高压活动弯头体失效分析及延长使用寿命的措施

门超++徐晓东++苏海青++孙剑波++山红伟++苏浩男

摘 要：针对高压活动弯头体频繁失效和使用寿命缩短的问题，通过深入分析，找到了失效主要原因，并在此基础上提出了新的成型工艺，经过新工艺的实施与评估，表明了该工艺能有效降低高压活动弯头体的失效几率，延长高压活动弯头体的使用寿命，降低石油输送类企业的运营成本。

关键词：失效原因；磨削夹具；砂轮修正

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.040

1 引言

高压活动弯头由高压活动弯头体（以下简称弯头体）、弯接头和由壬等组成，是油气输送设备上的重要配件，具有输送流体畅，密封性能好，承受载荷大等特点，可在多个方向上旋转定位，其主要材料是35CrMo等合金结构钢。随着我国石油输送类产业的快速发展，高压活动弯头的需求量也越来越大，由于高压活动弯头工作环境非常恶劣，长期承受高压流体的冲击，因此经常会出现弯头磨损、断裂甚至弯头体“卡死”等失效现象，使用寿命往往不达标[1]。针对以上问题，主要采用“进口”替代“国产”的办法来解决，但进口弯头价格昂贵，不利于大规模推广，而国产高压活动弯头虽然具有价格优势，但使用寿命却不稳定，为了维持企业的正常运转，只能频繁更换高压活动弯头，致使企业的运营成本长期居高不下，为了解决高压活动弯头使用寿命不稳定的问题，部分企业采用了增加高压活动弯头壁厚的制造工艺，但由此也造成了高压活动弯头过于笨重和成本上升的新问题，因此亟需探索一种新的工艺方案，在延长高压活动弯头使用寿命的同时降低其生产成本。

由于弯头体是高压活动弯头中承受载荷最大、工艺最复杂的零件，也是最容易失效的零件，因此延长弯头体的使用寿命是解决高压活动弯头使用寿命的关键。

2 高压活动弯头体失效分析

2.1 弯头体的结构

高压活动弯头体的结构如图1所示，其圆弧管道是由直管煨弯所形成的，主要目的是提高流体流动的顺畅性以及减缓流体对管道的冲击，实现弯头体使用寿命的延长，弯头体整体呈对称结构，两端各设有一个接头，接头内部设有轴向距离为18 mm的两个滚道槽，滚道槽顶部设有一个φ8的通孔，滚珠经该通孔被压入到滚道槽中，通过滚珠将弯头体两个端面与两个弯接头分别连接起来，这样既实现了管道连接又能使两者相对转动，为管道的安装提供很大的便利，此外为了提高高压活动弯头的密封性，在弯头体内部端面上设置一个密封圈，用以保障高壓活动弯头体在高压流体的持续冲击下不泄漏。

2.2 弯头体失效的原因

国产弯头体失效的主要因素有两个，一是弯头体长期承受高压流体颗粒的冲击，当管道内部硬度和耐磨性不足时，容易造成弯头体破裂损坏，尤其是在圆弧管道内壁处，此处承受的冲击载荷最大，因此也最容易出现问题[2]。二是由于工艺原因，弯头体和弯接头连接处的滚道槽加工精度、硬度和耐磨性往往不满足使用要求，滚道槽在高压流体颗粒的长期冲刷下，很容易钻进一些流体颗粒，在流体颗粒的反复作用下，滚道槽就会出现 “卡死”的现象。而要解决上述问题，一方面需要提高弯头体管道内壁包括滚道槽的硬度和耐磨性，另一方面则需要提高滚道槽的加工精度，以降低表面粗糙度，减少使用过程中的磨损，从而避免出现上述问题[3]。

3 弯头体成型工艺的设计与实施

3.1 弯头体成型工艺的设计

原有的成型工艺如图2所示，坯料经锻造后先进行正火处理，使晶粒得到细化，硬度得到调整，再对其进行内孔钻削与外表面车削加工，接着对其进行煨弯，使弯头体的外部形状基本成型，然后对其进行调质处理，以增强弯头体的综合力学性能，最后对其端部进行车削加工（包括端面、内孔和滚道槽）。

原工艺在实施后经检验，基本满足了使用要求，但因管道内壁硬度和耐磨性不够，弯头体在使用过程中会经常出现破损现象，此外滚道槽的加工精度、硬度和耐磨性问题也比较突出，因此工艺改进的落脚点是延长弯头体的使用寿命，这就要求既要满足管道内壁尤其是圆弧内孔处的硬度和耐磨性要求，同时又要保证弯头体的韧性、抗冲击性等综合力学性能在使用时不降低。而要达到上述目的，就必须在原有车削工艺之后增加内表面高频淬火工艺，以提高弯头体内表面的硬度和耐磨性，同时保持心部良好的韧性和抗冲击性，但此工艺实施后也会带来滚道槽硬度过高的问题，不利于滚道槽的车削精加工（由于滚道槽精度和粗糙度要求很高，因此在内表面高频淬火之后还需进一步加工），因此还需增加一道磨削工序，以提高滚道槽加工精度，降低表面粗糙度，延长弯头体的使用寿命[4]。改进后的新成型工艺如图3所示。

3.2 弯头体成型工艺的实施

考虑到弯头体外形的特殊性，为了保障滚道槽的磨削质量，专门设计了磨削夹具和砂轮修整器，修整器的结构如图4所示。磨削夹具用于弯头体的装夹，并按定位要求，安装在M250磨床上。砂轮修整器用于将砂轮外圆磨削成与滚道槽匹配的形状，并保证其精度符合使用要求。因弯头体端部经过煨弯，因此其外圆和端面不便于定位，可在弯头体端部加工一个止口，止口的结构如图5所示，以止口的轴线作为滚道槽的工艺基准，以止口的端面作为管道的轴向定位基准，这样既便于磨削装夹，也保障了弯头体的磨削质量。

4 结语

弯头体新成型工艺通过在企业的实际应用和评估，证明该工艺能有效地延长高压活动弯头体的使用寿命，显著降低下游企业的运营成本，使企业的经济效益得到提高；不过从长远看，要进一步提高我国高压活动弯头体的使用寿命，一方面要积极引进国外先进的生产工艺和技术，坚持消化吸收和再创新，另一方面则必须重视基础材料方面研究，坚持走自主创新之路，这才是我国在该领域达到世界先进水平的必由之路。

参考文献：

[1]罗华权，王航，何跃等.压裂弯头失效原因分析[J].石油矿场机械，2016，45（06）：54-60.

[2]黄诗嵬.天然气集输管道弯头冲蚀磨损研究[D].西南石油大学，

2016.

[3]郑苏录，郑水法.管道弯头爆裂失效分析[J].管道技术与设备，

2012（02）：56-57.

[4]高万夫，郑雁军，崔立山等.管道弯头磨损特性的研究[J].石油化工高等学校学报，2003（04）：56-60.

基金项目：2016年度承德市科技计划自筹经费项目“提高高压活动弯头体使用寿命的工艺研究”（201606A107）。

作者简介：门超（1977-），男，硕士，讲师，主要研究方向：机械设计制造及其自动化。