閥體多向模鍛技術的研究與應用

文/任運來，彭加耕·燕山大學

李明權，趙文成·二十二冶集團精密鍛造有限公司

任杰，曹峰華·上海電機學院

閥體多向模鍛技術的研究與應用

文/任運來，彭加耕·燕山大學

李明權，趙文成·二十二冶集團精密鍛造有限公司

任杰，曹峰華·上海電機學院

閥門是應用最廣泛的部件之一，閥體是閥門的關鍵零件。閥體技術要求高，且外形復雜內有通道相連。多向模鍛技術是從兩個或多個方向對包含在可分合模腔內的坯料施加力，使坯料成形的模鍛方法。采用多向模鍛技術可一次鍛造成形出復雜形狀的閥體鍛件，閥體鍛件的尺寸形狀更接近零件的尺寸形狀，材料利用率高，機械加工量少，經濟效益明顯；在技術方面，鍛件流線分布合理、完整，相對密度高，因此抗應力腐蝕性能好，力學性能優良，尤其是疲勞強度高。

多向模鍛及其特點

鍛造作為一門古老的技術，人們一直利用它制造工具，發展生產力；現在已成為裝備制造、船舶車輛制造以及國防建設行業必需的基礎技術。鍛件質量決定著機械裝備的制造質量，在鍛造工藝漫長的發展歷程中，所追求的目標一直是改善鍛件組織、提高鍛件性能，節約原材料、降低成本，減少后續切削加工量。為了完成外壁具有多方向枝丫、中空且側壁帶有凸臺的及難變形合金復雜鍛件的成形，同時為了防止鍛件流線暴露于零件表面，提高特殊環境下鍛件的抗應力和抗腐蝕能力，提高材料利用率、減少后續的切削量，提高機械制造的生產效率，又從模鍛工藝向多向模鍛技術發展。多向模鍛以其特殊的成形方式和生產效果，使鍛件更好地滿足了國民經濟各行業發展和國防建設發展的需求，已成為鍛造技術中具有良好發展前景的分支。

圖1 多向模鍛技術

從兩個或多個方向對包含在可分合模腔內的坯料施加工藝力，使坯料成形的模鍛方法稱為多向模鍛，如圖1所示。為使成形后的鍛件能夠取出模腔，多向模鍛有水平分模和垂直分模，圖1a為水平分模，圖1b為垂直分模，對于形狀特殊的鍛件也有多向分模，同其他模鍛方法相比，多向模鍛有如下特點：

⑴可成形中空且側壁帶有凸臺的復雜鍛件。

⑵可設置多個分模面，能成形外壁具有多方向枝丫的復雜鍛件。

⑶鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機械加工量少。

⑷鍛件流線完整，抗應力腐蝕好，疲勞強度高。

⑸坯料在三向壓應力條件下擠壓成形，可提高材料熱塑性，允許很大的一次性變形。對于變形溫度區間窄的低塑性材料成形具有特別的意義。

⑹多向模鍛成形需要在多個方向對模腔內的坯料施加工藝力，因此要用專門的鍛造設備——多向模鍛壓機。

多向模鍛技術在閥門制造中的應用

閥門是應用最廣泛的部件之一，隨著核電、火電、石油等工業技術的發展，對閥門的需求量在逐年增加，對閥門技術要求愈來愈高。傳統的鑄造成形，對于復雜零件成形容易，造價低，但是鑄件中心容易產生氣孔、機械性能不是很高，對于核電、火電、石油、化工類行業，多采用鍛造方式加工的閥門。

通過鍛造生產的閥門能夠改善鍛件組織結構，保證金屬纖維組織的連續性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，還可保證鍛件具有良好的力學性能與長久的使用壽命，使鍛件能夠承受高溫、低溫、高壓等惡劣環境。多向模鍛塑性變形能夠強烈細化組織，使材料力學性能得到很大提高，鍛件各方向變形程度和力學性能大體相同，從而避免了擠壓、軋制等其他成形工藝通常出現的各向異性。這也是鍛造閥門具有廣闊市場的主要原因。

在火電閥門制造中的應用

當前，世界范圍內火電仍然是主要的電力資源，為提高熱效率，各項參數正逐漸由亞臨界到超臨界，再向超超臨界的方向發展，蒸汽壓力高達30～35MPa，蒸汽溫度高達593～600℃或更高。在高溫、高壓、高濕度和酸性氣氛中，除了要求閥體、管件有高的強度和良好的耐高溫性能之外，還要求閥體、管件有優秀的耐應力腐蝕能力。多向模鍛生產的閥體、管件恰恰具備上述技術要求。

在核電閥門制造中的應用

核電站由核島與常規島組成，在核電站中，核島替代了火電機組中的鍋爐，核島閥門除要求具有火力發電的閥門性能外，因內部介質水有強烈的放射性，絕對不允許有泄漏，因此還要求閥門、管件產品具有高的可靠性、安全性，在質量管理方面，比其他行業閥門、管件的技術要求更為嚴格。核島必須滿足ASME技術標準，該標準把閥門、管件都視作耐壓容器。除此之外，為提高核電閥門、管件和結構件的安全性，應盡量減少焊縫數量，因而它們的形狀變得更加復雜。只有采用多向模鍛技術，才能生產出滿足技術要求和復雜形狀要求的鍛件。

