閥體多向模鍛技術(shù)的研究與應(yīng)用

文/任運(yùn)來(lái)，彭加耕·燕山大學(xué)

李明權(quán)，趙文成·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

任杰，曹峰華·上海電機(jī)學(xué)院

閥體多向模鍛技術(shù)的研究與應(yīng)用

文/任運(yùn)來(lái)，彭加耕·燕山大學(xué)

李明權(quán)，趙文成·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

任杰，曹峰華·上海電機(jī)學(xué)院

閥門是應(yīng)用最廣泛的部件之一，閥體是閥門的關(guān)鍵零件。閥體技術(shù)要求高，且外形復(fù)雜內(nèi)有通道相連。多向模鍛技術(shù)是從兩個(gè)或多個(gè)方向?qū)Π诳煞趾夏Ｇ粌?nèi)的坯料施加力，使坯料成形的模鍛方法。采用多向模鍛技術(shù)可一次鍛造成形出復(fù)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(jī)械加工量少，經(jīng)濟(jì)效益明顯；在技術(shù)方面，鍛件流線分布合理、完整，相對(duì)密度高，因此抗應(yīng)力腐蝕性能好，力學(xué)性能優(yōu)良，尤其是疲勞強(qiáng)度高。

多向模鍛及其特點(diǎn)

鍛造作為一門古老的技術(shù)，人們一直利用它制造工具，發(fā)展生產(chǎn)力；現(xiàn)在已成為裝備制造、船舶車輛制造以及國(guó)防建設(shè)行業(yè)必需的基礎(chǔ)技術(shù)。鍛件質(zhì)量決定著機(jī)械裝備的制造質(zhì)量，在鍛造工藝漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程中，所追求的目標(biāo)一直是改善鍛件組織、提高鍛件性能，節(jié)約原材料、降低成本，減少后續(xù)切削加工量。為了完成外壁具有多方向枝丫、中空且側(cè)壁帶有凸臺(tái)的及難變形合金復(fù)雜鍛件的成形，同時(shí)為了防止鍛件流線暴露于零件表面，提高特殊環(huán)境下鍛件的抗應(yīng)力和抗腐蝕能力，提高材料利用率、減少后續(xù)的切削量，提高機(jī)械制造的生產(chǎn)效率，又從模鍛工藝向多向模鍛技術(shù)發(fā)展。多向模鍛以其特殊的成形方式和生產(chǎn)效果，使鍛件更好地滿足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的需求，已成為鍛造技術(shù)中具有良好發(fā)展前景的分支。

圖1 多向模鍛技術(shù)

從兩個(gè)或多個(gè)方向?qū)Π诳煞趾夏Ｇ粌?nèi)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(duì)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(diǎn)：

⑴可成形中空且側(cè)壁帶有凸臺(tái)的復(fù)雜鍛件。

⑵可設(shè)置多個(gè)分模面，能成形外壁具有多方向枝丫的復(fù)雜鍛件。

⑶鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機(jī)械加工量少。

⑷鍛件流線完整，抗應(yīng)力腐蝕好，疲勞強(qiáng)度高。

⑸坯料在三向壓應(yīng)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(duì)于變形溫度區(qū)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(gè)方向?qū)δＧ粌?nèi)的坯料施加工藝力，因此要用專門的鍛造設(shè)備——多向模鍛壓機(jī)。

多向模鍛技術(shù)在閥門制造中的應(yīng)用

閥門是應(yīng)用最廣泛的部件之一，隨著核電、火電、石油等工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)閥門的需求量在逐年增加，對(duì)閥門技術(shù)要求愈來(lái)愈高。傳統(tǒng)的鑄造成形，對(duì)于復(fù)雜零件成形容易，造價(jià)低，但是鑄件中心容易產(chǎn)生氣孔、機(jī)械性能不是很高，對(duì)于核電、火電、石油、化工類行業(yè)，多采用鍛造方式加工的閥門。

通過(guò)鍛造生產(chǎn)的閥門能夠改善鍛件組織結(jié)構(gòu)，保證金屬纖維組織的連續(xù)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(xué)性能與長(zhǎng)久的使用壽命，使鍛件能夠承受高溫、低溫、高壓等惡劣環(huán)境。多向模鍛塑性變形能夠強(qiáng)烈細(xì)化組織，使材料力學(xué)性能得到很大提高，鍛件各方向變形程度和力學(xué)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(xiàn)的各向異性。這也是鍛造閥門具有廣闊市場(chǎng)的主要原因。

在火電閥門制造中的應(yīng)用

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)火電仍然是主要的電力資源，為提高熱效率，各項(xiàng)參數(shù)正逐漸由亞臨界到超臨界，再向超超臨界的方向發(fā)展，蒸汽壓力高達(dá)30～35MPa，蒸汽溫度高達(dá)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(qiáng)度和良好的耐高溫性能之外，還要求閥體、管件有優(yōu)秀的耐應(yīng)力腐蝕能力。多向模鍛生產(chǎn)的閥體、管件恰恰具備上述技術(shù)要求。

