در زمینه انتقال سیال، پمپ‌های چند مرحله‌ای به دلیل مزایای اصلی خود مانند هد بالا و سرعت جریان زیاد، به طور گسترده در سناریوهای صنعتی کلیدی مانند پتروشیمی، حفاظت از آب، برق و معدن مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان جزء اصلی تحمل فشار و حامل عبور سیال در پمپ‌های چند مرحله‌ای، یکپارچگی ساختاری، دقت ابعادی و عملکرد مواد بدنه پمپ به طور مستقیم راندمان عملیاتی، قابلیت اطمینان و عمر مفید مجموعه پمپ را تعیین می‌کند. فرآیند ریخته‌گری، به عنوان مسیر فنی اصلی برای تولید بدنه پمپ، نیاز به کنترل دقیق بر کل فرآیند، از جمله انتخاب مواد، طراحی قالب، ذوب و ریخته‌گری، عملیات حرارتی و بازرسی بعدی دارد تا الزامات سختگیرانه پمپ‌های چند مرحله‌ای را در شرایط کاری پیچیده برآورده کند.
I. انتخاب مواد برای ریخته‌گری بدنه پمپ پمپ‌های چند مرحله‌ای: اصل اساسی برآورده کردن الزامات شرایط کاری
محیط کار بدنه پمپ یک پمپ چند مرحله‌ای اغلب با فشار بالا، فرسایش سیال با سرعت بالا، خوردگی متوسط (مانند محلول‌های اسیدی و قلیایی، سیال حاوی ذرات جامد) و تغییرات دمایی دوره‌ای همراه است. بنابراین، انتخاب مواد باید سه شاخص اصلی را در نظر بگیرد: خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری با فرآیند، تا از عیوبی مانند ترک خوردگی، سایش یا نشتی بدنه پمپ به دلیل انتخاب نامناسب مواد جلوگیری شود.
از منظر کاربرد صنعتی، چدن خاکستری به دلیل عملکرد عالی ریخته‌گری، جذب ضربه و مزایای هزینه، بیشترین کاربرد را در پمپ‌های چند مرحله‌ای برای انتقال آب تمیز و سیالات با دمای پایین و فشار پایین دارد. در میان آنها، HT250 و HT300، به ترتیب با استحکام کششی تا 250 مگاپاسکال و 300 مگاپاسکال، می‌توانند نیازهای اکثر سناریوهای غیرنظامی و صنعتی سبک را برآورده کنند. با این حال، برای پمپ‌های چند مرحله‌ای درجه صنعتی که سیالات با دمای بالا (بالای 200 درجه سانتیگراد) و فشار بالا (بالای 10 مگاپاسکال) مانند میعانات بخار و روغن داغ را منتقل می‌کنند، چدن داکتیل انتخاب بهتری می‌شود. کیوتی۴۵۰-10 و کیوتی۵۰۰-7 نه تنها استحکامی نزدیک به فولاد دارند، بلکه ساختار گرافیت کروی آنها نیز به طور قابل توجهی چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی ماده را افزایش می‌دهد و به طور موثر در برابر بارهای دوره‌ای ناشی از ضربان سیال مقاومت می‌کند.
در شرایط کاری خورنده، استفاده از مواد آلیاژی ویژه بسیار مهم می‌شود. هنگام انتقال مواد خورنده قوی حاوی یون‌های کلرید، سولفیدها و غیره، فولادهای ضد زنگ 304 و 316L به دلیل لایه غیرفعال تشکیل شده توسط عناصر کروم و نیکل می‌توانند به مقاومت در برابر خوردگی عالی دست یابند. در میان آنها، 316L با افزودن مولیبدن، مقاومت به خوردگی حفره‌ای و شکافی به طور قابل توجهی بهتری نسبت به 304 دارد و برای کاربرد در صنایع شیمیایی، نمک‌زدایی آب دریا و غیره مناسب است. در محیط‌های اسیدی و قلیایی با غلظت بالا، فولاد ضد زنگ دوفازی (مانند 2205) با ساختار دو فازی فریت و آستنیت، استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی را با هم ترکیب می‌کند و می‌تواند الزامات عملکرد پایدار و بلندمدت بدنه پمپ‌ها را در شرایط سخت برآورده کند.
دوم. طراحی قالب ریخته‌گری: گام اساسی برای اطمینان از دقت ساختاری بدنه پمپ
ساختار یک پمپ چند مرحله‌ای پیچیده است و شامل چندین کانال جریان متصل به سری، حفره‌های پروانه و سطوح آب‌بندی در داخل آن می‌باشد. کانال‌های جریان مراحل مختلف باید هم‌محوری و عمود بودن خود را حفظ کنند؛ در غیر این صورت، باعث ایجاد گردابه در بدنه پمپ، افزایش تلفات هیدرولیکی و حتی لرزش بدنه پمپ خواهد شد. بنابراین، طراحی قالب ریخته‌گری باید با هدف تکرار دقیق ساختار و بهینه‌سازی فرآیند پر شدن انجام شود و بر غلبه بر مشکلات فنی زیر تمرکز شود.
