阀体多向模锻技术的研究与应用

文/任运来，彭加耕·燕山大学

李明权，赵文成·二十二冶集团精密锻造有限公司

任杰，曹峰华·上海电机学院

阀体多向模锻技术的研究与应用

文/任运来，彭加耕·燕山大学

李明权，赵文成·二十二冶集团精密锻造有限公司

任杰，曹峰华·上海电机学院

阀门是应用最广泛的部件之一，阀体是阀门的关键零件。阀体技术要求高，且外形复杂内有通道相连。多向模锻技术是从两个或多个方向对包含在可分合模腔内的坯料施加力，使坯料成形的模锻方法。采用多向模锻技术可一次锻造成形出复杂形状的阀体锻件，阀体锻件的尺寸形状更接近零件的尺寸形状，材料利用率高，机械加工量少，经济效益明显；在技术方面，锻件流线分布合理、完整，相对密度高，因此抗应力腐蚀性能好，力学性能优良，尤其是疲劳强度高。

多向模锻及其特点

锻造作为一门古老的技术，人们一直利用它制造工具，发展生产力；现在已成为装备制造、船舶车辆制造以及国防建设行业必需的基础技术。锻件质量决定着机械装备的制造质量，在锻造工艺漫长的发展历程中，所追求的目标一直是改善锻件组织、提高锻件性能，节约原材料、降低成本，减少后续切削加工量。为了完成外壁具有多方向枝丫、中空且侧壁带有凸台的及难变形合金复杂锻件的成形，同时为了防止锻件流线暴露于零件表面，提高特殊环境下锻件的抗应力和抗腐蚀能力，提高材料利用率、减少后续的切削量，提高机械制造的生产效率，又从模锻工艺向多向模锻技术发展。多向模锻以其特殊的成形方式和生产效果，使锻件更好地满足了国民经济各行业发展和国防建设发展的需求，已成为锻造技术中具有良好发展前景的分支。

图1 多向模锻技术

从两个或多个方向对包含在可分合模腔内的坯料施加工艺力，使坯料成形的模锻方法称为多向模锻，如图1所示。为使成形后的锻件能够取出模腔，多向模锻有水平分模和垂直分模，图1a为水平分模，图1b为垂直分模，对于形状特殊的锻件也有多向分模，同其他模锻方法相比，多向模锻有如下特点：

⑴可成形中空且侧壁带有凸台的复杂锻件。

⑵可设置多个分模面，能成形外壁具有多方向枝丫的复杂锻件。

⑶锻件形状尺寸更接近零件，材料利用率高，机械加工量少。

⑷锻件流线完整，抗应力腐蚀好，疲劳强度高。

⑸坯料在三向压应力条件下挤压成形，可提高材料热塑性，允许很大的一次性变形。对于变形温度区间窄的低塑性材料成形具有特别的意义。

⑹多向模锻成形需要在多个方向对模腔内的坯料施加工艺力，因此要用专门的锻造设备——多向模锻压机。

多向模锻技术在阀门制造中的应用

阀门是应用最广泛的部件之一，随着核电、火电、石油等工业技术的发展，对阀门的需求量在逐年增加，对阀门技术要求愈来愈高。传统的铸造成形，对于复杂零件成形容易，造价低，但是铸件中心容易产生气孔、机械性能不是很高，对于核电、火电、石油、化工类行业，多采用锻造方式加工的阀门。

通过锻造生产的阀门能够改善锻件组织结构，保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，还可保证锻件具有良好的力学性能与长久的使用寿命，使锻件能够承受高温、低温、高压等恶劣环境。多向模锻塑性变形能够强烈细化组织，使材料力学性能得到很大提高，锻件各方向变形程度和力学性能大体相同，从而避免了挤压、轧制等其他成形工艺通常出现的各向异性。这也是锻造阀门具有广阔市场的主要原因。

在火电阀门制造中的应用

当前，世界范围内火电仍然是主要的电力资源，为提高热效率，各项参数正逐渐由亚临界到超临界，再向超超临界的方向发展，蒸汽压力高达30～35MPa，蒸汽温度高达593～600℃或更高。在高温、高压、高湿度和酸性气氛中，除了要求阀体、管件有高的强度和良好的耐高温性能之外，还要求阀体、管件有优秀的耐应力腐蚀能力。多向模锻生产的阀体、管件恰恰具备上述技术要求。

在核电阀门制造中的应用

核电站由核岛与常规岛组成，在核电站中，核岛替代了火电机组中的锅炉，核岛阀门除要求具有火力发电的阀门性能外，因内部介质水有强烈的放射性，绝对不允许有泄漏，因此还要求阀门、管件产品具有高的可靠性、安全性，在质量管理方面，比其他行业阀门、管件的技术要求更为严格。核岛必须满足ASME技术标准，该标准把阀门、管件都视作耐压容器。除此之外，为提高核电阀门、管件和结构件的安全性，应尽量减少焊缝数量，因而它们的形状变得更加复杂。只有采用多向模锻技术，才能生产出满足技术要求和复杂形状要求的锻件。