在核電閥門制造中的應(yīng)用

核電站由核島與常規(guī)島組成，在核電站中，核島替代了火電機(jī)組中的鍋爐，核島閥門除要求具有火力發(fā)電的閥門性能外，因內(nèi)部介質(zhì)水有強(qiáng)烈的放射性，絕對(duì)不允許有泄漏，因此還要求閥門、管件產(chǎn)品具有高的可靠性、安全性，在質(zhì)量管理方面，比其他行業(yè)閥門、管件的技術(shù)要求更為嚴(yán)格。核島必須滿足ASME技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)件的安全性，應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量，因而它們的形狀變得更加復(fù)雜。只有采用多向模鍛技術(shù)，才能生產(chǎn)出滿足技術(shù)要求和復(fù)雜形狀要求的鍛件。

在核電站中，核電閥門、管件和結(jié)構(gòu)件的數(shù)量大、應(yīng)用面廣，它們連接整個(gè)核電站的三百多個(gè)系統(tǒng)，是核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵附件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界現(xiàn)有核電機(jī)組500余座，總裝機(jī)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(shù)參數(shù)為：最大口徑DN1200mm（核3級(jí)的蝶閥）、DN800mm（核2級(jí)的主蒸汽隔離閥）、DN350mm（核1級(jí)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(yīng)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(qiáng)烈腐蝕的條件，這些閥體要符合美國(guó)API6A標(biāo)準(zhǔn)。采用多向模鍛生產(chǎn)這些零件，不僅節(jié)材，而且可提高其強(qiáng)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(dǎo)流孔、無(wú)導(dǎo)流孔的鍛鋼平行式閘閥、泥漿閥、角式節(jié)流閥、油田專用平行式調(diào)節(jié)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(dǎo)式安全閥和止回閥；天然氣輸送管線應(yīng)用的單閘板、雙閘板、有導(dǎo)流孔、無(wú)導(dǎo)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(shù)研究

根據(jù)三通閥體零件的幾何形狀，可分為無(wú)法蘭三通道閥體和帶法蘭三通道閥體。無(wú)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(cè)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(shù)研究。20世紀(jì)90年代，針對(duì)石油化工和電力工業(yè)建設(shè)的需求，當(dāng)時(shí)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)確立了“2000t多向模鍛及擠壓工業(yè)性試驗(yàn)”項(xiàng)目，由第一重型機(jī)器廠、東北重型機(jī)械學(xué)院和清華大學(xué)共同承擔(dān)，采用多向模鍛技術(shù)鍛造等徑三通道閥體。

⑵不等徑三通道閥體多向模鍛技術(shù)研究。2010年10月，燕山大學(xué)與二十二集團(tuán)冶精密鍛造有限公司合作研發(fā)了高溫高壓閥的多向模鍛技術(shù)，圖2是采用多向模鍛生產(chǎn)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(shù)研究。2013年8月，燕山大學(xué)、二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司和上海電機(jī)學(xué)院研發(fā)了帶主法蘭三通道閥體的多向模鍛技術(shù)，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(shù)生產(chǎn)。

閥門多向模鍛技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著閥門制造業(yè)的發(fā)展，閥門制造業(yè)節(jié)能節(jié)材和閥門本身性能要求的不斷提高，對(duì)多向模鍛技術(shù)的需求將進(jìn)一步增加。一方面表現(xiàn)在閥體鍛件的形狀更加復(fù)雜，另一方面表現(xiàn)在對(duì)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(shè)備與工藝兩方面進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)。未來(lái)閥門多向模鍛技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下4點(diǎn)。

⑴帶側(cè)法蘭三通道閥體的多向模鍛，當(dāng)側(cè)法蘭大而通道小時(shí)，此種閥體采用多向模鍛技術(shù)成形有很大的難度，但經(jīng)濟(jì)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(shí)需要用多個(gè)凸模沖頭同時(shí)壓入凹模，采用水平方向有多個(gè)液壓缸的多向模鍛壓機(jī)或?qū)Ｓ霉ぱb。由于多通道閥體的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用多向模鍛技術(shù)后，可明顯提高材料利用率，并減少后續(xù)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(cè)通道與主通道不垂直，在普通結(jié)構(gòu)的多向模鍛壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)其多向模鍛成形十分困難，需采用特殊結(jié)構(gòu)的多向模鍛壓機(jī)或?qū)Ｓ霉ぱb進(jìn)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(shí)，即使不考慮經(jīng)濟(jì)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(shù)有特殊的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)束語(yǔ)

采用多向模鍛技術(shù)鍛造成形閥體可以明顯提高材料利用率，減少后續(xù)的機(jī)械加工量和切削難度，可顯著地提高經(jīng)濟(jì)效益并縮短制造周期；采用多向模鍛生產(chǎn)的閥體的相對(duì)密度高，流線分布合理，可明顯地提高閥體的力學(xué)性能指標(biāo)和抗應(yīng)力腐蝕能力。多向模鍛技術(shù)在閥門制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。