از نظر طراحی ساختار قالب، اولین قدم، برنامه‌ریزی سطح جدایش بر اساس مدل سه‌بعدی بدنه پمپ است، به طوری که سطح جدایش از نواحی با دقت بحرانی مانند سطح آب‌بندی و سطح اتصال فلنج اجتناب کند و در نتیجه تأثیر حذف پلیسه بر دقت ابعادی به حداقل برسد. برای کانال‌های جریان داخلی پیچیده بدنه پمپ، باید یک فرآیند ترکیبی از هسته شنی اتخاذ شود. کانال جریان کلی به چندین هسته شنی قابل ساخت جداگانه (مانند هسته شنی کانال جریان مرحله اول و هسته شنی کانال جریان مرحله دوم) تقسیم می‌شود و پین‌های موقعیت‌یابی و شیارهای موقعیت‌یابی روی هسته‌های شنی قرار می‌گیرند تا اطمینان حاصل شود که خطای هم‌محوری کانال جریان پس از مونتاژ در محدوده 0.1 میلی‌متر بر متر کنترل می‌شود. در عین حال، قالب باید به طور منطقی با سیستم گیت و رایزر طراحی شود: محل گیت باید از نواحی تمرکز تنش بدنه پمپ (مانند ریشه فلنج) اجتناب کند، و باید از گیت پایینی یا گیت پله‌ای استفاده شود تا اطمینان حاصل شود که فلز مذاب به طور روان قالب را پر می‌کند و از ضربه به قالب شنی که می‌تواند باعث ایجاد نقص‌های گنجاندن شن و سوراخ‌های شن شود، جلوگیری شود. رایزرها باید در ضخیم‌ترین قسمت دیواره بدنه پمپ (مانند فلنج بدنه پمپ و تقاطع کانال‌های جریان) قرار گیرند تا از طریق تغذیه، حفره‌های انقباضی و تخلخل داخل ریخته‌گری از بین بروند و چگالی قسمت‌های بحرانی بدنه پمپ تضمین شود.
از نظر انتخاب مواد قالب و کنترل دقت پردازش، بدنه قالب (مانند جعبه شن و صفحه پایه قالب) معمولاً با جوشکاری صفحات فولادی Q235 ساخته می‌شود و صافی آن باید با دقت 0.05 میلی‌متر بر متر از طریق پردازش دستگاه فرز کنترل شود. برای تولید هسته‌های شنی، فرآیند مناسب باید بر اساس نیازهای دسته‌ای انتخاب شود. برای تولید دسته‌ای کوچک، می‌توان از هسته‌سازی دستی ماسه رزینی استفاده کرد، در حالی که برای تولید دسته‌ای بزرگ، فرآیندهای ساخت هسته جعبه هسته گرم و جعبه هسته سرد ترجیح داده می‌شوند. تلرانس اندازه هسته‌های شنی باید با استفاده از تجهیزات خودکار در محدوده ±0.1 میلی‌متر نگه داشته شود. علاوه بر این، کانال‌های اگزوز باید در قالب تعبیه شوند تا در طول فرآیند پر شدن فلز، گازها را به سرعت از حفره خارج کنند و از به دام افتادن گاز و ایجاد نقص‌های تخلخل جلوگیری شود. به طور کلی، برای هر 100 سانتی‌متر مربع از سطح قالب شنی، باید یک سوراخ اگزوز با قطر 2-3 میلی‌متر در نظر گرفته شود و سوراخ‌های اگزوز باید تا سطح قالب شنی امتداد یابند تا تخلیه روان گاز تضمین شود.
سوم. فرآیند ذوب و ریختن: مراحل حیاتی تعیین کیفیت ذاتی بدنه پمپ
کیفیت فلز مذاب در طول ذوب مستقیماً بر ترکیب شیمیایی، خلوص و خواص مکانیکی ریخته‌گری تأثیر می‌گذارد، در حالی که فرآیند ریختن تعیین می‌کند که آیا فلز مذاب می‌تواند حفره قالب را به طور کامل پر کند یا خیر. این دو با هم، لایه محافظ داخلی بدنه پمپ چند مرحله‌ای ریخته‌گری را تشکیل می‌دهند.
