Case History: Testata idraulica per pompe ad alta pressione

Testata idraulica in ghisa sferoidale isotermica IDI per pompe a pistoni ad alta pressione

Settori di applicazione e vantaggi di una testata idraulica in IDI prodotta da Zanardi Fonderie 

Con questo case history raccontiamo lo sviluppo e la realizzazione di una testata idraulica in ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 per pompe a pistoni ad alta pressione operanti con acqua, tipicamente utilizzate per impieghi industriali come la pulizia di superfici, navi, tubi di vario tipo, trattamento delle acque, ma anche per la sbavatura, il taglio e la rimozione di cemento, asfalto e vernice da superfici in pietra, cemento o metallo e per il taglio di materiali solidi.

Settori di applicazione di una testata idraulica in ghisa sferoidale isotermica (IDI)

Il settore di riferimento è quello industriale, in particolare quello di siderurgia, chimica e petrolchimica, edilizia e trattamento acque.

Benefici della ghisa sferoidale isotermica IDI rispetto alla ghisa GJS600-3

+60% di pressione di esercizio

Aumento della pressione massima di esercizio, passando da 250 bar a 400 bar.

Minimo impatto sulla lavorabilità

La ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 ha una durezza leggermente superiore a quella di una EN-GJS-600-3 ma più uniforme al variare dello spessore e con un range molto più stretto. Questo ha fatto si che la soluzione in IDI800-6 non rappresentasse un problema a livello di lavorabilità.

Tempistiche di progetto

Grazie al co-design con l’ufficio tecnico di Zanardi Fonderie, la soluzione in IDI800-6 ha permesso al cliente di rispettare il poco tempo a disposizione per l’introduzione sul mercato della nuova versione di testata.

Stessa geometria e peso

La soluzione in IDI800-6 ha permesso di non aumentare peso e ingombro della versione esistente.

Minimo impatto sui costi

Il tutto è stato possibile con l’aggiunta del solo costo del trattamento termico che ha permesso di aumentare del 60% la pressione di esercizio senza dover riprogettare un nuovo componente, limitando così i costi complessivi del progetto e garantendo allo stesso tempo l’intercambiabilità.

I problemi risolti grazie a una testata idraulica realizzata in ghisa sferoidale isotermica (IDI)

Il componente descritto in questo case history deriva dalla testata esistente per alte portate ma si differenzia da questa per la tipologia dei gruppi valvole di aspirazione e mandata, ora ottimizzati per l’alta pressione, ed è stato pensato per poter raggiungere i 400 bar di pressione a fronte dei 250 bar della versione attuale.

Il cliente aveva bisogno di introdurre sul mercato la nuova versione di testata idraulica nel minor tempo possibile. Per riuscire nell’intento, operando in co-design con il cliente e rispettando le esigenze di fonderia, sono state introdotte alcune modifiche geometriche, e, per raggiungere le maggiori prestazioni richieste, si è optato per il cambio di materiale.

L’incremento di prestazioni perseguito ha fatto sì che la ghisa sferoidale GJS600-3, materiale finora impiegato per le testate ad alta portata, non fosse più adeguato per i nuovi livelli di sollecitazione. La strada scelta è stata quindi l’upgrade del materiale, optando per una ghisa sferoidale avente un carico di snervamento attorno ai 500 Mpa.

I vantaggi ottenuti grazie all’utilizzo di una testata idraulica in ghisa sferoidale isotermica (IDI)

Queste pompe a pistoni sono in grado di lavorare fino a pressioni di 1500 bar con potenze assorbite fino a 150 HP; la scelta di materiali performanti e di alta qualità per la realizzazione della testata, ovvero il componente chiave che permette di raggiungere tali livelli di prestazioni, è di fondamentale importanza. La ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 è risultata essere il materiale vincente per le versioni fino a 400 bar di pressione.

