No campo do transporte de fluidos, as bombas multiestágios são amplamente utilizadas em cenários industriais importantes, como petroquímica, conservação de água, energia e mineração, devido às suas principais vantagens de alta altura manométrica e grande vazão. Como componente central de suporte de pressão e condutor de fluidos de bombas multiestágios, a integridade estrutural, a precisão dimensional e o desempenho do material do corpo da bomba determinam diretamente a eficiência operacional, a confiabilidade e a vida útil do conjunto da bomba. O processo de fundição, como a principal rota técnica para a fabricação de corpos de bombas, requer controle preciso sobre todo o processo, incluindo seleção de materiais, projeto do molde, fusão e fundição, tratamento térmico e inspeção subsequente, a fim de atender aos rigorosos requisitos de bombas multiestágios sob condições de trabalho complexas.
I. Seleção de materiais para fundição do corpo da bomba de bombas multiestágios: a premissa central do atendimento aos requisitos das condições de trabalho
O ambiente de trabalho do corpo da bomba multiestágio é frequentemente acompanhado por alta pressão, erosão do fluido em alta velocidade, corrosão do meio (como soluções ácidas e alcalinas, fluido contendo partículas sólidas) e variações periódicas de temperatura. Portanto, a seleção do material deve levar em consideração três indicadores principais: propriedades mecânicas, resistência à corrosão e adaptabilidade do processo, para evitar falhas como rachaduras, desgaste ou vazamento do corpo da bomba devido à seleção inadequada do material.
Do ponto de vista da prática de aplicação industrial, o ferro fundido cinzento é o mais amplamente utilizado em bombas multiestágio para o transporte de água limpa e fluidos de baixa temperatura e baixa pressão devido ao seu excelente desempenho de fundição, absorção de choque e vantagens de custo. Entre eles, HT250 e HT300, com resistências à tração de até 250 MPa e 300 MPa, respectivamente, podem atender às demandas da maioria dos cenários civis e industriais leves. No entanto, para bombas multiestágio de nível industrial que transportam fluidos de alta temperatura (acima de 200 ℃) e alta pressão (acima de 10 MPa), como condensado de vapor e óleo quente, o ferro dúctil torna-se uma escolha melhor. QT450-10 e QT500-7 não só têm resistências próximas às do aço, mas sua estrutura esférica de grafite também aumenta significativamente a tenacidade e a resistência à fadiga do material, resistindo efetivamente às cargas periódicas causadas pela pulsação do fluido.
Em condições de trabalho corrosivas, a aplicação de materiais de liga especiais torna-se crucial. Ao transportar meios corrosivos fortes contendo íons cloreto, sulfetos, etc., os aços inoxidáveis 304 e 316L podem alcançar excelente resistência à corrosão devido à película passiva formada por elementos de cromo e níquel. Entre eles, o 316L, com a adição de molibdênio, apresenta resistência significativamente melhor à corrosão por pites e frestas do que o 304, sendo adequado para aplicações na indústria química, dessalinização de água do mar, etc. Em ambientes ácidos e alcalinos de alta concentração, o aço inoxidável duplex (como o 2205), com uma estrutura bifásica de ferrita e austenita, combina alta resistência à corrosão e pode atender aos requisitos de operação estável de longo prazo de corpos de bombas em condições extremas.
II. Projeto do Molde de Fundição: A Etapa Fundamental para Garantir a Precisão Estrutural do Corpo da Bomba
A estrutura de uma bomba multiestágio é complexa, com múltiplos canais de fluxo conectados em série, cavidades do impulsor e superfícies de vedação internas. Os canais de fluxo dos diferentes estágios precisam manter a coaxialidade e a perpendicularidade; caso contrário, causarão vórtices no corpo da bomba, aumentarão as perdas hidráulicas e até mesmo levarão à vibração do corpo da bomba. Portanto, o projeto do molde de fundição deve ter como objetivo replicar a estrutura com precisão e otimizar o processo de enchimento, além de se concentrar em superar as seguintes dificuldades técnicas.
Em termos de projeto da estrutura do molde, o primeiro passo é planejar a superfície de separação com base no modelo tridimensional do corpo da bomba, garantindo que a superfície de separação evite áreas críticas de precisão, como a superfície de vedação e a superfície da junta do flange, minimizando assim o impacto da remoção de rebarbas na precisão dimensional. Para os complexos canais de fluxo internos do corpo da bomba, um processo de combinação de núcleos de areia deve ser adotado. O canal de fluxo geral é dividido em múltiplos núcleos de areia fabricáveis separadamente (como o núcleo de areia do canal de fluxo de primeiro estágio e o núcleo de areia do canal de fluxo de segundo estágio), e pinos de posicionamento e ranhuras de posicionamento são fixados nos núcleos de areia para garantir que o erro de coaxialidade do canal de fluxo após a montagem seja controlado dentro de 0,1 mm/m. Ao mesmo tempo, o molde deve ser projetado de forma razoável com um sistema de canais de injeção e risers: a localização do canal de injeção deve evitar as áreas de concentração de tensões do corpo da bomba (como a raiz do flange), e canais de injeção inferiores ou escalonados devem ser utilizados para garantir que o metal fundido preencha o molde suavemente, evitando o impacto no molde de areia, que pode causar inclusões de areia e defeitos de furos de areia. Os risers devem ser posicionados na parte mais espessa da parede do corpo da bomba (como o flange do corpo da bomba e a intersecção dos canais de fluxo) para eliminar cavidades de contração e porosidade dentro da peça fundida durante a alimentação, garantindo a densidade das partes críticas do corpo da bomba.
