双锥垫片的制造工艺技术

杨美昆

（西安核设备有限公司 西安 710021）

双锥环密封结构是半自紧密封结构的一种形式，在石化企业中被广泛应用于高压容器的密封。按GB150规定双锥环密封结构适用于设计压力为6．4～35MPa，设计温度为0℃～400℃，内直径φ400～φ2000mm的压力容器，其结构如下图1所示[1]。在这种密封结构中，双锥垫片是整个双锥环密封结构的关键作用：1)避免双锥环锥面和上平盖、筒体的锥面产生磨损；2)靠设备主螺栓预紧，产生塑性变形达到初始密封；3）依靠容器介质压力，作用于双锥环槽的外表面产生径向扩张，起到径向自紧作用。它加工制造的质量直接影响到密封结构在设备中的密封性能。公司制造生产的Ⅲ类高压容器主泵实验压力容器采用双锥环密封结构，设计温度350℃、试验压力p=34．5MPa，使用工况条件为高温高压，其中双锥垫片按照以往加工经验采用外协加工，加工质量不稳定，需要提供多倍数的材料进行工艺性冲压试验并且经济费用较高，影响设备整体制造进度要求。为充分合理利用公司现有设备资源，节省外协加工经济费用，保证质量，借鉴同类材料的加工经验，首次在公司加工制造。从原材料、下料、压型、热处理、机加等关键环节严格工艺过程和质量控制，一次成功加工8件。经检验，无论是双锥垫片外形基本尺寸、公差要求还是硬度指标全部符合设计图纸要求，为设备水压试验奠定了良好的基础。

1 双锥垫片

图1 双锥环密封结构图

主泵试验压力容器设备双锥环密封结构中的双锥垫片成环状，锥面是密封部分，是主体，不允许表面存在任何划痕、刮伤、凹陷，尤其是沿锥面母线方向的划痕等影响密封性能缺陷存在；水平折边用于安装定位，如图2所示。垫片总高度H=18．5mm，厚度δ=1．5mm，锥角α=30°，内外径φ584／φ614．5，使用时对称分布在双锥环上、下斜面上，锥面紧贴硬度较高的双锥环斜面。受到螺栓预紧力作用产生径向塑性变形，实现密封功能。因此，双锥垫片的成型、硬度技术指标是零件的关键技术指标。必须采用设计、制造和使用专用压型胎具和规范的退火热处理工艺来满足零件的使用要求。双锥垫片属备品备件中易损件，按照供货合同要求提供300%备件，共计数量：8件，其中2件属设备水压试验使用，6件为正常使用更换的备品备件。

图2 双锥垫片

2 材料

垫片选材为紫铜（T2），它是工业紫铜的一种，具有良好的导电性、导热、耐腐蚀、可塑性和加工性能，硬度较低，能确保金属面与法兰密封面紧密贴合，被广泛用于机械、化工设备、管道等的密封材料。材料标准：GB/T 2040—2008，退火软状态[2]，表面HB35～45，其化学成分如下表1其热处理状态不同，力学性能也不同，见表2[3]。为保证双锥垫片的质量要求，对材料进行复验。复验合格后进行才能进行后续工序的加工制造。

表1 T2紫铜化学成分

表2 T2紫铜力学性能

3 工艺过程

双锥垫片的成型过程属于金属的拉延过程，材料在受到外力作用，内部产生应力，发生塑性变形的过程。软态紫铜材料强度低、变形程度小，存在微量的冲压减薄量，所以材料规格的选材上以后上偏差为基准即厚度δ=1．6mm，以保证成型后满足图纸设计要求。

3.1 下料

经放样展开成品尺寸为环状，内外圆为φ584/φ636，为保证双锥垫片的成型和公差要求，避免拼接焊缝影响零件的平面度和使用密封效果，不允许拼接，采用水刀下整圆料，去除边缘毛刺。充分考虑后续工序的成形、热处理工艺要求，按外圆φ750mm下料，中间留有φ28热处理吊装工艺孔， 在并在上、下表面标识出成品零件的尺寸要求，防止在后续操作过程中损伤零件表面。整个下料过程均应采取措施保护上下表面无损伤等缺陷的发生。