Materiale di partenza per alte portate (pressione 250 bar)

Materiale
EN-GJS-600-3
Rp0,2
370 MPa
Rm
600 MPa
A5
3%
HB
190-270
Fatigue limit σAG; PS50%
420 MPa

La nuova soluzione valutata per raggiungere l’obiettivo alta pressione (400 bar)

Materiale
IDI800-6 (brevetto Zanardi)
Rp0,2
480 MPa
Rm
800 MPa
A5
6%
HB
250-300
Fatigue limit σAG; PS50%
390 MPa

Prova di trazione e di fatica eseguito su provini ricavati da provette colate a parte Ø25 mm. Il limite di fatica sul liscio  (R-1) è stato ottenuto testando provini lisci lavorati Ø6,5 mm con il metodo dello Short Stair Case (run out a 5ML di cicli). Nella realtà il pezzo ha un spessore variabile.

Perché la ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 ha soddisfatto le esigenze del cliente

La ghisa sferoidale isotermica IDI800-6 assicura prestazioni a fatica e caratteristiche meccaniche superiori a quelle di una ghisa sferoidale GJS600-3 e data l’assenza di leganti e quindi di segregazioni nella matrice metallica, queste sono conservate in modo omogeneo su tutti gli spessori dopo il trattamento termico; inoltre, le durezze risultano anch’esse più uniformi al variare dello spessore, pertanto il range di durezze risulta più ristretto e posizionato poco al di sopra di quello della GJS600-3, assicurando un buon compromesso di lavorabilità. L’assenza di leganti ha un impatto positivo anche a livello di costo, il quale è leggermente superiore a quello della ghisa sferoidale di partenza per la sola aggiunta del solo trattamento termico.

I requisiti di esercizio richiesti dal cliente e validati al banco sono stati:

  • Pressione di lavoro a 400 bar
  • Omogeneità della microstruttura tra superficie e cuore e tra gli spessori
  • Integrità interna e superficiale
  • Buona lavorabilità
  • Rispetto delle tempistiche per il lancio sul mercato
  • Contenuto aumento dei costi rispetto alla soluzione in GJS600-3
  • 1500 ore di esercizio al banco (pari a 5·107 cicli di funzionamento)
  • Su banco prova al regime di rotazione di 550 giri/min (potenza max assorbita 150cv)
  • Assenza di “cavitation pitting”
La IDI800-6 ha rappresentando in questo caso il miglior materiale compromesso tecnologico-economico per la realizzazione della testata idraulica. In fase di validazione è stata introdotta anche la nichelatura come alternativa ad altri trattamenti di protezione alla corrosione.

Ghise sferoidali a confronto: Modalità e tecniche costruttive di una testata idraulica in ghisa sferoidale isotermica IDI

L’attività di co-design, gestita internamente dallo staff di Zanardi Fonderie, ha giocato un ruolo chiave per la realizzazione di una testata idraulica in IDI per il settore industriale, che ha permesso di aumentare del 60% la pressione di esercizio.

Fin dagli stadi preliminari del progetto, è stato importante avviare un confronto tra l’ufficio tecnico del cliente e quello di Zanardi Fonderie. Questo ha consentito ai progettisti di confrontarsi e condividere, da una parte, i requisiti di resistenza alle sollecitazioni e, dall’altra, i requisiti di industrializzazione per la fonderia. L’obiettivo, raggiunto, è stato arrivare alla campionatura del prodotto nel minor tempo possibile (rispettando i requisiti dimensionali e di integrità richiesti dal cliente), minimizzando il rischio di dover ricorrere a modifiche radicali del progetto per raggiungere l’obiettivo.

Dal punto di vista meccanico, sono stati esaminati in modo approfondito lo stato tensionale del componente, fenomeni di EAE (Environmentally Assisted Embrittlement) indotti dal contatto con fluidi, fenomeni di fatica di contatto, l’effetto dei trattamenti superficiali, e, infine, i requisiti di integrità interna e superficiale.

Tabella di confronto tra le due soluzioni

Materiale
Tecnologia
Peso componente finale
Pressione massima di esercizio
Soluzione precedente
EN-GJS-600-3
Fusione unica
60 kg
250 bar
Soluzione in IDI
IDI800-6
Fusione unica
60 kg
400 bar
Benefici
-
-
Invariata
+60%

Case History

Casi reali che raccontano la realizzazione dei progetti dei clienti