隔水管接頭胎模鍛工藝優(yōu)化和模擬

康海鵬，楊永強(qiáng)，王金鵬，司桂珍

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 熱工分公司，陜西 寶雞 721000）

鉆井隔水管作為井口與平臺之間的重要部件，其主要功能是隔離海水、引導(dǎo)鉆具、循環(huán)鉆井液、起下海底防噴器組、系附壓井、放噴、補(bǔ)償鉆井船的升沉運(yùn)動等，在勘探和鉆采平臺、浮式鉆井船上得到了廣泛的應(yīng)用。其中，鉆井隔水管接頭是海洋鉆機(jī)隔水管系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，具有連接隔水管串，固定輔助管線，隔離管內(nèi)外高壓鉆井液和海水等多種用途。

國外專業(yè)制造公司經(jīng)過40 年的發(fā)展，在鉆井隔水管的結(jié)構(gòu)和性能上都取得了顯著的成績，如Cameron 公司的LoadKing 和RF 螺栓法蘭接頭，Vetco Gray 公司的MR-6E 和HMF 接頭，Aker Kvaerner公司的CLIP 接頭，Dril-Quip 公司的FRC 和QMFC接頭等。在國家高新技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）海洋技術(shù)領(lǐng)域南海重大項(xiàng)目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究”課題的支持下，國內(nèi)寶雞石油機(jī)械公司海洋鉆井隔水管國產(chǎn)化研究工作已經(jīng)攻克了多道技術(shù)難題，取得了多項(xiàng)技術(shù)專利[1-3]。

1 傳統(tǒng)胎模鍛工藝存在的問題

從隔水管接頭的結(jié)構(gòu)形式分析，國內(nèi)外鉆井隔水管接頭主要為法蘭類結(jié)構(gòu)，圖1 為隔水管接頭主要尺寸示意圖。這種法蘭式接頭的特點(diǎn)是：法蘭高度H 小于凸緣直徑D，內(nèi)孔直徑d 較大，凸臺直徑D1和內(nèi)孔直徑d 相差小，凸臺端部壁厚薄，最薄處只有十幾毫米，屬于薄壁法蘭鍛件。

圖1 隔水管接頭簡圖

傳統(tǒng)的薄壁法蘭鍛件胎模鍛成形工藝主要有墊環(huán)成形和墊模成形[4]。

墊環(huán)成形時(shí)，工具采用通用或?qū)Ｓ脡|環(huán)，只對法蘭的凸臺部分在胎模內(nèi)成形，凸緣部分為自由鐓粗，鐓粗后，凸緣部分形成鼓肚，沖孔時(shí)容易沖偏，上端面有拉縮現(xiàn)象，需多次滾圓，?？缀托蘅祝话悴捎玫妮^少。

墊模成形時(shí)，在墊模內(nèi)鐓粗坯料預(yù)形成法蘭的凸緣和凸臺，然后從法蘭的凸緣部分（正沖）或從法蘭的凸臺部分（反沖）沖擠成內(nèi)孔，正沖時(shí)容易在凸緣和凸臺過渡處與模具間形成空隙產(chǎn)生夾層，反沖時(shí)可以使凸臺底部端面圓角充滿，無需翻模，避免了正沖時(shí)形成夾層。

墊環(huán)和墊模工藝在沖擠內(nèi)孔時(shí)，為了減少坯料表面的拉縮效應(yīng)，開門沖子的直徑一般為坯料直徑的三分之一左右[5]，由于法蘭凸臺部分直徑與內(nèi)孔直徑相差較小，進(jìn)一步限制了開門沖子的尺寸不能過大，導(dǎo)致法蘭內(nèi)孔余量大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。而且在沖孔過程中，金屬出現(xiàn)逆向流動，受沖頭和墊模的摩擦阻力增大，需要更大的鍛造壓力，能源消耗更大。

2 胎模鍛工藝優(yōu)化

通過對傳統(tǒng)法蘭胎模鍛工藝分析，進(jìn)行工藝優(yōu)化，新胎模鍛工藝分為制坯和成形兩個(gè)工步。制坯工步鍛成帶有內(nèi)孔的法蘭毛坯，合理分配凸緣和凸臺的金屬。成形工步法蘭毛坯在成形組合胎模內(nèi)，金屬受沖頭的拉延向下流動，形成法蘭的凸臺。新工藝在成形階段金屬向下流動阻力小，有效降低了鍛造壓力，鍛件內(nèi)孔成臺階形，切近零件內(nèi)孔形狀，減少了加工余量。

新的胎模鍛模具包括套模、制坯下模、成形下模、成形沖頭。其中套模為通用模具，制坯下模和成形下?？膳c套模配套組合，實(shí)現(xiàn)制坯和成形過程，如圖2 所示。制坯下模帶有定位凸臺，制坯時(shí)在坯料表面壓出定位凹槽，便于沖孔時(shí)沖頭定位，成形下模的凹槽和鍛件凸臺部分尺寸一樣，凹槽下部帶有通孔，便于成形時(shí)對成形沖頭進(jìn)行導(dǎo)向，防止成形沖頭走偏。成形沖頭的小頭頭部直徑和毛坯的內(nèi)孔相同，便于成形工步成形沖頭在毛坯內(nèi)定位。