3.2 压型

利用公司现有设备油压机，根据零件较薄、刚性差是成形制造加工特点，设计专用成型胎具进性操作。双锥垫片为非标尺寸，数量少，胎具使用频率不高等特点，材料选用常规碳钢Q235-A。垫片30°锥面成型是零件的关键，也是胎具设计关键。根据成型受力分析，采用组合胎具进行成型，锥面以基本角度的最大偏差角度为设计基准α=30°15´设计相关锥面尺寸及间隙等几何参数。胎具采用上模、压边圈、下模的结构，如图3所示[4]。为防止垫片在成型过程中表面起皱、鼓包、表面裂纹、偏斜等表面缺陷产生，与垫片接触表面胎具粗造度不低于零件表面粗造度，应达到Ra=3．2um；并且在表面涂润滑剂，便于与零件完全接触。

双锥垫片外形尺寸较小、锥面受力的特点，成型方式采用2次冲压成型的方法。第1次压型，冲压时，上模缓慢下降，速度不应过快，一般不超过10mm/秒；加压压型过程循序增加，防止增压迅速造成零件断裂，临近冲压终点均匀卸压。使零件外形基本尺寸达到图纸要求；第2次校型，使零件的外形公差尺寸符合图纸要求，操作过程与压型一样，缓慢加压、均匀卸压。

成形后对内、外锥面用5～10倍放大镜进行表面质量检查，无划痕、刮伤、凹陷等缺陷为合格。以内锥面的轴线为基准，外锥面与内锥面的同轴度检测为0．05mm，符合设计图纸要求。

3.3 热处理

T2紫铜在冷成型过程中产生塑性变形，出现冷作硬化现象，表面强度和硬度提高，必须进行退火处理来降低硬度来满足密封性能的使用要求。紫铜退火温度一般为300℃～700℃、根据不同硬度要求采取保温、水淬或炉冷、空冷的方式不同。退火处理能改变紫铜组织晶粒度大小，从而影响紫铜的力学性能，其强度和硬度也随之改变[5]。退火温度不同，导致紫铜的微观组织和硬度不同。退火温度低的硬度高，组织细密，不易压力加工；退火温度高硬度低，组织粗大，易于压力加工。根据设备密封性能要求，选用退火温度较高硬度低的原则。选用电炉加热，室温装炉，升温速度≤200℃，加热温度650±10℃，保温60min，空冷。热处理前，对成型的双锥垫片进行硬度检测HB50～55，硬度高于要求硬度指标。为防止双锥垫片热处理过程中表面氧化，表面涂保护性涂料，厚度0．20mm，涂刷两遍，上、下表面均匀涂抹，待第一遍完全晾干后在涂第二遍。由于垫片较薄，刚性较差，将8个零件分2组同炉热处理。装炉采用专用夹具，用“十”支承将4个垫片倒置通过工艺孔φ28悬挂于设备中心，便于充分受热。出炉时，直接取出便于操作。经退火处理降低表面硬度，检测表面硬度HB35～45，符合设计图纸要求。

3.4 机加

零件由于厚度较薄，刚性较差，易变性，直接无法加工，采用压型胎具上模四爪装夹定位，加工设备为普通车床（型号：C630）。以胎具上模下平面为基准找正，将双锥垫片垂直方向置于上胎表面，使锥面与胎具锥表面贴近贴实，保证垂直方向定位准确。水平方向采用小于成品尺寸φ584mm的厚度10mm、外圆φ550mm不锈钢工艺顶板和车床尾座顶紧，增加零件刚性，防止零件水平移动。加工时，采用低速低进给的方式，车床转速100转/分钟。用30°尖刀去除工艺留量尺寸、直接加工高度和外圆尺寸；用90º切刀加工内径尺寸φ584mm。零件成形加工完成。

为提高双锥垫片的密封性能、工艺性和经济型，使之能与接触连接件完全紧密贴合，成形后全表面进行镀银处理。银的纯度应不低于99．99%，其镀层厚度为0．10～0．15mm，镀层厚度均匀，镀银后尺寸符合图纸要求。

4 结束语

主泵试验压力容器进行水压试验时，使用公司首次生产的双锥垫片，达到预期密封效果，水压试验一次性合格。设备于2009年投入使用至今，密封效果良好，未出现任何质量问题。双锥垫片在公司首次成功制造，不仅证实了生产过程中成形胎具设计、热处理规范、正确、有效，同时也证实公司具备生产同等类型双锥垫片的技术能力和水平，也充分利用有效利用公司资源，节省制造成本和经济费用，也为后续高压容器双锥环的制造积累了经验。后续公司制造的高压加氢反应器、高压甲烷预热器、高压最终反应器等设备也采用双锥密封结构，极大地提升了公司生产高压容器在同行中的技术能力和制造水平影响力。