雙錐墊片的制造工藝技術(shù)

楊美昆

（西安核設(shè)備有限公司 西安 710021）

雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)是半自緊密封結(jié)構(gòu)的一種形式，在石化企業(yè)中被廣泛應(yīng)用于高壓容器的密封。按GB150規(guī)定雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)適用于設(shè)計(jì)壓力為6．4～35MPa，設(shè)計(jì)溫度為0℃～400℃，內(nèi)直徑φ400～φ2000mm的壓力容器，其結(jié)構(gòu)如下圖1所示[1]。在這種密封結(jié)構(gòu)中，雙錐墊片是整個(gè)雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用：1)避免雙錐環(huán)錐面和上平蓋、筒體的錐面產(chǎn)生磨損；2)靠設(shè)備主螺栓預(yù)緊，產(chǎn)生塑性變形達(dá)到初始密封；3）依靠容器介質(zhì)壓力，作用于雙錐環(huán)槽的外表面產(chǎn)生徑向擴(kuò)張，起到徑向自緊作用。它加工制造的質(zhì)量直接影響到密封結(jié)構(gòu)在設(shè)備中的密封性能。公司制造生產(chǎn)的Ⅲ類高壓容器主泵實(shí)驗(yàn)壓力容器采用雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)溫度350℃、試驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)采用外協(xié)加工，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，需要提供多倍數(shù)的材料進(jìn)行工藝性沖壓試驗(yàn)并且經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高，影響設(shè)備整體制造進(jìn)度要求。為充分合理利用公司現(xiàn)有設(shè)備資源，節(jié)省外協(xié)加工經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，保證質(zhì)量，借鑒同類材料的加工經(jīng)驗(yàn)，首次在公司加工制造。從原材料、下料、壓型、熱處理、機(jī)加等關(guān)鍵環(huán)節(jié)嚴(yán)格工藝過程和質(zhì)量控制，一次成功加工8件。經(jīng)檢驗(yàn)，無論是雙錐墊片外形基本尺寸、公差要求還是硬度指標(biāo)全部符合設(shè)計(jì)圖紙要求，為設(shè)備水壓試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 雙錐墊片

圖1 雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)圖

主泵試驗(yàn)壓力容器設(shè)備雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)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(nèi)外徑φ584／φ614．5，使用時(shí)對(duì)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(yù)緊力作用產(chǎn)生徑向塑性變形，實(shí)現(xiàn)密封功能。因此，雙錐墊片的成型、硬度技術(shù)指標(biāo)是零件的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。必須采用設(shè)計(jì)、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(jì)數(shù)量：8件，其中2件屬設(shè)備水壓試驗(yàn)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(dǎo)電性、導(dǎo)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(jī)械、化工設(shè)備、管道等的密封材料。材料標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 2040—2008，退火軟狀態(tài)[2]，表面HB35～45，其化學(xué)成分如下表1其熱處理狀態(tài)不同，力學(xué)性能也不同，見表2[3]。為保證雙錐墊片的質(zhì)量要求，對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)合格后進(jìn)行才能進(jìn)行后續(xù)工序的加工制造。

表1 T2紫銅化學(xué)成分

表2 T2紫銅力學(xué)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(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生塑性變形的過程。軟態(tài)紫銅材料強(qiáng)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(zhǔn)即厚度δ=1．6mm，以保證成型后滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

3.1 下料

經(jīng)放樣展開成品尺寸為環(huán)狀，內(nèi)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(biāo)識(shí)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(gè)下料過程均應(yīng)采取措施保護(hù)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(shè)備油壓機(jī)，根據(jù)零件較薄、剛性差是成形制造加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用成型胎具進(jìn)性操作。雙錐墊片為非標(biāo)尺寸，數(shù)量少，胎具使用頻率不高等特點(diǎn)，材料選用常規(guī)碳鋼Q235-A。墊片30°錐面成型是零件的關(guān)鍵，也是胎具設(shè)計(jì)關(guān)鍵。根據(jù)成型受力分析，采用組合胎具進(jìn)行成型，錐面以基本角度的最大偏差角度為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)α=30°15′設(shè)計(jì)相關(guān)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)生，與墊片接觸表面胎具粗造度不低于零件表面粗造度，應(yīng)達(dá)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(diǎn)，成型方式采用2次沖壓成型的方法。第1次壓型，沖壓時(shí)，上模緩慢下降，速度不應(yīng)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(diǎn)均勻卸壓。使零件外形基本尺寸達(dá)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(duì)內(nèi)、外錐面用5～10倍放大鏡進(jìn)行表面質(zhì)量檢查，無劃痕、刮傷、凹陷等缺陷為合格。以內(nèi)錐面的軸線為基準(zhǔn)，外錐面與內(nèi)錐面的同軸度檢測為0．05mm，符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

3.3 熱處理

T2紫銅在冷成型過程中產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，表面強(qiáng)度和硬度提高，必須進(jìn)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(xué)性能，其強(qiáng)度和硬度也隨之改變[5]。退火溫度不同，導(dǎo)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(xì)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(shè)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(duì)成型的雙錐墊片進(jìn)行硬度檢測HB50～55，硬度高于要求硬度指標(biāo)。為防止雙錐墊片熱處理過程中表面氧化，表面涂保護(hù)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(gè)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(gè)墊片倒置通過工藝孔φ28懸掛于設(shè)備中心，便于充分受熱。出爐時(shí)，直接取出便于操作。經(jīng)退火處理降低表面硬度，檢測表面硬度HB35～45，符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

3.4 機(jī)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(shè)備為普通車床（型號(hào)：C630）。以胎具上模下平面為基準(zhǔn)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(shí)，保證垂直方向定位準(zhǔn)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(dòng)。加工時(shí)，采用低速低進(jìn)給的方式，車床轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/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(nèi)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(jīng)濟(jì)型，使之能與接觸連接件完全緊密貼合，成形后全表面進(jìn)行鍍銀處理。銀的純度應(yīng)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(jié)束語

主泵試驗(yàn)壓力容器進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，使用公司首次生產(chǎn)的雙錐墊片，達(dá)到預(yù)期密封效果，水壓試驗(yàn)一次性合格。設(shè)備于2009年投入使用至今，密封效果良好，未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。雙錐墊片在公司首次成功制造，不僅證實(shí)了生產(chǎn)過程中成形胎具設(shè)計(jì)、熱處理規(guī)范、正確、有效，同時(shí)也證實(shí)公司具備生產(chǎn)同等類型雙錐墊片的技術(shù)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(jīng)濟(jì)費(fèi)用，也為后續(xù)高壓容器雙錐環(huán)的制造積累了經(jīng)驗(yàn)。后續(xù)公司制造的高壓加氫反應(yīng)器、高壓甲烷預(yù)熱器、高壓最終反應(yīng)器等設(shè)備也采用雙錐密封結(jié)構(gòu)，極大地提升了公司生產(chǎn)高壓容器在同行中的技術(shù)能力和制造水平影響力。