高壓活動彎頭體失效分析及延長使用壽命的措施

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定位，其主要材料是35CrMo等合金結構鋼。隨著我國石油輸送類產業的快速發展，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境非常惡劣，長期承受高壓流體的沖擊，因此經常會出現彎頭磨損、斷裂甚至彎頭體“卡死”等失效現象，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”的辦法來解決，但進口彎頭價格昂貴，不利于大規模推廣，而國產高壓活動彎頭雖然具有價格優勢，但使用壽命卻不穩定，為了維持企業的正常運轉，只能頻繁更換高壓活動彎頭，致使企業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定的問題，部分企業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 彎頭體的結構

高壓活動彎頭體的結構如圖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，實現彎頭體使用壽命的延長，彎頭體整體呈對稱結構，兩端各設有一個接頭，接頭內部設有軸向距離為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，這樣既實現了管道連接又能使兩者相對轉動，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沖擊下不泄漏。

2.2 彎頭體失效的原因

國產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壁處，此處承受的沖擊載荷最大，因此也最容易出現問題[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 “卡死”的現象。而要解決上述問題，一方面需要提高彎頭體管道內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，坯料經鍛造后先進行正火處理，使晶粒得到細化，硬度得到調整，再對其進行內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，然后對其進行調質處理，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、內孔和滾道槽）。

原工藝在實施后經檢驗，基本滿足了使用要求，但因管道內壁硬度和耐磨性不夠，彎頭體在使用過程中會經常出現破損現象，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壁尤其是圓弧內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表面高頻淬火工藝，以提高彎頭體內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量，專門設計了磨削夾具和砂輪修整器，修整器的結構如圖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，止口的結構如圖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量。

4 結語

彎頭體新成型工藝通過在企業的實際應用和評估，證明該工藝能有效地延長高壓活動彎頭體的使用壽命，顯著降低下游企業的運營成本，使企業的經濟效益得到提高；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工藝和技術，堅持消化吸收和再創新，另一方面則必須重視基礎材料方面研究，堅持走自主創新之路，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：

[1]羅華權，王航，何躍等.壓裂彎頭失效原因分析[J].石油礦場機械，2016，45（06）：54-60.

[2]黃詩嵬.天然氣集輸管道彎頭沖蝕磨損研究[D].西南石油大學，

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，

2012（02）：56-57.

[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。