2″—105MPa紧急卸荷阀阀座研磨装置的研制

许菊荣等

摘要：阀座是紧急卸荷阀的核心部件，如何保证其加工精度、表面粗糙度精度、形位公差精度很重要，如何提高生产效率和加工质量，是当前需要解决的问题。现提供一种机械夹持阀座装置，该装置能在阀座内球面和研磨头之间保持一定的正压力，而且能像人的手腕一样绕动，以代替人工进行阀座的研磨。

关键词：紧急卸荷阀；阀座；研磨装置；内球面；研磨头 文献标识码：A

中图分类号：TE937 文章编号：1009-2374（2015）06-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0441

1 现状分析

2″-105MPa紧急卸荷阀主要应用于压裂车、固井车、钻井泥浆泵等高压设备的紧急溢流装置，在泵等高压设备超压时，能自动泄压，在压力恢复正常时，能自动关闭，在不停机的情况下，实现安全保护和正常生产。阀内与钢球配合起密封作用的零件叫阀座，阀座的密封面为一个半径为R17.46mm的内球面。该设备主要靠钢球和阀座金属面硬密封，在金属与金属通过内、外球面密封的产品，其密封性能取决于密封球面的硬度、球面的精度和表面粗糙度。对应用于石油勘探、开采领域的高压阀件产品，要求能够其内腔存在压力为105MPa流体时，仍然保持良好的密封性能，所以，要求其内、外球面的硬度大、球面的半径公差不大于0.002mm，表面粗糙度不大于Ra0.2m，对于钢球这样的外球面，在球磨机上加工，即可保证达到上述要求，但对于与其相配合的内球面，在车削之后就必须要进行研磨，才能达到上述要求。在105MPa下保持不泄漏，因此要求阀座表面光洁度和球面度（形位公差）非常高。普通车床和数控车床精加工后无法满足要求，在精车后必须进行研磨。现在的研磨方式是手工研磨，其方法是在车床上三爪夹持一个研磨头，研磨头上涂抹研磨砂，启动车床使主轴旋转，手握住阀座在旋转的研磨头上进行研磨。采用手工研磨，效率非常低，而且经常出现投产一批，报废一批，只有少数几个能成功。

2 原因分析

普通研磨存在很多的问题，存在的问题有：一是效率低，一个人一个工作日只能研磨12～15个阀座；二是劳动强度大，由于手工研磨是靠手来握持，一个阀座大概需要研磨20～25分钟，一个班下来，人非常容易疲劳；三是研磨的质量差，由于手的用力不可能很均匀，所以研磨的球面精度和表面粗糙度都很难达到设计要求；四是存在严重的安全隐患，由于操作工的手臂、衣袖离旋转的主轴太近，很容易被卷到研磨头上。

而且阀座使用的材料为不锈钢材料。此不锈钢韧性大、导热系数小、弹性模量小，不易研磨。阀座加工制造工艺流程为：下料→粗车成型→调质热处理→自然失效→数控车精车→研磨→装配试验。为了解决现有存在的问题，必须研究新的研磨装置。

3 研磨装置的优化

针对普通研磨出现的状况，我们对研磨的工装进行改进，研制了如图1所示的仿生腕装置：

仿生腕装置的原理为：在车床主轴1轴端的三爪2上夹持一个研磨头4，研磨头4在车床主轴的带动下，以一定的转速旋转。在车床的中拖板17上安装一个53型涡轮减速机16（传动比i=40，最大输出功率200W），仿生腕的曲柄13的一端焊接一个轴套，该轴套通过平键与减速机的输出轴相连。在仿生腕的曲柄13上的一定位置上通过紧固螺母15连接一个定位套14，行星转轴12穿在定位套14中，两者可以相对转动。行星转轴的左端连接一个万向节11，该万向节11为仿生腕提供一个球铰。万向节11的左端与行星转轴12铰接，右端与弹簧座8铰接，左右两个铰链的轴线相互垂直。弹簧座8与夹头6之间用一个滑动键7相连，以保证弹簧座8与夹头6之间不能相对转动，只能沿轴向相对移动。在弹簧座8和夹头6的空腔内装有一个弹簧9。通过移动车床大拖板使弹簧9压缩，从而提供研磨头4与待研零件3之间的接触压力。为防止夹头6与弹簧座脱落，设计了防脱螺栓10，防脱螺栓10是穿过弹簧座8中间的孔与夹头连接的，这样，就能保证夹头6只能在弹簧座8内的一定范围内移动。

研磨时，先将定位套14在曲柄13的滑槽内调整位置，以确定仿生腕绕动的球面转角。其他零件按图示连接好，在研磨头上涂抹一层研磨砂。移动车床大拖板，使待研产品3与研磨头4的内、外球面相接触，再继续移动大拖板5～10mm，压缩弹簧9，启动机床、启动仿生腕的减速机，这时，仿生腕就像人手握持待研产品3在研磨头4上进行研磨一样，使待研产得到研磨。

4 与现有技术相比的有益效果

（1）由于仿生腕是靠弹簧来产生待研产品和研磨头之间的压力，因而使得球面的接触压力均匀，研磨所需的时间缩短，平均每个阀座的研磨时间约为6分钟。一个班能研磨70～80个。提高效率5倍左右；（2）降低人的劳动强度，研磨时，人工只需将产品装在夹头内，移动一次车床大拖板即可；（3）研磨的质量好。人手握持研磨的阀座装到紧急卸荷阀后进行试压，一次试压通过率不足15%，85%以上的阀座都需要返工。采用仿生腕研磨的阀座，一次试压通过率在90%以上；（4）采用仿生腕研磨，当车床和仿生腕的电机启动后，人体无须接触车床，完全避免了存在的安全问题；（5）通过合理的研制仿生腕装置后，对产品进行检验，发现钢球和阀座的结合面积基本上达到了100%。通过压力试验显示产品达到了进口同类产品的要求。

5 结语

目前，国外压裂施工配置2″×105MPa高压管汇已相当普遍。而制约我国资源利用率和油气田持续稳产关键问题是现有的国产压裂装备的作业能力偏低。现有的高压管汇阀门产品大都依赖进口。由于该产品制造技术由少数公司垄断（国外也只有ANSON、SPM、FMC等几家少数公司也是在近几年才开始生产制造），进口产品价格昂贵，交货周期长，加上零配件不能保证及时供应，产品服务跟不上油田作业的需求，而且不能完全满足我国油气田的作业工艺特点，这大大制约了我国压裂装备的发展和非常规油气资源的开采效率。所以，2″-105MPa紧急卸荷阀研磨装置的研制是很有必要的，不仅使我厂产品达到国际先进水平，并为各油田提供安全可靠、质量过硬的零部件，对原有进口的设备的维修、更换提供有力的保障。对于我国油田市场发展和油田的安全工作有着十分重大的意义。

参考文献

[1] 孙凤池.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.

作者简介：许菊荣（1983-），湖北仙桃人，供职于中石化石油工程机械有限公司第四机械厂。

（责任编辑：周 琼）