2″—105MPa緊急卸荷閥閥座研磨裝置的研制

許菊榮等

摘要：閥座是緊急卸荷閥的核心部件，如何保證其加工精度、表面粗糙度精度、形位公差精度很重要，如何提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，是當(dāng)前需要解決的問題。現(xiàn)提供一種機(jī)械夾持閥座裝置，該裝置能在閥座內(nèi)球面和研磨頭之間保持一定的正壓力，而且能像人的手腕一樣繞動，以代替人工進(jìn)行閥座的研磨。

關(guān)鍵詞：緊急卸荷閥；閥座；研磨裝置；內(nèi)球面；研磨頭 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE937 文章編號：1009-2374（2015）06-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0441

1 現(xiàn)狀分析

2″-105MPa緊急卸荷閥主要應(yīng)用于壓裂車、固井車、鉆井泥漿泵等高壓設(shè)備的緊急溢流裝置，在泵等高壓設(shè)備超壓時，能自動泄壓，在壓力恢復(fù)正常時，能自動關(guān)閉，在不停機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)和正常生產(chǎn)。閥內(nèi)與鋼球配合起密封作用的零件叫閥座，閥座的密封面為一個半徑為R17.46mm的內(nèi)球面。該設(shè)備主要靠鋼球和閥座金屬面硬密封，在金屬與金屬通過內(nèi)、外球面密封的產(chǎn)品，其密封性能取決于密封球面的硬度、球面的精度和表面粗糙度。對應(yīng)用于石油勘探、開采領(lǐng)域的高壓閥件產(chǎn)品，要求能夠其內(nèi)腔存在壓力為105MPa流體時，仍然保持良好的密封性能，所以，要求其內(nèi)、外球面的硬度大、球面的半徑公差不大于0.002mm，表面粗糙度不大于Ra0.2m，對于鋼球這樣的外球面，在球磨機(jī)上加工，即可保證達(dá)到上述要求，但對于與其相配合的內(nèi)球面，在車削之后就必須要進(jìn)行研磨，才能達(dá)到上述要求。在105MPa下保持不泄漏，因此要求閥座表面光潔度和球面度（形位公差）非常高。普通車床和數(shù)控車床精加工后無法滿足要求，在精車后必須進(jìn)行研磨?，F(xiàn)在的研磨方式是手工研磨，其方法是在車床上三爪夾持一個研磨頭，研磨頭上涂抹研磨砂，啟動車床使主軸旋轉(zhuǎn)，手握住閥座在旋轉(zhuǎn)的研磨頭上進(jìn)行研磨。采用手工研磨，效率非常低，而且經(jīng)常出現(xiàn)投產(chǎn)一批，報廢一批，只有少數(shù)幾個能成功。

2 原因分析

普通研磨存在很多的問題，存在的問題有：一是效率低，一個人一個工作日只能研磨12～15個閥座；二是勞動強(qiáng)度大，由于手工研磨是靠手來握持，一個閥座大概需要研磨20～25分鐘，一個班下來，人非常容易疲勞；三是研磨的質(zhì)量差，由于手的用力不可能很均勻，所以研磨的球面精度和表面粗糙度都很難達(dá)到設(shè)計要求；四是存在嚴(yán)重的安全隱患，由于操作工的手臂、衣袖離旋轉(zhuǎn)的主軸太近，很容易被卷到研磨頭上。

而且閥座使用的材料為不銹鋼材料。此不銹鋼韌性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小，不易研磨。閥座加工制造工藝流程為：下料→粗車成型→調(diào)質(zhì)熱處理→自然失效→數(shù)控車精車→研磨→裝配試驗(yàn)。為了解決現(xiàn)有存在的問題，必須研究新的研磨裝置。

