隔水管接頭胎模鍛工藝優化和模擬

康海鵬，楊永強，王金鵬，司桂珍

（寶雞石油機械有限責任公司 熱工分公司，陜西 寶雞 721000）

鉆井隔水管作為井口與平臺之間的重要部件，其主要功能是隔離海水、引導鉆具、循環鉆井液、起下海底防噴器組、系附壓井、放噴、補償鉆井船的升沉運動等，在勘探和鉆采平臺、浮式鉆井船上得到了廣泛的應用。其中，鉆井隔水管接頭是海洋鉆機隔水管系統的關鍵部件之一，具有連接隔水管串，固定輔助管線，隔離管內外高壓鉆井液和海水等多種用途。

國外專業制造公司經過40 年的發展，在鉆井隔水管的結構和性能上都取得了顯著的成績，如Cameron 公司的LoadKing 和RF 螺栓法蘭接頭，Vetco Gray 公司的MR-6E 和HMF 接頭，Aker Kvaerner公司的CLIP 接頭，Dril-Quip 公司的FRC 和QMFC接頭等。在國家高新技術研究與發展計劃（863 計劃）海洋技術領域南海重大項目“深水鉆井隔水管系統技術研究”課題的支持下，國內寶雞石油機械公司海洋鉆井隔水管國產化研究工作已經攻克了多道技術難題，取得了多項技術專利[1-3]。

1 傳統胎模鍛工藝存在的問題

從隔水管接頭的結構形式分析，國內外鉆井隔水管接頭主要為法蘭類結構，圖1 為隔水管接頭主要尺寸示意圖。這種法蘭式接頭的特點是：法蘭高度H 小于凸緣直徑D，內孔直徑d 較大，凸臺直徑D1和內孔直徑d 相差小，凸臺端部壁厚薄，最薄處只有十幾毫米，屬于薄壁法蘭鍛件。

圖1 隔水管接頭簡圖

傳統的薄壁法蘭鍛件胎模鍛成形工藝主要有墊環成形和墊模成形[4]。

墊環成形時，工具采用通用或專用墊環，只對法蘭的凸臺部分在胎模內成形，凸緣部分為自由鐓粗，鐓粗后，凸緣部分形成鼓肚，沖孔時容易沖偏，上端面有拉縮現象，需多次滾圓，校孔和修孔，一般采用的較少。

墊模成形時，在墊模內鐓粗坯料預形成法蘭的凸緣和凸臺，然后從法蘭的凸緣部分（正沖）或從法蘭的凸臺部分（反沖）沖擠成內孔，正沖時容易在凸緣和凸臺過渡處與模具間形成空隙產生夾層，反沖時可以使凸臺底部端面圓角充滿，無需翻模，避免了正沖時形成夾層。

墊環和墊模工藝在沖擠內孔時，為了減少坯料表面的拉縮效應，開門沖子的直徑一般為坯料直徑的三分之一左右[5]，由于法蘭凸臺部分直徑與內孔直徑相差較小，進一步限制了開門沖子的尺寸不能過大，導致法蘭內孔余量大，材料浪費嚴重。而且在沖孔過程中，金屬出現逆向流動，受沖頭和墊模的摩擦阻力增大，需要更大的鍛造壓力，能源消耗更大。

2 胎模鍛工藝優化

通過對傳統法蘭胎模鍛工藝分析，進行工藝優化，新胎模鍛工藝分為制坯和成形兩個工步。制坯工步鍛成帶有內孔的法蘭毛坯，合理分配凸緣和凸臺的金屬。成形工步法蘭毛坯在成形組合胎模內，金屬受沖頭的拉延向下流動，形成法蘭的凸臺。新工藝在成形階段金屬向下流動阻力小，有效降低了鍛造壓力，鍛件內孔成臺階形，切近零件內孔形狀，減少了加工余量。

新的胎模鍛模具包括套模、制坯下模、成形下模、成形沖頭。其中套模為通用模具，制坯下模和成形下模可與套模配套組合，實現制坯和成形過程，如圖2 所示。制坯下模帶有定位凸臺，制坯時在坯料表面壓出定位凹槽，便于沖孔時沖頭定位，成形下模的凹槽和鍛件凸臺部分尺寸一樣，凹槽下部帶有通孔，便于成形時對成形沖頭進行導向，防止成形沖頭走偏。成形沖頭的小頭頭部直徑和毛坯的內孔相同，便于成形工步成形沖頭在毛坯內定位。

