2英寸105MPa石油高壓管匯旋塞閥多向模鍛成形工藝

高壓管匯在石油工業(yè)設(shè)備中具有重要作用，廣泛應(yīng)用于油田鉆井、固井、測(cè)井、壓裂作業(yè)、試油作業(yè)、連續(xù)油管作業(yè)、砂控作業(yè)及海洋平臺(tái)。隨著壓裂作業(yè)難度的增加，管匯的壓力等級(jí)不斷提高，承壓載荷能力105MPa較為常見(jiàn)。旋塞閥通過(guò)旋塞的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的流通和關(guān)斷，是井場(chǎng)作業(yè)中重要的高壓產(chǎn)品。圖1所示為高壓管匯中常見(jiàn)的旋塞閥產(chǎn)品。

鍛件及模具設(shè)計(jì)

產(chǎn)品規(guī)格為2英寸旋塞閥，壓力等級(jí)105MPa，材質(zhì)為超高強(qiáng)度鋼42CrMoA，零件質(zhì)量30kg，整體呈四向帶有互通孔腔且水平兩側(cè)帶有六邊形結(jié)構(gòu)的閥體，零件圖如圖2所示。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，鍛件設(shè)計(jì)圖如圖3所示，鍛件非加工面未留加工余量，閥體安裝閥芯方向設(shè)有60mm深的盲孔，由于水平孔徑較小，節(jié)約原材料成本有限，因此做成實(shí)體結(jié)構(gòu)，提高模具使用壽命。鍛件采用多向模鍛工藝成形，無(wú)飛邊毛刺產(chǎn)生，鍛件整體質(zhì)量46kg，材料利用率約65%。

模具設(shè)計(jì)

根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示的多向模鍛模具裝配結(jié)構(gòu)，為了使得金屬充填更加飽滿，只在鍛件水平細(xì)端設(shè)置水平?jīng)_頭實(shí)現(xiàn)金屬擠壓。模具由上模、下模、上沖頭、水平?jīng)_頭、下頂出五部分組成。

有限元數(shù)值模擬

幾何模型建立

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)前后對(duì)稱(chēng)，為了減少計(jì)算等待時(shí)間，提高計(jì)算精度，選取1/2模型進(jìn)行模擬計(jì)算。有限元模型如圖5所示，將該模型“stl”格式導(dǎo)入到DEFORM-3D前處理模塊中。

設(shè)定邊界條件

鍛件材質(zhì)為42CrMoA，選取DEFORM-3D材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)的AISI-4140，坯料選用

150mm×334mm的圓棒料，坯料設(shè)定溫度1200℃；模具選用AISI-H13，模具設(shè)定溫度200℃；坯料與模具熱交換系數(shù)：8kW/(m

·℃)；坯料與模具間的摩擦選用剪切摩擦模型，摩擦因子0.15；模具運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為25mm/s。

模擬工藝流程設(shè)定

通過(guò)調(diào)取鍛件成形溫度場(chǎng)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍛件溫度場(chǎng)整體分布均勻，與模具型腔表面及上沖頭端面接觸部位鍛件溫度較低，但是在水平端開(kāi)始鍛造時(shí)，該部位金屬已完成鍛造，金屬不再流動(dòng)，因此對(duì)鍛件成形影響較小；水平端成形結(jié)束后，端面金屬溫度仍然較高，溫度在1100℃左右，滿足鍛件的鍛造溫度控制范圍。

模擬結(jié)果分析

在我公司40MN多向模鍛生產(chǎn)線及配套設(shè)備上進(jìn)行2英寸105MPa旋塞閥鍛件多向模鍛試驗(yàn)，工藝流程為：下料→坯料加熱→模具準(zhǔn)備→氧化皮去除→多向模鍛成形→鍛件拋丸→無(wú)損檢測(cè)。