在核电站中，核电阀门、管件和结构件的数量大、应用面广，它们连接整个核电站的三百多个系统，是核电站安全运行的关键附件。据统计，全世界现有核电机组500余座，总装机容量4亿千瓦以上。有闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀、安全阀、主蒸汽隔离阀、球阀、隔膜阀、减压阀和控制阀等；具有代表性阀门的最高技术参数为：最大口径DN1200mm（核3级的蝶阀）、DN800mm（核2级的主蒸汽隔离阀）、DN350mm（核1级的主回路闸阀）；压力约15MPa，温度约350℃。

在石油化工阀门制造中的应用

石化装备中的许多管件、泵、阀体等零部件服役于高压或高温或强烈腐蚀的条件，这些阀体要符合美国API6A标准。采用多向模锻生产这些零件，不仅节材，而且可提高其强度和抗腐蚀能力。典型零部件有井口装置的单闸板、双闸板、有导流孔、无导流孔的锻钢平行式闸阀、泥浆阀、角式节流阀、油田专用平行式调节阀、油田专用直通式止回阀、注水/聚合物专用平行式闸阀、卡箍式平行闸阀、先导式安全阀和止回阀；天然气输送管线应用的单闸板、双闸板、有导流孔、无导流孔的平板闸阀；锻钢三体式、上装式固定球阀；油密封式、压力平衡式旋塞阀；旋启式、蝶式止回阀，通球止回阀；清管阀等。

阀体多向模锻技术研究

根据三通阀体零件的几何形状，可分为无法兰三通道阀体和带法兰三通道阀体。无法兰三通道阀体又可分为等径三通道阀体、不等径三通道阀体。带法兰三通道阀体可分为带主法兰三通道阀体、带侧法兰三通道阀体以及全带法兰三通道阀体。除此之外，还有斜三通道阀体以及多通道阀体。

⑴等径三通道阀体多向模锻技术研究。20世纪90年代，针对石油化工和电力工业建设的需求，当时国家计划委员会确立了“2000t多向模锻及挤压工业性试验”项目，由第一重型机器厂、东北重型机械学院和清华大学共同承担，采用多向模锻技术锻造等径三通道阀体。

⑵不等径三通道阀体多向模锻技术研究。2010年10月，燕山大学与二十二集团冶精密锻造有限公司合作研发了高温高压阀的多向模锻技术，图2是采用多向模锻生产的不等径三通道阀体。

图2 不等径三通道阀体

⑶带主法兰三通道阀体多向模锻技术研究。2013年8月，燕山大学、二十二冶集团精密锻造有限公司和上海电机学院研发了带主法兰三通道阀体的多向模锻技术，带主法兰三通道高温高压阀体必须采用垂直分模的多向模锻技术生产。

阀门多向模锻技术的发展趋势

随着阀门制造业的发展，阀门制造业节能节材和阀门本身性能要求的不断提高，对多向模锻技术的需求将进一步增加。一方面表现在阀体锻件的形状更加复杂，另一方面表现在对阀体锻件的组织性能要求更高。为了满足上述需求，需要在多向模锻设备与工艺两方面进行创新与改进。未来阀门多向模锻技术的发展趋势主要有以下4点。

⑴带侧法兰三通道阀体的多向模锻，当侧法兰大而通道小时，此种阀体采用多向模锻技术成形有很大的难度，但经济效益却十分明显。

⑵多通道阀体的多向模锻。多通道阀体在多向模锻时需要用多个凸模冲头同时压入凹模，采用水平方向有多个液压缸的多向模锻压机或专用工装。由于多通道阀体的几何结构特点，采用多向模锻技术后，可明显提高材料利用率，并减少后续切削加工的难度与加工量。

⑶斜三通道阀体的多向模锻。斜三通道阀体由于侧通道与主通道不垂直，在普通结构的多向模锻压机上实现其多向模锻成形十分困难，需采用特殊结构的多向模锻压机或专用工装进行多向模锻成形。

⑷多法兰多通道阀体的多向模锻。多法兰多通道阀体在锻造时，即使不考虑经济效益，模锻成块状，其外轮廓的切削加工十分困难，因此它的多向模锻技术有特殊的经济效益。

结束语

采用多向模锻技术锻造成形阀体可以明显提高材料利用率，减少后续的机械加工量和切削难度，可显著地提高经济效益并缩短制造周期；采用多向模锻生产的阀体的相对密度高，流线分布合理，可明显地提高阀体的力学性能指标和抗应力腐蚀能力。多向模锻技术在阀门制造领域有着广阔的应用前景。