در مرحله ذوب، لازم است پارامترهای فرآیند ذوب متمایز بر اساس نوع ماده فرموله شوند. برای مواد فولادی ریخته‌گری شده، معمولاً از کوره‌های القایی با فرکانس متوسط برای ذوب استفاده می‌شود و دمای ذوب باید در محدوده ۱۶۰۰ تا ۱۶۶۰ درجه سانتیگراد کنترل شود. در همین حال، عناصر آلیاژی مانند فروسیلیسیم و فرومنگنز برای تنظیم ترکیب شیمیایی اضافه می‌شوند تا از افزایش شکنندگی یا کاهش استحکام قطعات ریخته‌گری شده به دلیل نوسانات ترکیب جلوگیری شود. در طول فرآیند ذوب، عملیات حذف سرباره و گاززدایی نیز مورد نیاز است. با افزودن عوامل سرباره‌ساز، می‌توان آخال‌های موجود در فلز مذاب را جذب کرد.
هسته اصلی فرآیند ریخته‌گری، کنترل دما و سرعت ریخته‌گری برای اطمینان از پر شدن روان فلز مذاب است. با توجه به نقطه ذوب بالای فولاد ضد زنگ، دمای ریخته‌گری باید تا 1550-1600 درجه سانتیگراد افزایش یابد. سرعت ریخته‌گری باید به صورت پویا با توجه به ضخامت دیواره بدنه پمپ تنظیم شود. برای نواحی با دیواره نازک با ضخامت 5-10 میلی‌متر، باید سرعت ریخته‌گری سریع‌تر (15-20 کیلوگرم بر ثانیه) اتخاذ شود تا از انجماد زودرس فلز مذاب در طول فرآیند پر شدن جلوگیری شود. برای نواحی با دیواره ضخیم با ضخامت بیش از 30 میلی‌متر، سرعت باید به طور مناسب کاهش یابد (5-10 کیلوگرم بر ثانیه) تا گیر افتادن گاز به حداقل برسد. علاوه بر این، در طول فرآیند ریخته‌گری، سطح مایع فلز مذاب باید به طور پیوسته در حال افزایش باشد تا از قطع جریان جلوگیری شود و اطمینان حاصل شود که تمام قسمت‌های حفره قالب به طور کامل پر شده‌اند.
چهارم. فرآیند عملیات حرارتی: ابزاری ضروری برای بهینه سازی عملکرد مکانیکی پمپ ها
پس از ریخته‌گری، بدنه پمپ یک پمپ چند مرحله‌ای اغلب با مشکلاتی مانند تمرکز تنش داخلی و ساختار ناهموار مواجه می‌شود. اگر هیچ عملیات حرارتی انجام نشود، نه تنها بر خواص مکانیکی بدنه پمپ تأثیر می‌گذارد، بلکه ممکن است باعث تغییر شکل یا ترک خوردگی ناشی از آزادسازی تنش در حین پردازش یا استفاده بعدی نیز شود. بنابراین، یک فرآیند عملیات حرارتی علمی باید بر اساس نوع ماده و الزامات عملکرد تدوین شود تا به هدف کاهش تنش داخلی، بهینه‌سازی ریزساختار و بهبود خواص مکانیکی دست یابد.
عملیات حرارتی بدنه پمپ‌های فولادی ضد زنگ باید بر تعادل بین مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی متمرکز باشد. برای فولادهای ضد زنگ آستنیتی مانند 304 و 316L، عملیات انحلالی فرآیند اصلی است - گرم کردن قطعات ریخته‌گری شده تا دمای 1050-1100 درجه سانتیگراد، نگهداری به مدت 1-2 ساعت و سپس کوئنچ سریع در آب می‌تواند تضمین کند که کربن به طور کامل در ماتریس آستنیتی حل شده و از رسوب کاربید در مرز دانه‌ها جلوگیری کرده و در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی ماده را حفظ کند. برای فولاد ضد زنگ دوپلکس 2205، فرآیند انحلال + پیرسازی مورد نیاز است. عملیات انحلالی می‌تواند ساختار دوپلکس یکنواختی را به دست آورد و عملیات پیرسازی (نگهداری در دمای 450-550 درجه سانتیگراد به مدت 2-3 ساعت) می‌تواند با رسوب ترکیبات بین فلزی، استحکام را بیشتر افزایش دهد و الزامات شرایط کاری با فشار بالا را برآورده کند.
V. بازرسی کیفیت و رفع نقص: آخرین خط دفاعی برای اطمینان از مطابقت بدنه پمپ با استانداردها قبل از ترک کارخانه
بدنه پمپ یک پمپ چند مرحله‌ای، به عنوان یک جزء تحمل‌کننده فشار، ممکن است در حین کار منجر به نشتی سیال و حتی ایجاد حوادث ایمنی به دلیل نقص‌های کیفی مانند ترک‌ها، منافذ و حفره‌های انقباضی شود. بنابراین، باید یک سیستم بازرسی کیفی جامع ایجاد شود تا غربالگری کاملی از ظاهر، ابعاد و کیفیت داخلی بدنه پمپ انجام شود و تعمیرات استاندارد برای نقص‌های واجد شرایط شناسایی شده انجام شود.
