雙錐墊片的制造工藝技術

楊美昆

（西安核設備有限公司 西安 710021）

雙錐環(huán)密封結構是半自緊密封結構的一種形式，在石化企業(yè)中被廣泛應用于高壓容器的密封。按GB150規(guī)定雙錐環(huán)密封結構適用于設計壓力為6．4～35MPa，設計溫度為0℃～400℃，內直徑φ400～φ2000mm的壓力容器，其結構如下圖1所示[1]。在這種密封結構中，雙錐墊片是整個雙錐環(huán)密封結構的關鍵作用：1)避免雙錐環(huán)錐面和上平蓋、筒體的錐面產生磨損；2)靠設備主螺栓預緊，產生塑性變形達到初始密封；3）依靠容器介質壓力，作用于雙錐環(huán)槽的外表面產生徑向擴張，起到徑向自緊作用。它加工制造的質量直接影響到密封結構在設備中的密封性能。公司制造生產的Ⅲ類高壓容器主泵實驗壓力容器采用雙錐環(huán)密封結構，設計溫度350℃、試驗壓力p=34．5MPa，使用工況條件為高溫高壓，其中雙錐墊片按照以往加工經驗采用外協(xié)加工，加工質量不穩(wěn)定，需要提供多倍數(shù)的材料進行工藝性沖壓試驗并且經濟費用較高，影響設備整體制造進度要求。為充分合理利用公司現(xiàn)有設備資源，節(jié)省外協(xié)加工經濟費用，保證質量，借鑒同類材料的加工經驗，首次在公司加工制造。從原材料、下料、壓型、熱處理、機加等關鍵環(huán)節(jié)嚴格工藝過程和質量控制，一次成功加工8件。經檢驗，無論是雙錐墊片外形基本尺寸、公差要求還是硬度指標全部符合設計圖紙要求，為設備水壓試驗奠定了良好的基礎。

1 雙錐墊片

圖1 雙錐環(huán)密封結構圖

主泵試驗壓力容器設備雙錐環(huán)密封結構中的雙錐墊片成環(huán)狀，錐面是密封部分，是主體，不允許表面存在任何劃痕、刮傷、凹陷，尤其是沿錐面母線方向的劃痕等影響密封性能缺陷存在；水平折邊用于安裝定位，如圖2所示。墊片總高度H=18．5mm，厚度δ=1．5mm，錐角α=30°，內外徑φ584／φ614．5，使用時對稱分布在雙錐環(huán)上、下斜面上，錐面緊貼硬度較高的雙錐環(huán)斜面。受到螺栓預緊力作用產生徑向塑性變形，實現(xiàn)密封功能。因此，雙錐墊片的成型、硬度技術指標是零件的關鍵技術指標。必須采用設計、制造和使用專用壓型胎具和規(guī)范的退火熱處理工藝來滿足零件的使用要求。雙錐墊片屬備品備件中易損件，按照供貨合同要求提供300%備件，共計數(shù)量：8件，其中2件屬設備水壓試驗使用，6件為正常使用更換的備品備件。

圖2 雙錐墊片

2 材料

墊片選材為紫銅（T2），它是工業(yè)紫銅的一種，具有良好的導電性、導熱、耐腐蝕、可塑性和加工性能，硬度較低，能確保金屬面與法蘭密封面緊密貼合，被廣泛用于機械、化工設備、管道等的密封材料。材料標準：GB/T 2040—2008，退火軟狀態(tài)[2]，表面HB35～45，其化學成分如下表1其熱處理狀態(tài)不同，力學性能也不同，見表2[3]。為保證雙錐墊片的質量要求，對材料進行復驗。復驗合格后進行才能進行后續(xù)工序的加工制造。

表1 T2紫銅化學成分

表2 T2紫銅力學性能

3 工藝過程

雙錐墊片的成型過程屬于金屬的拉延過程，材料在受到外力作用，內部產生應力，發(fā)生塑性變形的過程。軟態(tài)紫銅材料強度低、變形程度小，存在微量的沖壓減薄量，所以材料規(guī)格的選材上以后上偏差為基準即厚度δ=1．6mm，以保證成型后滿足圖紙設計要求。

3.1 下料

經放樣展開成品尺寸為環(huán)狀，內外圓為φ584/φ636，為保證雙錐墊片的成型和公差要求，避免拼接焊縫影響零件的平面度和使用密封效果，不允許拼接，采用水刀下整圓料，去除邊緣毛刺。充分考慮后續(xù)工序的成形、熱處理工藝要求，按外圓φ750mm下料，中間留有φ28熱處理吊裝工藝孔， 在并在上、下表面標識出成品零件的尺寸要求，防止在后續(xù)操作過程中損傷零件表面。整個下料過程均應采取措施保護上下表面無損傷等缺陷的發(fā)生。

