Отсутствие термической обработки не только повлияет на механические свойства корпуса насоса, но и может привести к деформации или растрескиванию вследствие снятия напряжений при последующей обработке или эксплуатации. Поэтому для достижения цели снижения внутренних напряжений, оптимизации микроструктуры и улучшения механических свойств необходимо разработать научно обоснованный процесс термической обработки, основанный на типе материала и эксплуатационных требованиях.
При термической обработке корпусов насосов из нержавеющей стали необходимо обеспечить баланс между коррозионной стойкостью и механическими свойствами. Для аустенитных нержавеющих сталей, таких как 304 и 316L, основным процессом является обработка на твердый раствор: нагрев отливок до 1050–1100 °C, выдержка в течение 1–2 часов, а затем быстрая закалка в воде обеспечивают полное растворение углерода в аустенитной матрице, предотвращая выделение карбидов на границах зерен и, таким образом, сохраняя коррозионную стойкость материала. Для дуплексной нержавеющей стали 2205 требуется процесс обработки на твердый раствор + старение. Обработка на твердый раствор позволяет получить однородную дуплексную структуру, а старение (выдержка при 450–550 °C в течение 2–3 часов) может дополнительно повысить прочность за счет выделения интерметаллических соединений, что соответствует требованиям к работе в условиях высокого давления.
V. Контроль качества и устранение дефектов: последняя линия защиты для обеспечения соответствия корпуса насоса стандартам перед отправкой с завода
Корпус многоступенчатого насоса, являясь компонентом, работающим под давлением, может привести к утечкам рабочей среды во время работы и даже стать причиной несчастных случаев из-за дефектов качества, таких как трещины, поры и усадочные раковины. Поэтому необходимо создать комплексную систему контроля качества, которая будет тщательно проверять внешний вид, размеры и внутреннее качество корпуса насоса, а также проводить стандартизированный ремонт выявленных дефектов.
Внешний вид и контроль размеров являются основополагающими этапами контроля качества. Для контроля внешнего вида следует применять визуальный осмотр в сочетании с капиллярным контролем (ПК), уделяя особое внимание выявлению трещин, раковин, шлаковых включений и других дефектов на поверхности корпуса насоса. Капиллярный контроль позволяет обнаружить дефекты поверхности с чувствительностью до 0,1 мм. Для контроля размеров следует использовать трёхкоординатный измерительный прибор для измерения основных параметров, таких как диаметр фланца, соосность проточного канала и плоскостность уплотнительной поверхности корпуса насоса, чтобы гарантировать соответствие допусков на размеры проектным требованиям.
Внутренний контроль качества – основа обеспечения долговременной и стабильной работы корпуса насоса. Ультразвуковой контроль (УЗК) позволяет обнаружить объёмные дефекты, такие как усадочные раковины и пористость, внутри корпуса насоса. Он позволяет обнаружить внутренние дефекты глубиной ≥ 2 мм, а диапазон обнаружения охватывает всю толщину корпуса насоса. Для критических участков (таких как основание фланца и пересечение проточных каналов) также требуется радиографический контроль (РК). Проникая в отливку излучением и формируя изображение, он позволяет точно выявлять линейные дефекты, такие как внутренние трещины и включения, гарантируя соответствие внутренней плотности корпуса насоса требованиям стандарта.
При обнаружении незначительных дефектов при осмотре (поры диаметром ≤ 2 мм и микротрещины длиной ≤ 5 мм) допускается ремонт методом точечной сварки, однако при этом необходимо строго контролировать процесс ремонта: перед точечной сваркой дефектный участок следует отшлифовать и очистить, чтобы обнажить первоначальный цвет металла; сварочный материал должен иметь тот же состав, что и материал корпуса насоса (например, для корпусов насосов из нержавеющей стали следует использовать электроды из нержавеющей стали из того же материала); после точечной сварки следует провести местную термообработку для устранения напряжений точечной сварки и провести повторный контроль, чтобы убедиться, что качество отремонтированного участка соответствует стандартам.
VI. Заключение
Изготовление корпусов многоступенчатых насосов методом литья – это системный проект, объединяющий материаловедение, технологию пресс-форм, методы термической обработки и контроль качества. Точность контроля каждого звена напрямую влияет на эксплуатационные характеристики и безопасность насосного агрегата. В связи с постоянным ростом спроса на многоступенчатые насосы с высоким напором, высокой эффективностью и длительным сроком службы в промышленной сфере, технология литья также должна развиваться в сторону повышения точности, эффективности и экологичности. Например, путем оптимизации параметров плавки и литья с помощью технологии численного моделирования для снижения затрат на пробы и ошибки; использования технологии 3D-печати для изготовления сложных песчаных стержней для повышения точности проточных каналов; и внедрения энергосберегающих процессов термообработки для снижения энергопотребления в процессе производства. Только постоянное внедрение технологических инноваций и модернизация технологических процессов позволят обеспечить постоянное повышение качества литых корпусов многоступенчатых насосов, обеспечивая надежную гарантию стабильной работы в области транспортировки жидкостей.