En el campo del transporte de fluidos, las bombas multietapa se utilizan ampliamente en industrias clave como la petroquímica, la conservación de agua, la energía y la minería, gracias a sus ventajas clave: alta altura de elevación y gran caudal. Como componente principal que soporta la presión y transporta el fluido en las bombas multietapa, la integridad estructural, la precisión dimensional y el rendimiento del material del cuerpo de la bomba determinan directamente la eficiencia operativa, la fiabilidad y la vida útil del conjunto. El proceso de fundición, como método técnico principal para la fabricación de cuerpos de bomba, requiere un control preciso de todo el proceso, incluyendo la selección de materiales, el diseño de moldes, la fundición y el colado, el tratamiento térmico y la inspección posterior, para cumplir con los estrictos requisitos de las bombas multietapa en condiciones de trabajo complejas.
I. Selección de materiales para la fundición del cuerpo de la bomba de bombas multietapa: La premisa fundamental es cumplir con los requisitos de las condiciones de trabajo.
El entorno de trabajo del cuerpo de una bomba multietapa suele estar acompañado de alta presión, erosión de fluidos a alta velocidad, corrosión media (como soluciones ácidas y alcalinas, fluidos con partículas sólidas) y cambios periódicos de temperatura. Por lo tanto, la selección del material debe considerar tres indicadores fundamentales: propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y adaptabilidad al proceso, para evitar fallas como grietas, desgaste o fugas en el cuerpo de la bomba debido a una selección inadecuada del material.
Desde la perspectiva de la práctica de aplicación industrial, la fundición gris es la más utilizada en bombas multietapa para el transporte de agua limpia y fluidos a baja temperatura y baja presión, gracias a su excelente rendimiento de fundición, absorción de impactos y ventajas de coste. Entre ellas, las HT250 y HT300, con resistencias a la tracción de hasta 250 MPa y 300 MPa, respectivamente, pueden satisfacer las demandas de la mayoría de los entornos civiles e industriales ligeros. Sin embargo, para bombas multietapa de grado industrial que transportan fluidos a alta temperatura (superiores a 200 °C) y alta presión (superiores a 10 MPa), como condensado de vapor y aceite caliente, la fundición dúctil se convierte en una mejor opción. Las QT450-10 y QT500-7 no solo tienen resistencias similares a las del acero, sino que su estructura esférica de grafito también mejora significativamente la tenacidad y la resistencia a la fatiga del material, resistiendo eficazmente las cargas periódicas causadas por la pulsación del fluido.
En condiciones de trabajo corrosivas, el uso de materiales de aleación especiales se vuelve crucial. Al transportar medios altamente corrosivos que contienen iones de cloruro, sulfuros, etc., los aceros inoxidables 304 y 316L alcanzan una excelente resistencia a la corrosión gracias a la película pasiva formada por elementos de cromo y níquel. Entre ellos, el 316L, con adición de molibdeno, presenta una resistencia significativamente mejor a la corrosión por picaduras y grietas que el 304, y es adecuado para aplicaciones en la industria química, la desalinización de agua de mar, etc. En entornos con alta concentración de ácidos y álcalis, el acero inoxidable dúplex (como el 2205), con una estructura bifásica de ferrita y austenita, combina alta resistencia y resistencia a la corrosión, y puede satisfacer los requisitos de funcionamiento estable a largo plazo de los cuerpos de las bombas en condiciones extremas.
II. Diseño del molde de fundición: el paso fundamental para garantizar la precisión estructural del cuerpo de la bomba.
La estructura de una bomba multietapa es compleja, con múltiples canales de flujo conectados en serie, cavidades del impulsor y superficies de sellado internas. Los canales de flujo de las diferentes etapas deben mantener la coaxialidad y la perpendicularidad; de lo contrario, se producirán vórtices en el cuerpo de la bomba, aumentarán las pérdidas hidráulicas e incluso provocarán vibraciones en el mismo. Por lo tanto, el diseño del molde de fundición debe apuntar a replicar con precisión la estructura y optimizar el proceso de llenado, además de centrarse en superar las siguientes dificultades técnicas.