3 研磨裝置的優(yōu)化

針對普通研磨出現(xiàn)的狀況，我們對研磨的工裝進(jìn)行改進(jìn)，研制了如圖1所示的仿生腕裝置：

仿生腕裝置的原理為：在車床主軸1軸端的三爪2上夾持一個研磨頭4，研磨頭4在車床主軸的帶動下，以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。在車床的中拖板17上安裝一個53型渦輪減速機(jī)16（傳動比i=40，最大輸出功率200W），仿生腕的曲柄13的一端焊接一個軸套，該軸套通過平鍵與減速機(jī)的輸出軸相連。在仿生腕的曲柄13上的一定位置上通過緊固螺母15連接一個定位套14，行星轉(zhuǎn)軸12穿在定位套14中，兩者可以相對轉(zhuǎn)動。行星轉(zhuǎn)軸的左端連接一個萬向節(jié)11，該萬向節(jié)11為仿生腕提供一個球鉸。萬向節(jié)11的左端與行星轉(zhuǎn)軸12鉸接，右端與彈簧座8鉸接，左右兩個鉸鏈的軸線相互垂直。彈簧座8與夾頭6之間用一個滑動鍵7相連，以保證彈簧座8與夾頭6之間不能相對轉(zhuǎn)動，只能沿軸向相對移動。在彈簧座8和夾頭6的空腔內(nèi)裝有一個彈簧9。通過移動車床大拖板使彈簧9壓縮，從而提供研磨頭4與待研零件3之間的接觸壓力。為防止夾頭6與彈簧座脫落，設(shè)計了防脫螺栓10，防脫螺栓10是穿過彈簧座8中間的孔與夾頭連接的，這樣，就能保證夾頭6只能在彈簧座8內(nèi)的一定范圍內(nèi)移動。

研磨時，先將定位套14在曲柄13的滑槽內(nèi)調(diào)整位置，以確定仿生腕繞動的球面轉(zhuǎn)角。其他零件按圖示連接好，在研磨頭上涂抹一層研磨砂。移動車床大拖板，使待研產(chǎn)品3與研磨頭4的內(nèi)、外球面相接觸，再繼續(xù)移動大拖板5～10mm，壓縮彈簧9，啟動機(jī)床、啟動仿生腕的減速機(jī)，這時，仿生腕就像人手握持待研產(chǎn)品3在研磨頭4上進(jìn)行研磨一樣，使待研產(chǎn)得到研磨。

4 與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果

（1）由于仿生腕是靠彈簧來產(chǎn)生待研產(chǎn)品和研磨頭之間的壓力，因而使得球面的接觸壓力均勻，研磨所需的時間縮短，平均每個閥座的研磨時間約為6分鐘。一個班能研磨70～80個。提高效率5倍左右；（2）降低人的勞動強(qiáng)度，研磨時，人工只需將產(chǎn)品裝在夾頭內(nèi)，移動一次車床大拖板即可；（3）研磨的質(zhì)量好。人手握持研磨的閥座裝到緊急卸荷閥后進(jìn)行試壓，一次試壓通過率不足15%，85%以上的閥座都需要返工。采用仿生腕研磨的閥座，一次試壓通過率在90%以上；（4）采用仿生腕研磨，當(dāng)車床和仿生腕的電機(jī)啟動后，人體無須接觸車床，完全避免了存在的安全問題；（5）通過合理的研制仿生腕裝置后，對產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼球和閥座的結(jié)合面積基本上達(dá)到了100%。通過壓力試驗(yàn)顯示產(chǎn)品達(dá)到了進(jìn)口同類產(chǎn)品的要求。

5 結(jié)語

目前，國外壓裂施工配置2″×105MPa高壓管匯已相當(dāng)普遍。而制約我國資源利用率和油氣田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵問題是現(xiàn)有的國產(chǎn)壓裂裝備的作業(yè)能力偏低。現(xiàn)有的高壓管匯閥門產(chǎn)品大都依賴進(jìn)口。由于該產(chǎn)品制造技術(shù)由少數(shù)公司壟斷（國外也只有ANSON、SPM、FMC等幾家少數(shù)公司也是在近幾年才開始生產(chǎn)制造），進(jìn)口產(chǎn)品價格昂貴，交貨周期長，加上零配件不能保證及時供應(yīng)，產(chǎn)品服務(wù)跟不上油田作業(yè)的需求，而且不能完全滿足我國油氣田的作業(yè)工藝特點(diǎn)，這大大制約了我國壓裂裝備的發(fā)展和非常規(guī)油氣資源的開采效率。所以，2″-105MPa緊急卸荷閥研磨裝置的研制是很有必要的，不僅使我廠產(chǎn)品達(dá)到國際先進(jìn)水平，并為各油田提供安全可靠、質(zhì)量過硬的零部件，對原有進(jìn)口的設(shè)備的維修、更換提供有力的保障。對于我國油田市場發(fā)展和油田的安全工作有著十分重大的意義。

參考文獻(xiàn)

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[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：許菊榮（1983-），湖北仙桃人，供職于中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠。

（責(zé)任編輯：周 瓊）