采油树用平板阀多向模锻成形工艺研究

文／张家伟，王楠楠·中冶重工(唐山)有限公司

任杰，曹峰华，牛龙江，胡红磊·上海电机学院

采油树是自喷井和机采井等用来开采石油的井口装置，平板阀作为采油树零部件的一部分(如图1)，承担着开启和截断管道介质，并控制高压介质按照人为的需要流向指定地方的任务。在钻采工艺中，要求阀门具有寿命长、制造工艺好、冲蚀作用小、成本低等特点。

图1 采油树和平板阀

图2 采油树平板阀锻件图

平板阀的成形制造工艺上多采用锻造方式，目前锻造成形主要有模锻和多向模锻两种成形方式。模锻成形会在原材料上较多向模锻增加15%～20%的投入，同时模锻成形产品需要对外观分模面处的切边毛刺进行简单的打磨，增加了额外的人工成本。本文针对采油树平板阀产品介绍一种采用多向模锻成形的新工艺。

锻件图

锻件材质为35CrMo，总质量为82kg，阀门整体呈现为主阀体上端部尺寸大，下端部尺寸小，同时主阀体与两侧法兰通过外径尺寸较小的脖颈型结构相连接。

多向模锻成形工艺方案制定

针对该类型平板阀锻件，采用多向模锻成形工艺能够更好地保留金属内部纤维组织流线以及节约原材料成本，锻件整体结构为：两侧带有较大法兰，同时主阀体上部法兰体直径较大，下端阀体外径尺寸较小，在多向模锻成形工艺制定方面难以选用棒材一火一锻成形，需要在终锻前对原材料进行制坯。

模具结构设计

该锻件产品水平法兰用料占阀体整体质量较大，同时主阀体形状为上大下小非对称结构，因此需要对坯料进行镦粗聚料，再进行多向模锻挤压成形。阀体锻件下端外径尺寸为133.1mm，上端部外径尺寸为180.1mm，选用与阀体锻件底部外径尺寸相近的圆棒坯料为宜，此处选用直径140mm 金属棒料进行预镦，预镦模具结构如图3(a)所示。终锻-多向模锻模具结构见图3(b)，多向模锻模具采取上下结构的水平分模方式，通过上、下模具的靠模实现模具型腔的闭合，在设备的三个不同方向安装冲头，实现金属在封闭型腔内挤压流动成形。

图3 预锻模具和终锻-多向模锻模具图

力学模型建立

该锻件成形步骤分为两步，采用Deform-3D 有限元软件进行力学模型建立以及成形模拟分析，第一步进行坯料预镦聚料，第二步进行多向模锻挤压成形。预锻力学模型见图4(a)，终锻-多向模锻力学模型见图4(b)。模拟选用材料库中的AISI-4140，坯料设定温度1220℃，模具温度设定200℃。

图4 力学模型

成形工艺流程

通过有限元仿真分析软件Deform-3D 进行预锻和多向模锻成形模拟分析，如图5(a)所示将加热好的坯料放置于预锻模具型腔中，通过预镦冲头挤压镦粗坯料，预锻件不必完全填满型腔，预锻坯大端外径达到90%以上与模具型腔贴合即可，如图5(b)所示。

图5 预锻成形工艺流程

将第一步预锻结束的预锻坯从预锻模腔中取出，转移至多向模锻下模型腔中，上模具合模，如图6(a)所示；通过主冲头对预锻坯进行主阀体挤压成形，直至主冲头到达设定的位置为止，如图6(b)→6(c)→6(d)→6(e)所示；最后通过两侧对称的水平冲头对金属坯料进行水平端部法兰成形。

图6 终锻-多向模锻成形工艺流程

在成形过程中需要注意的是：由于金属坯料在受到主冲头挤压时，金属坯料在型腔中沿着水平脖空腔向侧向流动，挤出侧向型腔的金属，外径尺寸接近水平脖空腔的尺寸，造成挤出水平空腔部位的金属为细长形且偏向主冲头运动方向一侧，水平方向在没有水平冲头干预的前提下，该部位金属镦粗成形时会出现折叠缺陷。因此，该锻件成形时需要将水平冲头的位置提前设定，对主阀体流入侧腔的金属进行事先干预，确保水平端法兰不产生折叠缺陷。图6(f)为多向模锻工艺成形结束后的状态，此时退回水平冲头和主冲头，打开上模，下顶出结构顶出锻件，即可获得外观质量完好、尺寸合格的平板阀锻件产品。

成形载荷分析

在生产之前，通过有限元软件的模拟分析可以预先获得锻件成形所需要的成形载荷初始数据，作为后续产品试制的数据参考，有效地降低试制成本的过度投入。通过有限元模拟分析可知，对坯料进行镦粗聚料成形，预镦冲头挤压载荷为2.79MN；将预锻坯取出直接转入多向模锻模具型腔中，主冲头挤压载荷为11.5MN；水平冲头对锻件法兰进行挤压成形，达到金属完全充满型腔时的最大成形挤压载荷为23.9MN。

产品热试

选用35CrMo 材质坯料进行热试试验，首先将直径140mm 的圆棒料放入加热炉中加热，温度设定为1220℃，保温一定时间后出炉进行预锻和多向模锻挤压成形，获得的锻件产品如图8 所示，锻件产品外观质量良好，主阀体及水平端法兰圆角充填饱满，无折叠、毛刺等缺陷。

图8 热试后获得的锻件

结束语

锻件产品采用多向模锻工艺成形时，不必要拘泥于一火一锻成形，灵活的制坯工步能够获得更加复杂的锻件产品，尤其针对该类型的采油树类平板阀锻件的成形，成熟且灵活的制坯工序能够获得外观较好的锻件产品，生产过程中要着重关注坯料的温降，如果预锻后的坯料温度降到950℃以下，建议预锻坯回炉继续保温一定时间，出炉清除氧化皮后继续开展终锻-多向模锻工序，这样能够保证锻件成形时设备输出载荷小，同时能够确保法兰圆角充填饱满，获得合格的锻件产品。