門超++徐曉東++蘇海青++孫劍波++山紅偉++蘇浩男
摘 要:針對高壓活動彎頭體頻繁失效和使用壽命縮短的問題,通過深入分析,找到了失效主要原因,并在此基礎上提出了新的成型工藝,經(jīng)過新工藝的實施與評估,表明了該工藝能有效降低高壓活動彎頭體的失效幾率,延長高壓活動彎頭體的使用壽命,降低石油輸送類企業(yè)的運營成本。
關鍵詞:失效原因;磨削夾具;砂輪修正
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.040
1 引言
高壓活動彎頭由高壓活動彎頭體(以下簡稱彎頭體)、彎接頭和由壬等組成,是油氣輸送設備上的重要配件,具有輸送流體暢,密封性能好,承受載荷大等特點,可在多個方向上旋轉(zhuǎn)定位,其主要材料是35CrMo等合金結(jié)構(gòu)鋼。隨著我國石油輸送類產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,高壓活動彎頭的需求量也越來越大,由于高壓活動彎頭工作環(huán)境非常惡劣,長期承受高壓流體的沖擊,因此經(jīng)常會出現(xiàn)彎頭磨損、斷裂甚至彎頭體“卡死”等失效現(xiàn)象,使用壽命往往不達標[1]。針對以上問題,主要采用“進口”替代“國產(chǎn)”的辦法來解決,但進口彎頭價格昂貴,不利于大規(guī)模推廣,而國產(chǎn)高壓活動彎頭雖然具有價格優(yōu)勢,但使用壽命卻不穩(wěn)定,為了維持企業(yè)的正常運轉(zhuǎn),只能頻繁更換高壓活動彎頭,致使企業(yè)的運營成本長期居高不下,為了解決高壓活動彎頭使用壽命不穩(wěn)定的問題,部分企業(yè)采用了增加高壓活動彎頭壁厚的制造工藝,但由此也造成了高壓活動彎頭過于笨重和成本上升的新問題,因此亟需探索一種新的工藝方案,在延長高壓活動彎頭使用壽命的同時降低其生產(chǎn)成本。
由于彎頭體是高壓活動彎頭中承受載荷最大、工藝最復雜的零件,也是最容易失效的零件,因此延長彎頭體的使用壽命是解決高壓活動彎頭使用壽命的關鍵。
2 高壓活動彎頭體失效分析
2.1 彎頭體的結(jié)構(gòu)
高壓活動彎頭體的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其圓弧管道是由直管煨彎所形成的,主要目的是提高流體流動的順暢性以及減緩流體對管道的沖擊,實現(xiàn)彎頭體使用壽命的延長,彎頭體整體呈對稱結(jié)構(gòu),兩端各設有一個接頭,接頭內(nèi)部設有軸向距離為18 mm的兩個滾道槽,滾道槽頂部設有一個φ8的通孔,滾珠經(jīng)該通孔被壓入到滾道槽中,通過滾珠將彎頭體兩個端面與兩個彎接頭分別連接起來,這樣既實現(xiàn)了管道連接又能使兩者相對轉(zhuǎn)動,為管道的安裝提供很大的便利,此外為了提高高壓活動彎頭的密封性,在彎頭體內(nèi)部端面上設置一個密封圈,用以保障高壓活動彎頭體在高壓流體的持續(xù)沖擊下不泄漏。
2.2 彎頭體失效的原因
國產(chǎn)彎頭體失效的主要因素有兩個,一是彎頭體長期承受高壓流體顆粒的沖擊,當管道內(nèi)部硬度和耐磨性不足時,容易造成彎頭體破裂損壞,尤其是在圓弧管道內(nèi)壁處,此處承受的沖擊載荷最大,因此也最容易出現(xiàn)問題[2]。二是由于工藝原因,彎頭體和彎接頭連接處的滾道槽加工精度、硬度和耐磨性往往不滿足使用要求,滾道槽在高壓流體顆粒的長期沖刷下,很容易鉆進一些流體顆粒,在流體顆粒的反復作用下,滾道槽就會出現(xiàn) “卡死”的現(xiàn)象。而要解決上述問題,一方面需要提高彎頭體管道內(nèi)壁包括滾道槽的硬度和耐磨性,另一方面則需要提高滾道槽的加工精度,以降低表面粗糙度,減少使用過程中的磨損,從而避免出現(xiàn)上述問題[3]。