3.2 壓型

利用公司現(xiàn)有設備油壓機，根據(jù)零件較薄、剛性差是成形制造加工特點，設計專用成型胎具進性操作。雙錐墊片為非標尺寸，數(shù)量少，胎具使用頻率不高等特點，材料選用常規(guī)碳鋼Q235-A。墊片30°錐面成型是零件的關鍵，也是胎具設計關鍵。根據(jù)成型受力分析，采用組合胎具進行成型，錐面以基本角度的最大偏差角度為設計基準α=30°15′設計相關錐面尺寸及間隙等幾何參數(shù)。胎具采用上模、壓邊圈、下模的結構，如圖3所示[4]。為防止墊片在成型過程中表面起皺、鼓包、表面裂紋、偏斜等表面缺陷產生，與墊片接觸表面胎具粗造度不低于零件表面粗造度，應達到Ra=3．2um；并且在表面涂潤滑劑，便于與零件完全接觸。

雙錐墊片外形尺寸較小、錐面受力的特點，成型方式采用2次沖壓成型的方法。第1次壓型，沖壓時，上模緩慢下降，速度不應過快，一般不超過10mm/秒；加壓壓型過程循序增加，防止增壓迅速造成零件斷裂，臨近沖壓終點均勻卸壓。使零件外形基本尺寸達到圖紙要求；第2次校型，使零件的外形公差尺寸符合圖紙要求，操作過程與壓型一樣，緩慢加壓、均勻卸壓。

成形后對內、外錐面用5～10倍放大鏡進行表面質量檢查，無劃痕、刮傷、凹陷等缺陷為合格。以內錐面的軸線為基準，外錐面與內錐面的同軸度檢測為0．05mm，符合設計圖紙要求。

3.3 熱處理

T2紫銅在冷成型過程中產生塑性變形，出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，表面強度和硬度提高，必須進行退火處理來降低硬度來滿足密封性能的使用要求。紫銅退火溫度一般為300℃～700℃、根據(jù)不同硬度要求采取保溫、水淬或爐冷、空冷的方式不同。退火處理能改變紫銅組織晶粒度大小，從而影響紫銅的力學性能，其強度和硬度也隨之改變[5]。退火溫度不同，導致紫銅的微觀組織和硬度不同。退火溫度低的硬度高，組織細密，不易壓力加工；退火溫度高硬度低，組織粗大，易于壓力加工。根據(jù)設備密封性能要求，選用退火溫度較高硬度低的原則。選用電爐加熱，室溫裝爐，升溫速度≤200℃，加熱溫度650±10℃，保溫60min，空冷。熱處理前，對成型的雙錐墊片進行硬度檢測HB50～55，硬度高于要求硬度指標。為防止雙錐墊片熱處理過程中表面氧化，表面涂保護性涂料，厚度0．20mm，涂刷兩遍，上、下表面均勻涂抹，待第一遍完全晾干后在涂第二遍。由于墊片較薄，剛性較差，將8個零件分2組同爐熱處理。裝爐采用專用夾具，用“十”支承將4個墊片倒置通過工藝孔φ28懸掛于設備中心，便于充分受熱。出爐時，直接取出便于操作。經退火處理降低表面硬度，檢測表面硬度HB35～45，符合設計圖紙要求。

3.4 機加

零件由于厚度較薄，剛性較差，易變性，直接無法加工，采用壓型胎具上模四爪裝夾定位，加工設備為普通車床（型號：C630）。以胎具上模下平面為基準找正，將雙錐墊片垂直方向置于上胎表面，使錐面與胎具錐表面貼近貼實，保證垂直方向定位準確。水平方向采用小于成品尺寸φ584mm的厚度10mm、外圓φ550mm不銹鋼工藝頂板和車床尾座頂緊，增加零件剛性，防止零件水平移動。加工時，采用低速低進給的方式，車床轉速100轉/分鐘。用30°尖刀去除工藝留量尺寸、直接加工高度和外圓尺寸；用90o切刀加工內徑尺寸φ584mm。零件成形加工完成。

為提高雙錐墊片的密封性能、工藝性和經濟型，使之能與接觸連接件完全緊密貼合，成形后全表面進行鍍銀處理。銀的純度應不低于99．99%，其鍍層厚度為0．10～0．15mm，鍍層厚度均勻，鍍銀后尺寸符合圖紙要求。

4 結束語

主泵試驗壓力容器進行水壓試驗時，使用公司首次生產的雙錐墊片，達到預期密封效果，水壓試驗一次性合格。設備于2009年投入使用至今，密封效果良好，未出現(xiàn)任何質量問題。雙錐墊片在公司首次成功制造，不僅證實了生產過程中成形胎具設計、熱處理規(guī)范、正確、有效，同時也證實公司具備生產同等類型雙錐墊片的技術能力和水平，也充分利用有效利用公司資源，節(jié)省制造成本和經濟費用，也為后續(xù)高壓容器雙錐環(huán)的制造積累了經驗。后續(xù)公司制造的高壓加氫反應器、高壓甲烷預熱器、高壓最終反應器等設備也采用雙錐密封結構，極大地提升了公司生產高壓容器在同行中的技術能力和制造水平影響力。