Em termos de seleção do material do molde e controle da precisão do processamento, o corpo do molde (como a caixa de areia e a placa de base do molde) é geralmente fabricado por soldagem de chapas de aço Q235, e sua planicidade deve ser controlada com precisão dentro de 0,05 mm/m por meio do processamento da fresadora. Para a produção de machos de areia, o processo apropriado deve ser selecionado com base nas necessidades do lote. Para a produção de pequenos lotes, a fabricação manual de machos de areia de resina pode ser adotada, enquanto para a produção de grandes lotes, os processos de fabricação de machos de caixa de núcleo quente e caixa de núcleo frio são preferíveis. A tolerância de tamanho dos machos de areia deve ser mantida dentro de ±0,1 mm usando equipamento automatizado. Além disso, canais de exaustão devem ser instalados no molde para expelir prontamente os gases da cavidade durante o processo de enchimento do metal, evitando o aprisionamento de gases e a formação de defeitos de porosidade. Geralmente, um furo de exaustão com um diâmetro de 2-3 mm deve ser fornecido para cada 100 cm² da superfície do molde de areia, e os furos de exaustão devem se estender até a superfície do molde de areia para garantir a evacuação suave dos gases.
III. Processo de fusão e vazamento: as etapas cruciais que determinam a qualidade intrínseca do corpo da bomba
A qualidade do metal fundido durante a fundição afeta diretamente a composição química, a pureza e as propriedades mecânicas da peça fundida, enquanto o processo de vazamento determina se o metal fundido pode preencher completamente a cavidade do molde. Juntos, eles formam a linha de defesa interna da qualidade do corpo da bomba multiestágio de fundição.
Na etapa de fundição, é necessário formular parâmetros diferenciados do processo de fundição com base no tipo de material. Para materiais de aço fundido, fornos de indução de média frequência são normalmente utilizados para fundição, e a temperatura de fundição deve ser controlada entre 1600-1660°C. Elementos de liga, como ferrossilício e ferromanganês, são adicionados para ajustar a composição química e evitar o aumento da fragilidade ou a diminuição da resistência das peças fundidas devido a flutuações na composição. Durante o processo de fundição, também são necessários tratamentos de remoção de escória e desgaseificação. A adição de agentes de escória permite a adsorção de inclusões no metal fundido.
O núcleo do processo de fundição reside no controle da temperatura e da velocidade de fundição para garantir um enchimento suave do metal fundido. Devido ao alto ponto de fusão do aço inoxidável, a temperatura de fundição precisa ser elevada para 1550-1600 ℃. A velocidade de fundição deve ser ajustada dinamicamente de acordo com a espessura da parede do corpo da bomba. Para áreas de paredes finas com espessura de 5-10 mm, uma velocidade de fundição mais rápida (15-20 kg/s) deve ser adotada para evitar a solidificação prematura do metal fundido durante o processo de enchimento. Para áreas de paredes espessas com espessura superior a 30 mm, a velocidade deve ser reduzida adequadamente (5-10 kg/s) para minimizar o aprisionamento de gás. Além disso, durante o processo de fundição, o nível de líquido do metal fundido deve ser mantido em constante elevação para evitar a interrupção do fluxo, garantindo que todas as partes da cavidade do molde sejam totalmente preenchidas.
IV. Processo de Tratamento Térmico: Um Meio Necessário para Otimizar o Desempenho Mecânico das Bombas
Após a fundição, o corpo da bomba multiestágio frequentemente apresenta problemas como concentração de tensões internas e estrutura irregular. A ausência de tratamento térmico não só afetará as propriedades mecânicas do corpo da bomba, como também poderá causar deformação ou rachaduras devido à liberação de tensões durante o processamento ou uso subsequente. Portanto, um processo científico de tratamento térmico deve ser formulado com base no tipo de material e nos requisitos de desempenho para atingir o objetivo de eliminar tensões internas, otimizar a microestrutura e melhorar as propriedades mecânicas.