3 彎頭體成型工藝的設計與實施
3.1 彎頭體成型工藝的設計
原有的成型工藝如圖2所示,坯料經(jīng)鍛造后先進行正火處理,使晶粒得到細化,硬度得到調(diào)整,再對其進行內(nèi)孔鉆削與外表面車削加工,接著對其進行煨彎,使彎頭體的外部形狀基本成型,然后對其進行調(diào)質(zhì)處理,以增強彎頭體的綜合力學性能,最后對其端部進行車削加工(包括端面、內(nèi)孔和滾道槽)。
原工藝在實施后經(jīng)檢驗,基本滿足了使用要求,但因管道內(nèi)壁硬度和耐磨性不夠,彎頭體在使用過程中會經(jīng)常出現(xiàn)破損現(xiàn)象,此外滾道槽的加工精度、硬度和耐磨性問題也比較突出,因此工藝改進的落腳點是延長彎頭體的使用壽命,這就要求既要滿足管道內(nèi)壁尤其是圓弧內(nèi)孔處的硬度和耐磨性要求,同時又要保證彎頭體的韌性、抗沖擊性等綜合力學性能在使用時不降低。而要達到上述目的,就必須在原有車削工藝之后增加內(nèi)表面高頻淬火工藝,以提高彎頭體內(nèi)表面的硬度和耐磨性,同時保持心部良好的韌性和抗沖擊性,但此工藝實施后也會帶來滾道槽硬度過高的問題,不利于滾道槽的車削精加工(由于滾道槽精度和粗糙度要求很高,因此在內(nèi)表面高頻淬火之后還需進一步加工),因此還需增加一道磨削工序,以提高滾道槽加工精度,降低表面粗糙度,延長彎頭體的使用壽命[4]。改進后的新成型工藝如圖3所示。
3.2 彎頭體成型工藝的實施
考慮到彎頭體外形的特殊性,為了保障滾道槽的磨削質(zhì)量,專門設計了磨削夾具和砂輪修整器,修整器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。磨削夾具用于彎頭體的裝夾,并按定位要求,安裝在M250磨床上。砂輪修整器用于將砂輪外圓磨削成與滾道槽匹配的形狀,并保證其精度符合使用要求。因彎頭體端部經(jīng)過煨彎,因此其外圓和端面不便于定位,可在彎頭體端部加工一個止口,止口的結(jié)構(gòu)如圖5所示,以止口的軸線作為滾道槽的工藝基準,以止口的端面作為管道的軸向定位基準,這樣既便于磨削裝夾,也保障了彎頭體的磨削質(zhì)量。
4 結(jié)語
彎頭體新成型工藝通過在企業(yè)的實際應用和評估,證明該工藝能有效地延長高壓活動彎頭體的使用壽命,顯著降低下游企業(yè)的運營成本,使企業(yè)的經(jīng)濟效益得到提高;不過從長遠看,要進一步提高我國高壓活動彎頭體的使用壽命,一方面要積極引進國外先進的生產(chǎn)工藝和技術,堅持消化吸收和再創(chuàng)新,另一方面則必須重視基礎材料方面研究,堅持走自主創(chuàng)新之路,這才是我國在該領域達到世界先進水平的必由之路。
參考文獻:
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2016.
[3]鄭蘇錄,鄭水法.管道彎頭爆裂失效分析[J].管道技術與設備,
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[4]高萬夫,鄭雁軍,崔立山等.管道彎頭磨損特性的研究[J].石油化工高等學校學報,2003(04):56-60.
基金項目:2016年度承德市科技計劃自籌經(jīng)費項目“提高高壓活動彎頭體使用壽命的工藝研究”(201606A107)。
作者簡介:門超(1977-),男,碩士,講師,主要研究方向:機械設計制造及其自動化。