按照鍛造成形工藝流程進(jìn)行鍛件試制，對(duì)冷卻后鍛件進(jìn)行拋丸處理，鍛件外觀質(zhì)量良好，圓角充填飽滿，表面無(wú)飛邊、毛刺、折疊現(xiàn)象產(chǎn)生；對(duì)鍛件進(jìn)行超聲和磁粉探傷，結(jié)果表明鍛件無(wú)內(nèi)部裂紋及表面疤痕等缺陷；試驗(yàn)樣件圖10(a)與模擬鍛件圖10(b)結(jié)果吻合。

染色體的編碼方式采用12位二進(jìn)制編碼(最高位權(quán)值為23,最低位權(quán)值為2-8),采用固定概率交叉和變異操作,交叉概率為0.9,變異概率為0.1。選擇操作采用輪盤(pán)賭的方式。由于遺傳算法是為了優(yōu)化超參數(shù),模型預(yù)測(cè)輸出與訓(xùn)練樣本所給輸出越接近的染色體,其適應(yīng)度應(yīng)該越高。因此,本文考慮將均方誤差用作適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù),如下所示:

針對(duì)2英寸105MPa旋塞閥鍛件的多向模鍛成形過(guò)程，多向模鍛生產(chǎn)工藝主要分為以下幾步：坯料加熱放置型腔中→上模向下合模→上沖頭擠壓→水平?jīng)_頭擠壓→上沖頭回程→水平?jīng)_頭回程→上模開(kāi)模→下頂出頂出鍛件。模擬仿真分析過(guò)程只取其中的上模向下合模→上沖頭擠壓→水平?jīng)_頭擠壓工步進(jìn)行鍛件成形質(zhì)量、成形載荷、鍛件溫度場(chǎng)等進(jìn)行分析。

試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖6所示為2英寸105MPa旋塞閥體多向模鍛模擬成形工藝仿真圖，將加熱好的坯料放置于下模型腔中，上模下行完成合模步驟，如圖6(b)；上沖頭下行，對(duì)坯料進(jìn)行鐓擠，上沖頭模具動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料的鐓粗和盲孔擠壓，金屬坯料向下流動(dòng)，流入模具型腔水平兩側(cè)空腔中，首先模具型腔水平粗端被金屬填滿，如圖6(c)、6(d)；上沖頭擠壓至設(shè)定位移處，水平?jīng)_頭向內(nèi)側(cè)擠壓，完成鍛件水平端鐓粗成形，如圖6(e)；得到成形鍛件，如圖6(f)。

考慮到試驗(yàn)過(guò)程采用室式爐加熱，過(guò)程中存在坯料的氧化燒損，燒損率約3%，設(shè)計(jì)鍛件質(zhì)量為46kg，因此坯料下料質(zhì)量取47.4kg，選取42CrMoA材質(zhì)，

150mm的軋制圓棒料，帶鋸床下料。

熱試過(guò)程使用高溫室式加熱爐加熱，加熱爐溫度根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定加熱溫度為1200℃，模具預(yù)熱溫度200℃以上；潤(rùn)滑劑使用水基石墨與水1:3的比例進(jìn)行稀釋調(diào)和，用于模具的潤(rùn)滑、冷卻。

這可是經(jīng)典戲目，走，帶我去上門(mén)做做工作。我立馬決定上門(mén)邀請(qǐng)。諸葛亮三顧茅廬都請(qǐng)出了山，我就不相信請(qǐng)不動(dòng)一個(gè)人出來(lái)唱一段戲。

試驗(yàn)前將模具預(yù)熱到設(shè)定溫度范圍內(nèi)，將箱式電阻爐中加熱好的坯料取出傳輸?shù)礁邏核[機(jī)設(shè)備中進(jìn)行表面氧化皮清除，如圖9(b)；清除完氧化皮的坯料通過(guò)上料機(jī)械手夾取放入模具型腔中，壓機(jī)進(jìn)行鍛造，如圖9(c)、9(d)；鍛造結(jié)束后模具開(kāi)模、沖頭回程，下頂出頂出鍛件，如圖9(e)；通過(guò)機(jī)械手將鍛件取出，如圖9(f)，鍛造過(guò)程結(jié)束。