بازرسی ظاهری و ابعادی از مراحل اساسی در کنترل کیفیت هستند. برای بازرسی ظاهری، باید بازرسی بصری همراه با آزمایش مایع نافذ (پی تی) انجام شود که بر بررسی وجود ترک، سوراخ شن، ناخالصی‌های سرباره و سایر عیوب روی سطح بدنه پمپ تمرکز دارد. آزمایش مایع نافذ می‌تواند عیوب بازشدگی سطحی را با حساسیت تا 0.1 میلی‌متر تشخیص دهد. برای بازرسی ابعادی، باید از یک ابزار اندازه‌گیری سه‌بعدی برای اندازه‌گیری ابعاد کلیدی مانند قطر فلنج، هم‌محوری کانال جریان و صافی سطح آب‌بندی بدنه پمپ استفاده شود و اطمینان حاصل شود که تلرانس‌های ابعادی الزامات طراحی را برآورده می‌کنند.
بازرسی کیفیت داخلی، هسته اصلی تضمین عملکرد پایدار و بلندمدت بدنه پمپ است. آزمایش اولتراسونیک (دانشگاه یو تی) می‌تواند برای تشخیص عیوب حجمی مانند حفره‌های انقباضی و تخلخل در داخل بدنه پمپ استفاده شود که قادر به شناسایی عیوب داخلی با عمق ≥ 2 میلی‌متر است و محدوده تشخیص می‌تواند کل جهت ضخامت بدنه پمپ را پوشش دهد. برای نواحی بحرانی (مانند ریشه فلنج و تقاطع کانال‌های جریان)، آزمایش رادیوگرافی (آر تی) نیز مورد نیاز است. با نفوذ به ریخته‌گری با تابش و تشکیل تصویر، می‌توان عیوب خطی مانند ترک‌های داخلی و آخال‌ها را به طور دقیق شناسایی کرد و اطمینان حاصل کرد که چگالی داخلی بدنه پمپ مطابق با الزامات استاندارد است.
برای نقص‌های جزئی که در حین بازرسی مشاهده می‌شوند (مانند منافذ با قطر ≤ ۲ میلی‌متر و ترک‌های ریز با طول ≤ ۵ میلی‌متر)، می‌توان از فرآیند تعمیر جوش نقطه‌ای استفاده کرد، اما فرآیند تعمیر باید کاملاً کنترل شود: قبل از جوش نقطه‌ای، ناحیه معیوب باید سنگ‌زنی و تمیز شود تا رنگ فلز اصلی نمایان شود؛ جنس مواد جوش باید از همان ترکیب جنس بدنه پمپ باشد (به عنوان مثال، بدنه پمپ‌های فولادی ضد زنگ باید از الکترودهای فولادی ضد زنگ با همان جنس استفاده کنند)؛ پس از جوش نقطه‌ای، باید عملیات حرارتی موضعی برای از بین بردن تنش جوش نقطه‌ای انجام شود و بازرسی مجدد باید انجام شود تا اطمینان حاصل شود که کیفیت ناحیه تعمیر شده مطابق با استانداردها است.
ششم. نتیجه‌گیری
ساخت بدنه پمپ‌های چند مرحله‌ای از طریق ریخته‌گری، یک پروژه سیستماتیک است که علم مواد، مهندسی قالب، تکنیک‌های پردازش حرارتی و بازرسی کیفیت را با هم ادغام می‌کند. کنترل دقیق هر لینک مستقیماً بر عملکرد عملیاتی و قابلیت اطمینان ایمنی مجموعه پمپ تأثیر می‌گذارد. با افزایش مداوم تقاضا برای پمپ‌های چند مرحله‌ای با هد بالا، راندمان بالا و عمر طولانی در حوزه صنعتی، فناوری ریخته‌گری نیز باید به سمت دقت بیشتر، راندمان بالاتر و سازگاری بیشتر با محیط زیست توسعه یابد - به عنوان مثال، با بهینه‌سازی پارامترهای ذوب و ریخته‌گری از طریق فناوری شبیه‌سازی عددی برای کاهش هزینه‌های آزمون و خطا؛ استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی برای ساخت هسته‌های ماسه‌ای پیچیده برای افزایش دقت کانال‌های جریان؛ و ترویج فرآیندهای عملیات حرارتی با مصرف انرژی کم برای کاهش مصرف انرژی در طول فرآیند تولید. تنها با ترویج مداوم نوآوری‌های تکنولوژیکی و ارتقاء فرآیندها می‌توان سطح کیفیت بدنه پمپ‌های چند مرحله‌ای ریخته‌گری شده را به طور مداوم بهبود بخشید و تضمین محکمی برای عملکرد پایدار در زمینه انتقال سیال ارائه داد.