在核電站中，核電閥門、管件和結構件的數量大、應用面廣，它們連接整個核電站的三百多個系統，是核電站安全運行的關鍵附件。據統計，全世界現有核電機組500余座，總裝機容量4億千瓦以上。有閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等；具有代表性閥門的最高技術參數為：最大口徑DN1200mm（核3級的蝶閥）、DN800mm（核2級的主蒸汽隔離閥）、DN350mm（核1級的主回路閘閥）；壓力約15MPa，溫度約350℃。

在石油化工閥門制造中的應用

石化裝備中的許多管件、泵、閥體等零部件服役于高壓或高溫或強烈腐蝕的條件，這些閥體要符合美國API6A標準。采用多向模鍛生產這些零件，不僅節材，而且可提高其強度和抗腐蝕能力。典型零部件有井口裝置的單閘板、雙閘板、有導流孔、無導流孔的鍛鋼平行式閘閥、泥漿閥、角式節流閥、油田專用平行式調節閥、油田專用直通式止回閥、注水/聚合物專用平行式閘閥、卡箍式平行閘閥、先導式安全閥和止回閥；天然氣輸送管線應用的單閘板、雙閘板、有導流孔、無導流孔的平板閘閥；鍛鋼三體式、上裝式固定球閥；油密封式、壓力平衡式旋塞閥；旋啟式、蝶式止回閥，通球止回閥；清管閥等。

閥體多向模鍛技術研究

根據三通閥體零件的幾何形狀，可分為無法蘭三通道閥體和帶法蘭三通道閥體。無法蘭三通道閥體又可分為等徑三通道閥體、不等徑三通道閥體。帶法蘭三通道閥體可分為帶主法蘭三通道閥體、帶側法蘭三通道閥體以及全帶法蘭三通道閥體。除此之外，還有斜三通道閥體以及多通道閥體。

⑴等徑三通道閥體多向模鍛技術研究。20世紀90年代，針對石油化工和電力工業建設的需求，當時國家計劃委員會確立了“2000t多向模鍛及擠壓工業性試驗”項目，由第一重型機器廠、東北重型機械學院和清華大學共同承擔，采用多向模鍛技術鍛造等徑三通道閥體。

⑵不等徑三通道閥體多向模鍛技術研究。2010年10月，燕山大學與二十二集團冶精密鍛造有限公司合作研發了高溫高壓閥的多向模鍛技術，圖2是采用多向模鍛生產的不等徑三通道閥體。

圖2 不等徑三通道閥體

⑶帶主法蘭三通道閥體多向模鍛技術研究。2013年8月，燕山大學、二十二冶集團精密鍛造有限公司和上海電機學院研發了帶主法蘭三通道閥體的多向模鍛技術，帶主法蘭三通道高溫高壓閥體必須采用垂直分模的多向模鍛技術生產。

閥門多向模鍛技術的發展趨勢

隨著閥門制造業的發展，閥門制造業節能節材和閥門本身性能要求的不斷提高，對多向模鍛技術的需求將進一步增加。一方面表現在閥體鍛件的形狀更加復雜，另一方面表現在對閥體鍛件的組織性能要求更高。為了滿足上述需求，需要在多向模鍛設備與工藝兩方面進行創新與改進。未來閥門多向模鍛技術的發展趨勢主要有以下4點。

⑴帶側法蘭三通道閥體的多向模鍛，當側法蘭大而通道小時，此種閥體采用多向模鍛技術成形有很大的難度，但經濟效益卻十分明顯。

⑵多通道閥體的多向模鍛。多通道閥體在多向模鍛時需要用多個凸模沖頭同時壓入凹模，采用水平方向有多個液壓缸的多向模鍛壓機或專用工裝。由于多通道閥體的幾何結構特點，采用多向模鍛技術后，可明顯提高材料利用率，并減少后續切削加工的難度與加工量。

⑶斜三通道閥體的多向模鍛。斜三通道閥體由于側通道與主通道不垂直，在普通結構的多向模鍛壓機上實現其多向模鍛成形十分困難，需采用特殊結構的多向模鍛壓機或專用工裝進行多向模鍛成形。

⑷多法蘭多通道閥體的多向模鍛。多法蘭多通道閥體在鍛造時，即使不考慮經濟效益，模鍛成塊狀，其外輪廓的切削加工十分困難，因此它的多向模鍛技術有特殊的經濟效益。

結束語

采用多向模鍛技術鍛造成形閥體可以明顯提高材料利用率，減少后續的機械加工量和切削難度，可顯著地提高經濟效益并縮短制造周期；采用多向模鍛生產的閥體的相對密度高，流線分布合理，可明顯地提高閥體的力學性能指標和抗應力腐蝕能力。多向模鍛技術在閥門制造領域有著廣闊的應用前景。