O tratamento térmico de corpos de bombas de aço inoxidável deve se concentrar no equilíbrio entre resistência à corrosão e propriedades mecânicas. Para aços inoxidáveis austeníticos, como 304 e 316L, o tratamento de solução é o processo central - aquecer as peças fundidas a 1050-1100 ℃, mantendo por 1-2 horas e, em seguida, têmpera rápida em água pode garantir que o carbono seja totalmente dissolvido na matriz austenítica, evitando a precipitação de carboneto nos contornos de grão e, assim, mantendo a resistência à corrosão do material. Para aço inoxidável duplex 2205, um processo "solution + aging" é necessário. O tratamento de solução pode obter uma estrutura duplex uniforme, e o tratamento de envelhecimento (mantendo a 450-550 ℃ por 2-3 horas) pode aumentar ainda mais a resistência por meio da precipitação de compostos intermetálicos, atendendo aos requisitos de condições de trabalho de alta pressão.
V. Inspeção de qualidade e reparo de defeitos: a última linha de defesa para garantir que o corpo da bomba atenda aos padrões antes de sair da fábrica
Como componente que suporta pressão, o corpo da bomba multiestágio pode causar vazamentos durante a operação e até mesmo acidentes de segurança devido a defeitos de qualidade, como rachaduras, poros e cavidades de retração. Portanto, um sistema abrangente de inspeção de qualidade deve ser estabelecido para realizar uma triagem completa da aparência, dimensões e qualidade interna do corpo da bomba, e para realizar reparos padronizados para os defeitos qualificados detectados.
A inspeção da aparência e dimensional são etapas fundamentais no controle de qualidade. Para a inspeção da aparência, deve-se adotar a inspeção visual combinada com o ensaio de penetração (TP), com foco na verificação da presença de trincas, furos de areia, inclusões de escória e outros defeitos na superfície do corpo da bomba. O ensaio de penetração pode detectar defeitos de abertura superficial, com sensibilidade de até 0,1 mm. Para a inspeção dimensional, um instrumento de medição de três coordenadas deve ser utilizado para medir dimensões-chave, como o diâmetro do flange, a coaxialidade do canal de fluxo e a planicidade da superfície de vedação do corpo da bomba, garantindo que as tolerâncias dimensionais atendam aos requisitos de projeto.
A inspeção interna de qualidade é fundamental para garantir a operação estável a longo prazo do corpo da bomba. O teste ultrassônico (UT) pode ser usado para detectar defeitos de volume, como cavidades de contração e porosidade dentro do corpo da bomba, sendo capaz de identificar defeitos internos com profundidade ≥ 2 mm, e a faixa de detecção pode cobrir toda a direção da espessura do corpo da bomba. Para áreas críticas (como a raiz do flange e a interseção dos canais de fluxo), o teste radiográfico (RT) também é necessário. Ao penetrar a peça fundida com radiação e formar uma imagem, ele pode identificar com precisão defeitos lineares, como trincas e inclusões internas, garantindo que a densidade interna do corpo da bomba atenda aos requisitos padrão.
Para pequenos defeitos encontrados durante a inspeção (como poros com diâmetro ≤ 2 mm e microfissuras com comprimento ≤ 5 mm), o processo de reparo de soldagem a ponto pode ser adotado, mas o processo de reparo deve ser rigorosamente controlado: antes da soldagem a ponto, a área defeituosa deve ser retificada e limpa para expor a cor original do metal; o material de soldagem deve ser da mesma composição que o material do corpo da bomba (por exemplo, corpos de bomba de aço inoxidável devem usar eletrodos de aço inoxidável do mesmo material); após a soldagem a ponto, o tratamento térmico local deve ser realizado para eliminar o estresse da soldagem a ponto, e uma nova inspeção deve ser conduzida para garantir que a qualidade da área reparada atenda aos padrões.
VI. Conclusão
A fabricação de corpos de bombas multiestágios por fundição é um projeto sistemático que integra ciência dos materiais, engenharia de moldes, técnicas de processamento térmico e inspeção de qualidade. O controle preciso de cada elo afeta diretamente o desempenho operacional e a confiabilidade da segurança do conjunto da bomba. Com o aumento contínuo da demanda por bombas multiestágios com alta altura manométrica, alta eficiência e longa vida útil no setor industrial, a tecnologia de fundição também precisa se desenvolver em direção a maior precisão, maior eficiência e mais respeito ao meio ambiente – por exemplo, otimizando os parâmetros de fusão e fundição por meio de tecnologia de simulação numérica para reduzir os custos de tentativa e erro; utilizando tecnologia de impressão 3D para fabricar núcleos de areia complexos para aumentar a precisão dos canais de fluxo; e promovendo processos de tratamento térmico de baixo consumo de energia para reduzir o consumo de energia durante o processo de produção. Somente por meio da promoção contínua da inovação tecnológica e da atualização de processos é que o nível de qualidade dos corpos de bombas multiestágios fundidos pode ser continuamente aprimorado, fornecendo uma garantia sólida para a operação estável no setor de transporte de fluidos.