采油樹用平板閥多向模鍛成形工藝研究

文／張家偉，王楠楠·中冶重工(唐山)有限公司

任杰，曹峰華，牛龍江，胡紅磊·上海電機學院

采油樹是自噴井和機采井等用來開采石油的井口裝置，平板閥作為采油樹零部件的一部分(如圖1)，承擔著開啟和截斷管道介質，并控制高壓介質按照人為的需要流向指定地方的任務。在鉆采工藝中，要求閥門具有壽命長、制造工藝好、沖蝕作用小、成本低等特點。

圖1 采油樹和平板閥

圖2 采油樹平板閥鍛件圖

平板閥的成形制造工藝上多采用鍛造方式，目前鍛造成形主要有模鍛和多向模鍛兩種成形方式。模鍛成形會在原材料上較多向模鍛增加15%～20%的投入，同時模鍛成形產品需要對外觀分模面處的切邊毛刺進行簡單的打磨，增加了額外的人工成本。本文針對采油樹平板閥產品介紹一種采用多向模鍛成形的新工藝。

鍛件圖

鍛件材質為35CrMo，總質量為82kg，閥門整體呈現為主閥體上端部尺寸大，下端部尺寸小，同時主閥體與兩側法蘭通過外徑尺寸較小的脖頸型結構相連接。

多向模鍛成形工藝方案制定

針對該類型平板閥鍛件，采用多向模鍛成形工藝能夠更好地保留金屬內部纖維組織流線以及節約原材料成本，鍛件整體結構為：兩側帶有較大法蘭，同時主閥體上部法蘭體直徑較大，下端閥體外徑尺寸較小，在多向模鍛成形工藝制定方面難以選用棒材一火一鍛成形，需要在終鍛前對原材料進行制坯。

模具結構設計

該鍛件產品水平法蘭用料占閥體整體質量較大，同時主閥體形狀為上大下小非對稱結構，因此需要對坯料進行鐓粗聚料，再進行多向模鍛擠壓成形。閥體鍛件下端外徑尺寸為133.1mm，上端部外徑尺寸為180.1mm，選用與閥體鍛件底部外徑尺寸相近的圓棒坯料為宜，此處選用直徑140mm 金屬棒料進行預鐓，預鐓模具結構如圖3(a)所示。終鍛-多向模鍛模具結構見圖3(b)，多向模鍛模具采取上下結構的水平分模方式，通過上、下模具的靠模實現模具型腔的閉合，在設備的三個不同方向安裝沖頭，實現金屬在封閉型腔內擠壓流動成形。

圖3 預鍛模具和終鍛-多向模鍛模具圖

力學模型建立

該鍛件成形步驟分為兩步，采用Deform-3D 有限元軟件進行力學模型建立以及成形模擬分析，第一步進行坯料預鐓聚料，第二步進行多向模鍛擠壓成形。預鍛力學模型見圖4(a)，終鍛-多向模鍛力學模型見圖4(b)。模擬選用材料庫中的AISI-4140，坯料設定溫度1220℃，模具溫度設定200℃。

圖4 力學模型

成形工藝流程

通過有限元仿真分析軟件Deform-3D 進行預鍛和多向模鍛成形模擬分析，如圖5(a)所示將加熱好的坯料放置于預鍛模具型腔中，通過預鐓沖頭擠壓鐓粗坯料，預鍛件不必完全填滿型腔，預鍛坯大端外徑達到90%以上與模具型腔貼合即可，如圖5(b)所示。

圖5 預鍛成形工藝流程

將第一步預鍛結束的預鍛坯從預鍛模腔中取出，轉移至多向模鍛下模型腔中，上模具合模，如圖6(a)所示；通過主沖頭對預鍛坯進行主閥體擠壓成形，直至主沖頭到達設定的位置為止，如圖6(b)→6(c)→6(d)→6(e)所示；最后通過兩側對稱的水平沖頭對金屬坯料進行水平端部法蘭成形。

圖6 終鍛-多向模鍛成形工藝流程

在成形過程中需要注意的是：由于金屬坯料在受到主沖頭擠壓時，金屬坯料在型腔中沿著水平脖空腔向側向流動，擠出側向型腔的金屬，外徑尺寸接近水平脖空腔的尺寸，造成擠出水平空腔部位的金屬為細長形且偏向主沖頭運動方向一側，水平方向在沒有水平沖頭干預的前提下，該部位金屬鐓粗成形時會出現折疊缺陷。因此，該鍛件成形時需要將水平沖頭的位置提前設定，對主閥體流入側腔的金屬進行事先干預，確保水平端法蘭不產生折疊缺陷。圖6(f)為多向模鍛工藝成形結束后的狀態，此時退回水平沖頭和主沖頭，打開上模，下頂出結構頂出鍛件，即可獲得外觀質量完好、尺寸合格的平板閥鍛件產品。

成形載荷分析

在生產之前，通過有限元軟件的模擬分析可以預先獲得鍛件成形所需要的成形載荷初始數據，作為后續產品試制的數據參考，有效地降低試制成本的過度投入。通過有限元模擬分析可知，對坯料進行鐓粗聚料成形，預鐓沖頭擠壓載荷為2.79MN；將預鍛坯取出直接轉入多向模鍛模具型腔中，主沖頭擠壓載荷為11.5MN；水平沖頭對鍛件法蘭進行擠壓成形，達到金屬完全充滿型腔時的最大成形擠壓載荷為23.9MN。

產品熱試

選用35CrMo 材質坯料進行熱試試驗，首先將直徑140mm 的圓棒料放入加熱爐中加熱，溫度設定為1220℃，保溫一定時間后出爐進行預鍛和多向模鍛擠壓成形，獲得的鍛件產品如圖8 所示，鍛件產品外觀質量良好，主閥體及水平端法蘭圓角充填飽滿，無折疊、毛刺等缺陷。

圖8 熱試后獲得的鍛件

結束語

鍛件產品采用多向模鍛工藝成形時，不必要拘泥于一火一鍛成形，靈活的制坯工步能夠獲得更加復雜的鍛件產品，尤其針對該類型的采油樹類平板閥鍛件的成形，成熟且靈活的制坯工序能夠獲得外觀較好的鍛件產品，生產過程中要著重關注坯料的溫降，如果預鍛后的坯料溫度降到950℃以下，建議預鍛坯回爐繼續保溫一定時間，出爐清除氧化皮后繼續開展終鍛-多向模鍛工序，這樣能夠保證鍛件成形時設備輸出載荷小，同時能夠確保法蘭圓角充填飽滿，獲得合格的鍛件產品。