En cuanto al diseño de la estructura del molde, el primer paso es planificar la superficie de separación basándose en el modelo tridimensional del cuerpo de la bomba, garantizando que dicha superficie evite zonas de precisión crítica, como la superficie de sellado y la superficie de unión de la brida, minimizando así el impacto de la eliminación de rebabas en la precisión dimensional. Para los complejos canales de flujo internos del cuerpo de la bomba, se debe adoptar un proceso de combinación de núcleos de arena. El canal de flujo general se divide en múltiples núcleos de arena que se pueden fabricar por separado (como el núcleo de arena del canal de flujo de primera etapa y el núcleo de arena del canal de flujo de segunda etapa). Se colocan pasadores y ranuras de posicionamiento en los núcleos de arena para garantizar que el error de coaxialidad del canal de flujo después del ensamblaje se mantenga dentro de 0,1 mm/m. Al mismo tiempo, el molde debe diseñarse razonablemente con un sistema de compuerta y tubo ascendente: la ubicación de la compuerta debe evitar las zonas de concentración de tensiones del cuerpo de la bomba (como la base de la brida), y se debe utilizar una compuerta inferior o escalonada para garantizar que el metal fundido llene el molde suavemente, evitando el impacto en el molde de arena que podría causar inclusiones de arena y defectos de agujeros de arena. Los elevadores deben colocarse en la parte más gruesa de la pared del cuerpo de la bomba (como la brida del cuerpo de la bomba y la intersección de los canales de flujo) para eliminar las cavidades de contracción y la porosidad dentro de la fundición a través de la alimentación, asegurando la densidad de las partes críticas del cuerpo de la bomba.
En cuanto a la selección del material del molde y el control de la precisión del procesamiento, el cuerpo del molde (como la caja de arena y la placa base) se fabrica generalmente soldando placas de acero Q235, y su planitud debe controlarse con una precisión de 0,05 mm/m mediante fresado. Para la producción de machos de arena, se debe seleccionar el proceso adecuado según los requisitos del lote. Para la producción de lotes pequeños, se puede adoptar la fabricación manual de machos con arena de resina, mientras que para la producción de lotes grandes, se prefieren los procesos de fabricación de machos con caja de machos en caliente y caja de machos en frío. La tolerancia de tamaño de los machos de arena debe mantenerse dentro de ±0,1 mm mediante el uso de equipos automatizados. Además, se deben instalar canales de escape en el molde para expulsar rápidamente los gases de la cavidad durante el proceso de llenado de metal, evitando la retención de gases y la formación de defectos porosos. Generalmente, se debe proporcionar un orificio de escape con un diámetro de 2-3 mm por cada 100 cm² de superficie del molde de arena, y los orificios de escape deben extenderse hasta la superficie del molde de arena para garantizar una evacuación fluida de los gases.
III. Proceso de fusión y vertido: Pasos cruciales que determinan la calidad intrínseca del cuerpo de la bomba
La calidad del metal fundido durante la fundición afecta directamente la composición química, la pureza y las propiedades mecánicas de la pieza fundida, mientras que el proceso de vertido determina si el metal fundido puede llenar completamente la cavidad del molde. Juntos, forman el revestimiento interno de protección de calidad del cuerpo de la bomba multietapa de fundición.
En la etapa de fundición, es necesario formular parámetros de proceso diferenciados según el tipo de material. Para materiales de acero fundido, se suelen utilizar hornos de inducción de media frecuencia, y la temperatura de fundición debe controlarse entre 1600 y 1660 °C. Asimismo, se añaden elementos de aleación como ferrosilicio y ferromanganeso para ajustar la composición química y evitar el aumento de la fragilidad o la disminución de la resistencia de las piezas fundidas debido a fluctuaciones en la composición. Durante el proceso de fundición, también se requieren tratamientos de eliminación de escoria y desgasificación. Mediante la adición de agentes de escoria, se pueden adsorber las inclusiones en el metal fundido.
La clave del proceso de fundición reside en controlar la temperatura y la velocidad de fundición para garantizar un llenado uniforme del metal fundido. Debido al alto punto de fusión del acero inoxidable, la temperatura de fundición debe elevarse a 1550-1600 ℃. La velocidad de fundición debe ajustarse dinámicamente según el espesor de pared del cuerpo de la bomba. Para áreas de paredes delgadas con un espesor de 5-10 mm, se debe adoptar una velocidad de fundición más rápida (15-20 kg/s) para evitar la solidificación prematura del metal fundido durante el proceso de llenado. Para áreas de paredes gruesas con un espesor superior a 30 mm, la velocidad debe reducirse adecuadamente (5-10 kg/s) para minimizar el atrapamiento de gas. Además, durante el proceso de fundición, el nivel de líquido del metal fundido debe mantenerse en constante aumento para evitar la interrupción del flujo, asegurando que todas las partes de la cavidad del molde estén completamente llenas.
IV. Proceso de tratamiento térmico: un medio necesario para optimizar el rendimiento mecánico de las bombas
Tras la fundición, el cuerpo de una bomba multietapa suele presentar problemas como la concentración de tensiones internas y una estructura irregular. Si no se realiza un tratamiento térmico, no solo se verán afectadas sus propiedades mecánicas, sino que también pueden producirse deformaciones o grietas debido a la liberación de tensiones durante el procesamiento o uso posterior. Por lo tanto, se debe formular un proceso de tratamiento térmico científico basado en el tipo de material y los requisitos de rendimiento para lograr el objetivo de eliminar las tensiones internas, optimizar la microestructura y mejorar las propiedades mecánicas.