圖2 制坯組合模具和成形組合模具

鍛造工藝過程：圓柱坯料加熱后在制坯組合模具內墩粗，成形法蘭的凸緣，翻轉模具，套模內反向沖通孔制成法蘭毛坯。法蘭毛坯重新加熱后在成形組合模具內定位，成形沖頭套在毛坯的內孔向下拉伸，帶動金屬向下流動形成法蘭的凸臺，鍛件成形。將鍛件和套模翻轉置漏盤上，向下頂出成形沖頭，鍛件脫模。如圖3 所示。

圖3 鍛件成形過程圖

3 新工藝方案模擬及分析

用CAD 軟件建立毛坯模型，模擬成形工步。為了建模方便，減少計算時間，成形組合模具整體建模，以鍛件的一半進行模擬。

圖4a 為終鍛時鍛件內部溫度場，圖4b 為終鍛時鍛件內部應力場，圖4c 為成形過程鍛造載荷曲線。

圖4 終鍛溫度、應力和成形過程載荷曲線

分析模擬結果可以看出：鍛件終鍛時內外表面因為與模具長時間接觸，溫度下降較快，鍛件內部由于變形劇烈，溫度下降不明顯，分布均勻，金屬塑性較好，利于鍛件凸臺薄壁處的變形。終鍛時鍛件內部凸臺處應力較凸緣處大，鍛件內部整體成壓應力，成形工步鍛件凸緣部分進行了壓實，凸臺處金屬變形量較大。鍛造過程前期載荷較平穩，隨著成形沖頭向下運動，鍛件與模具摩擦阻力增大，鍛件的變形抗力快速增大，載荷曲線變陡，終鍛載荷顯示為2.12×107N，整體鍛件的終鍛合模力約42.4MN。

圖5 為鍛件成形過程速率場，第40 步鍛造初期，隨著成形沖頭向下，法蘭凸臺部分金屬向下流動，凸緣表面部分金屬隨沖頭的擠壓，向上流動，鍛件表面凸起，凸緣內部金屬向凸緣四周流動。第120步鍛造中期，隨著沖頭的深入，法蘭凸緣內部金屬也呈向下流動趨勢。第163 步接近終鍛時，由于大部分金屬充滿模具，剩余金屬的流動趨勢向上，金屬溢出套模上表面，成形沖頭的長度小于成形組合模具深度，上砧面對鍛件表面進行壓平，保證法蘭凸緣部分底角邊緣充滿模具。

圖5 成形過程速率場

整個模擬過程顯示，終鍛件成形良好，金屬流動規律符合鍛件成形過程要求，沒有折疊或充不滿等缺陷顯示，鍛件溫度均勻，塑性良好，鍛造載荷加載平穩，適合在50MN 壓力機鍛造。

4 生產試制

通過模擬分析，隔水管法蘭接頭的胎模鍛優化工藝和模具設計符合鍛件成形要求，可投入模具進行生產試制，試制鍛件材料4130，下料1400kg，下料規格?600，試制設備50MN 鍛造壓力機，坯料按三段式加熱曲線加熱，始鍛溫度1200℃，始鍛溫度下保溫5h，坯料直接在制坯組合模具內鐓粗，反向沖孔，沖連皮制坯。毛坯重新加熱到始鍛溫度，保溫3h，置終鍛組合模具，用成形沖頭進行沖擠成形。試制鍛件成形良好，設備能力足夠，圖6 為試制終鍛件和粗加工后的零件。

圖6 鍛件和零件

5 結論

（1）優化后的隔水管接頭胎模鍛工藝，與傳統胎模鍛工藝相比，鍛件內孔余量大大減少，鍛件減重535kg，占傳統工藝鍛件重量的28%，鍛件尺寸和力學性能均達到了設計要求，加工效率提高。

（2）采用預制坯先沖孔的工藝，相比傳統的實心坯料模具內沖孔成形，避免了金屬逆流，減小鍛造壓力，降低鍛造能耗，金屬流動更符合薄壁法蘭鍛造成形要求。

（3）采用組合式的模具設計方法，提高了模具的通用性和利用率，減少了模具投入，提高了經濟效益。