圖2 制坯組合模具和成形組合模具

鍛造工藝過程：圓柱坯料加熱后在制坯組合模具內(nèi)墩粗，成形法蘭的凸緣，翻轉(zhuǎn)模具，套模內(nèi)反向沖通孔制成法蘭毛坯。法蘭毛坯重新加熱后在成形組合模具內(nèi)定位，成形沖頭套在毛坯的內(nèi)孔向下拉伸，帶動金屬向下流動形成法蘭的凸臺，鍛件成形。將鍛件和套模翻轉(zhuǎn)置漏盤上，向下頂出成形沖頭，鍛件脫模。如圖3 所示。

圖3 鍛件成形過程圖

3 新工藝方案模擬及分析

用CAD 軟件建立毛坯模型，模擬成形工步。為了建模方便，減少計(jì)算時(shí)間，成形組合模具整體建模，以鍛件的一半進(jìn)行模擬。

圖4a 為終鍛時(shí)鍛件內(nèi)部溫度場，圖4b 為終鍛時(shí)鍛件內(nèi)部應(yīng)力場，圖4c 為成形過程鍛造載荷曲線。

圖4 終鍛溫度、應(yīng)力和成形過程載荷曲線

分析模擬結(jié)果可以看出：鍛件終鍛時(shí)內(nèi)外表面因?yàn)榕c模具長時(shí)間接觸，溫度下降較快，鍛件內(nèi)部由于變形劇烈，溫度下降不明顯，分布均勻，金屬塑性較好，利于鍛件凸臺薄壁處的變形。終鍛時(shí)鍛件內(nèi)部凸臺處應(yīng)力較凸緣處大，鍛件內(nèi)部整體成壓應(yīng)力，成形工步鍛件凸緣部分進(jìn)行了壓實(shí)，凸臺處金屬變形量較大。鍛造過程前期載荷較平穩(wěn)，隨著成形沖頭向下運(yùn)動，鍛件與模具摩擦阻力增大，鍛件的變形抗力快速增大，載荷曲線變陡，終鍛載荷顯示為2.12×107N，整體鍛件的終鍛合模力約42.4MN。

圖5 為鍛件成形過程速率場，第40 步鍛造初期，隨著成形沖頭向下，法蘭凸臺部分金屬向下流動，凸緣表面部分金屬隨沖頭的擠壓，向上流動，鍛件表面凸起，凸緣內(nèi)部金屬向凸緣四周流動。第120步鍛造中期，隨著沖頭的深入，法蘭凸緣內(nèi)部金屬也呈向下流動趨勢。第163 步接近終鍛時(shí)，由于大部分金屬充滿模具，剩余金屬的流動趨勢向上，金屬溢出套模上表面，成形沖頭的長度小于成形組合模具深度，上砧面對鍛件表面進(jìn)行壓平，保證法蘭凸緣部分底角邊緣充滿模具。

圖5 成形過程速率場

整個(gè)模擬過程顯示，終鍛件成形良好，金屬流動規(guī)律符合鍛件成形過程要求，沒有折疊或充不滿等缺陷顯示，鍛件溫度均勻，塑性良好，鍛造載荷加載平穩(wěn)，適合在50MN 壓力機(jī)鍛造。

4 生產(chǎn)試制

通過模擬分析，隔水管法蘭接頭的胎模鍛優(yōu)化工藝和模具設(shè)計(jì)符合鍛件成形要求，可投入模具進(jìn)行生產(chǎn)試制，試制鍛件材料4130，下料1400kg，下料規(guī)格?600，試制設(shè)備50MN 鍛造壓力機(jī)，坯料按三段式加熱曲線加熱，始鍛溫度1200℃，始鍛溫度下保溫5h，坯料直接在制坯組合模具內(nèi)鐓粗，反向沖孔，沖連皮制坯。毛坯重新加熱到始鍛溫度，保溫3h，置終鍛組合模具，用成形沖頭進(jìn)行沖擠成形。試制鍛件成形良好，設(shè)備能力足夠，圖6 為試制終鍛件和粗加工后的零件。

圖6 鍛件和零件

5 結(jié)論

（1）優(yōu)化后的隔水管接頭胎模鍛工藝，與傳統(tǒng)胎模鍛工藝相比，鍛件內(nèi)孔余量大大減少，鍛件減重535kg，占傳統(tǒng)工藝鍛件重量的28%，鍛件尺寸和力學(xué)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，加工效率提高。

（2）采用預(yù)制坯先沖孔的工藝，相比傳統(tǒng)的實(shí)心坯料模具內(nèi)沖孔成形，避免了金屬逆流，減小鍛造壓力，降低鍛造能耗，金屬流動更符合薄壁法蘭鍛造成形要求。

（3）采用組合式的模具設(shè)計(jì)方法，提高了模具的通用性和利用率，減少了模具投入，提高了經(jīng)濟(jì)效益。