El tratamiento térmico de los cuerpos de bomba de acero inoxidable debe centrarse en el equilibrio entre la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas. Para aceros inoxidables austeníticos como el 304 y el 316L, el tratamiento de solución es el proceso principal: calentar las piezas fundidas a 1050-1100 °C, mantenerlas durante 1-2 horas y luego enfriarlas rápidamente en agua garantiza la completa disolución del carbono en la matriz austenítica, evitando la precipitación de carburo en los límites de grano y manteniendo así la resistencia a la corrosión del material. Para el acero inoxidable dúplex 2205, se requiere un proceso de solución + envejecimiento. El tratamiento de solución permite obtener una estructura dúplex uniforme, y el envejecimiento (manteniendo la temperatura a 450-550 °C durante 2-3 horas) mejora aún más la resistencia mediante la precipitación de compuestos intermetálicos, cumpliendo así los requisitos de las condiciones de trabajo a alta presión.
V. Inspección de calidad y reparación de defectos: la última línea de defensa para garantizar que el cuerpo de la bomba cumpla con los estándares antes de salir de fábrica.
Como componente que soporta presión, el cuerpo de una bomba multietapa puede provocar fugas del fluido durante su funcionamiento e incluso causar accidentes que afecten la seguridad debido a defectos de calidad como grietas, poros y cavidades por contracción. Por lo tanto, se debe establecer un sistema integral de inspección de calidad para examinar minuciosamente la apariencia, las dimensiones y la calidad interna del cuerpo de la bomba, y realizar reparaciones estandarizadas para los defectos detectados.
La inspección de apariencia y dimensiones es fundamental en el control de calidad. Para la inspección de apariencia, se debe combinar la inspección visual con pruebas de penetración (PT), centrándose en verificar la presencia de grietas, agujeros de arena, inclusiones de escoria y otros defectos en la superficie del cuerpo de la bomba. Las pruebas de penetración pueden detectar defectos de apertura superficial con una sensibilidad de hasta 0,1 mm. Para la inspección dimensional, se debe utilizar un instrumento de medición de tres coordenadas para medir dimensiones clave como el diámetro de la brida, la coaxialidad del canal de flujo y la planitud de la superficie de sellado del cuerpo de la bomba, garantizando así que las tolerancias dimensionales cumplan con los requisitos de diseño.
La inspección de calidad interna es fundamental para garantizar el funcionamiento estable a largo plazo del cuerpo de la bomba. Las pruebas ultrasónicas (UT) permiten detectar defectos de volumen, como cavidades por contracción y porosidad, dentro del cuerpo de la bomba. Estas pruebas pueden identificar defectos internos con una profundidad ≥ 2 mm, y su rango de detección puede abarcar todo el espesor del cuerpo. Para zonas críticas (como la base de la brida y la intersección de los canales de flujo), también se requieren pruebas radiográficas (RT). Mediante la penetración de la fundición con radiación y la formación de una imagen, se pueden identificar con precisión defectos lineales, como grietas e inclusiones internas, garantizando así que la densidad interna del cuerpo de la bomba cumpla con los requisitos estándar.
Para defectos menores encontrados durante la inspección (como poros con un diámetro de ≤ 2 mm y microgrietas con una longitud de ≤ 5 mm), se puede adoptar el proceso de reparación de soldadura por puntos, pero el proceso de reparación debe controlarse estrictamente: antes de la soldadura por puntos, el área defectuosa debe rectificarse y limpiarse para exponer el color original del metal; el material de soldadura debe ser de la misma composición que el material del cuerpo de la bomba (por ejemplo, los cuerpos de bomba de acero inoxidable deben usar electrodos de acero inoxidable del mismo material); después de la soldadura por puntos, se debe realizar un tratamiento térmico local para eliminar la tensión de la soldadura por puntos y se debe realizar una nueva inspección para garantizar que la calidad del área reparada cumpla con los estándares.
VI. Conclusión
La fabricación de cuerpos de bombas multietapa mediante fundición es un proyecto sistemático que integra la ciencia de los materiales, la ingeniería de moldes, las técnicas de procesamiento térmico y la inspección de calidad. El control preciso de cada eslabón afecta directamente el rendimiento operativo y la fiabilidad de la bomba. Con el aumento continuo de la demanda de bombas multietapa con alta presión, alta eficiencia y larga vida útil en el sector industrial, la tecnología de fundición también debe evolucionar hacia una mayor precisión, eficiencia y respeto al medio ambiente. Por ejemplo, optimizando los parámetros de fusión y fundición mediante simulación numérica para reducir los costes de ensayo y error; utilizando tecnología de impresión 3D para fabricar núcleos de arena complejos que mejoren la precisión de los canales de flujo; y promoviendo procesos de tratamiento térmico de bajo consumo energético para reducir el consumo durante la producción. Solo mediante la continua promoción de la innovación tecnológica y la modernización de los procesos se puede mejorar continuamente la calidad de los cuerpos de bombas multietapa fundidos, lo que garantiza un funcionamiento estable en el transporte de fluidos.