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雙錐墊片的制造工藝技術(shù)

2018-11-01 07:23:16楊美昆
中國特種設(shè)備安全 2018年9期
關(guān)鍵詞:雙錐胎具紫銅

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)計壓力為6.4~35MPa,設(shè)計溫度為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)備主螺栓預緊,產(chǎn)生塑性變形達到初始密封;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類高壓容器主泵實驗壓力容器采用雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu),設(shè)計溫度350℃、試驗壓力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)的材料進行工藝性沖壓試驗并且經(jīng)濟費用較高,影響設(shè)備整體制造進度要求。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)濟費用,保證質(zhì)量,借鑒同類材料的加工經(jīng)驗,首次在公司加工制造。從原材料、下料、壓型、熱處理、機加等關(guān)鍵環(huán)節(jié)嚴格工藝過程和質(zhì)量控制,一次成功加工8件。經(jīng)檢驗,無論是雙錐墊片外形基本尺寸、公差要求還是硬度指標全部符合設(shè)計圖紙要求,為設(shè)備水壓試驗奠定了良好的基礎(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,使用時對稱分布在雙錐環(huán)上、下斜面上,錐面緊貼硬度較高的雙錐環(huán)斜面。受到螺栓預緊力作用產(chǎn)生徑向塑性變形,實現(xiàn)密封功能。因此,雙錐墊片的成型、硬度技術(shù)指標是零件的關(guān)鍵技術(shù)指標。必須采用設(shè)計、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,共計數(shù)量:8件,其中2件屬設(shè)備水壓試驗使用,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,具有良好的導電性、導熱、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,被廣泛用于機械、化工設(shè)備、管道等的密封材料。材料標準:GB/T 2040—2008,退火軟狀態(tài)[2],表面HB35~45,其化學成分如下表1其熱處理狀態(tài)不同,力學性能也不同,見表2[3]。為保證雙錐墊片的質(zhì)量要求,對材料進行復驗。復驗合格后進行才能進行后續(xù)工序的加工制造。

表1 T2紫銅化學成分

表2 T2紫銅力學性能

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)生應力,發(fā)生塑性變形的過程。軟態(tài)紫銅材料強度低、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即厚度δ=1.6mm,以保證成型后滿足圖紙設(shè)計要求。

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、下表面標識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。整個下料過程均應采取措施保護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,根據(jù)零件較薄、剛性差是成形制造加工特點,設(shè)計專用成型胎具進性操作。雙錐墊片為非標尺寸,數(shù)量少,胎具使用頻率不高等特點,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)計關(guān)鍵。根據(jù)成型受力分析,采用組合胎具進行成型,錐面以基本角度的最大偏差角度為設(shè)計基準α=30°15′設(shè)計相關(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,應達到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,成型方式采用2次沖壓成型的方法。第1次壓型,沖壓時,上模緩慢下降,速度不應過快,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,臨近沖壓終點均勻卸壓。使零件外形基本尺寸達到圖紙要求;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。

成形后對內(nèi)、外錐面用5~10倍放大鏡進行表面質(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,外錐面與內(nèi)錐面的同軸度檢測為0.05mm,符合設(shè)計圖紙要求。

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,表面強度和硬度提高,必須進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性能,其強度和硬度也隨之改變[5]。退火溫度不同,導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,對成型的雙錐墊片進行硬度檢測HB50~55,硬度高于要求硬度指標。為防止雙錐墊片熱處理過程中表面氧化,表面涂保護性涂料,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,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)計圖紙要求。

3.4 機加

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:C630)。以胎具上模下平面為基準找正,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,保證垂直方向定位準確。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。加工時,采用低速低進給的方式,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)濟型,使之能與接觸連接件完全緊密貼合,成形后全表面進行鍍銀處理。銀的純度應不低于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

主泵試驗壓力容器進行水壓試驗時,使用公司首次生產(chǎn)的雙錐墊片,達到預期密封效果,水壓試驗一次性合格。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,不僅證實了生產(chǎn)過程中成形胎具設(shè)計、熱處理規(guī)范、正確、有效,同時也證實公司具備生產(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)濟費用,也為后續(xù)高壓容器雙錐環(huán)的制造積累了經(jīng)驗。后續(xù)公司制造的高壓加氫反應器、高壓甲烷預熱器、高壓最終反應器等設(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。

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