試驗(yàn)過(guò)程

智能化控制系統(tǒng)在電氣工程中應(yīng)用的最大意義就是強(qiáng)化了電氣工程的控制水平，智能化技術(shù)使得電氣系統(tǒng)整體運(yùn)行控制水平得到了提高，并且結(jié)合相關(guān)程序與信息數(shù)據(jù)分析的能力，可以及時(shí)診斷出電氣工程運(yùn)行中存在的故障問(wèn)題、故障隱患，在故障問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)展的情況下自動(dòng)化的調(diào)整，使得電氣工程可以恢復(fù)到健康運(yùn)行狀態(tài)中。消除了很多突發(fā)情況對(duì)電氣工程運(yùn)行可能造成的干擾，使得工程運(yùn)行成效得到了保障。

成形結(jié)果

成形質(zhì)量

根據(jù)模擬仿真結(jié)果確定壓機(jī)基本工藝參數(shù)，上沖頭擠壓成形過(guò)程依靠上沖頭位移控制，鍛件水平端成形依靠壓機(jī)水平載荷控制成形。如圖7選取1/2模型進(jìn)行分析，此刻是鍛件水平端面剛剛充填飽滿的狀態(tài)，最終水平成形載荷模擬數(shù)值為4.8MN。

成形載荷分析

根據(jù)前面成形工藝要求，壓機(jī)上沖頭成形工藝參數(shù)采取位移控制，水平?jīng)_頭工藝參數(shù)采取施加載荷壓力控制，在試制過(guò)程中不斷調(diào)整水平?jīng)_頭施加的擠壓載荷，最終確定水平擠壓力為4.1MN的情況下，仍能成形質(zhì)量飽滿的旋塞閥鍛件，模擬數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)數(shù)值比模擬數(shù)值小0.7MN。

2.2 槐耳清膏對(duì)NCI-N87細(xì)胞凋亡率及自噬小體的影響 槐耳清膏（8、16、32mg/ml）作用 NCI-N87細(xì)胞24h后，流式細(xì)胞分析結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，8、16、32mg/ml濃度能促進(jìn) NCI-N87 細(xì)胞凋亡，自噬小體形比例增加。（P＜0.05）。結(jié)果見(jiàn)表2。

采用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。兩側(cè)椎旁肌組織相關(guān)miRNA表達(dá)水平的比較采用配對(duì)樣本的Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)。采用Pearson相關(guān)性分析對(duì)兩側(cè)miRNAs相對(duì)表達(dá)量的差值與患者臨床信息（手術(shù)年齡、術(shù)前側(cè)凸Cobb角）的關(guān)系進(jìn)行分析，以P ＜ 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

批量生產(chǎn)

根據(jù)熱試試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果調(diào)整鍛造壓機(jī)成形工藝參數(shù)，修改水平?jīng)_頭壓制載荷為4.1MN，通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，鍛件成形質(zhì)量良好，生產(chǎn)過(guò)程順利、流暢，產(chǎn)品合格率達(dá)到100%，批量生產(chǎn)鍛件如圖11所示。

結(jié)論

本文通過(guò)采用多向模鍛成形技術(shù)，對(duì)高壓管匯旋塞閥鍛件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并且在40MN多向模鍛生產(chǎn)線上完成了試驗(yàn)及批量生產(chǎn)。結(jié)果表明，該類(lèi)石油高壓管匯上的旋塞閥產(chǎn)品可以在多向模鍛設(shè)備上順利地完成鍛造成形，多向模鍛件加工余量小、材料利用率高、外觀質(zhì)量良好，充分證明了該產(chǎn)品多向模鍛鍛造工藝的合理可行。