Xu Xiaodong, Huang Zhiguo, Colegio de Petróleo de Chengde, Chengde
Resumen: Mediante el análisis técnico de las condiciones de servicio y las causas de fallo del cuerpo Unión giratoria, se examinan los factores internos detrás de la corta vida útil de este producto. Sin afectar el rendimiento del servicio de la pieza, se mejora la estructura y el proceso de mecanizado, identificando una ruta importante para aumentar la vida útil.
1. Introducción
La Unión giratoria es un accesorio importante utilizado en camiones de cementación de campos petrolíferos, camiones de fractura, diversos Manifoldes de alta presión, oleoductos y otros equipos de alta presión. Puede utilizarse para transportar aceite, agua, fluidos de fracturación y fluidos mezclados. Debido a que la presión máxima de trabajo es alta, la pieza debe tener buenas propiedades mecánicas. Uniones giratorias actualmente utilizados en campos petrolíferos incluyen tipos importados y nacionales. Las Uniones giratorias importadas tienen una larga vida útil pero son caras. La mayoría de los Uniones giratorias domésticos se fabrican a partir de piezas forjadas, templadas y templadas, y luego se mecanizan con acabado. Su coste es menor, pero su vida útil es más corta. Actualmente, muchos fabricantes nacionales aumentan el grosor de las paredes para mejorar la vida útil. Sin embargo, el aumento del grosor de la pared no solo incrementa el coste del material, sino que también hace que la manipulación sea incómoda debido al mayor peso. Por lo tanto, para prolongar Unión giratoria vida útil, deben adoptarse medidas de proceso efectivas para mejorar las propiedades mecánicas integrales de la pieza.
2. Estructura de la pieza y causas de fallo
El cuerpo Unión giratoria está hecho de 35CrMo. Su estructura se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Estructura de la pieza
A partir del diseño estructural del cuerpo Unión giratoria, se puede observar que adopta un diseño en forma de arco para reducir el impacto del fluido a alta presión. Los dos extremos del cuerpo están conectados a dos subwoofers de codo mediante bolas de acero. Las bolas de acero limitan el movimiento axial entre las piezas y permiten una rotación relativa. El hombro de sellado se utiliza para colocar un anillo de sellado en forma de U, y el método de sellado entre el cuerpo y el subwoch del codo es el sellado en la cara final. Durante el uso, girar el subwock del codo puede ajustar la posición relativa entre las tuberías de entrega para cumplir con los requisitos de campo. El proceso actual de conformado para el cuerpo es forjado, normalización, taladrado, flexión en caliente, temple y temple, y mecanizado. Dado que el proceso de tratamiento térmico es en conjunto temple y revenido, las propiedades mecánicas integrales son buenas, la dureza es HRC 38-42 y la mecanizabilidad es aceptable. El daño al cuerpo generalmente ocurre de dos maneras. Una es la fractura por desgaste en el arco interior del R165. El análisis técnico de campo muestra que cuando se transporta fluido mezclado durante la operación, las partículas de la mezcla rozan la pared interna de la pieza bajo alta presión. Como la dureza de la pared interior es baja y la resistencia al desgaste es baja, el arco interior del R165 se convierte en el punto débil. La otra es que la dureza de la superficie interna de la ranura del canal es baja y su precisión no cumple con los requisitos de servicio, lo que provoca un desgaste grave en la ranura del canal y hace que la rotación del cuerpo sea inflexible o incluso atascada.
3. Medidas de proceso
En vista de la situación anterior, mejorar el proceso existente, aumentar la dureza y resistencia al desgaste en la superficie interna, y mejorar la precisión del mecanizado son vías importantes para aumentar la vida útil de la pieza de trabajo.
3.1 Mejora del proceso de conformado
El diseño original del proceso es básicamente razonable tanto en la selección de materiales como en la ruta del proceso. Sin embargo, no puede cumplir con el alto requisito de resistencia al desgaste de la pieza, que es la razón fundamental de su vida útil relativamente corta. Si el tratamiento térmico se cambia a un temple general, la resistencia al desgaste mejorará significativamente, pero las propiedades mecánicas integrales, especialmente la resistencia a impactos, disminuirán. El modo de fallo de la pieza cambiará y la vida útil no mejorará. El endurecimiento por inducción de alta frecuencia es un método de tratamiento térmico para aumentar la dureza superficial. Si la superficie interna del cuerpo se endurece por inducción tras el temple y el temple generales, se pueden mantener las propiedades mecánicas completas mientras que la dureza de la superficie interior aumenta significativamente. Por lo tanto, el proceso original se mejora de la siguiente manera: forja, normalización, perforación, flexión en caliente, temple y temple general, torneado, endurecimiento por inducción de alta frecuencia en la superficie interna y rectificado de la ranura del canal.
El proceso mejorado conserva la característica original del proceso, es decir, las propiedades mecánicas integrales de la pieza, mientras añade un endurecimiento por inducción de alta frecuencia a la superficie interior. Tras el endurecimiento por inducción, la dureza de la superficie interna alcanza HRC 50-55. La capa endurecida tiene una profundidad de unos 3 mm, y la dureza y la resistencia al desgaste mejoran significativamente. Sin embargo, la mayor dureza de la ranura del canal dificulta el giro, por lo que la ranura tras el endurecimiento por inducción se termina con rectificado. Esto no solo cumple con los requisitos de prestación de servicio de la pieza, sino que también reduce la rugosidad superficial de la ranura del canal respecto al valor Ra original y mejora significativamente la precisión de la pieza.
Debido a la estructura especial de la pieza, la elección del datum de posicionamiento durante el rectificado es fundamental. Si el eje y la cara final del círculo exterior phi 110 se utilizan como datums de posicionamiento, el sujeción durante el mecanizado resulta incómodo y el error acumulativo aumenta porque el datum de posicionamiento y el datum de mecanizado no coinciden. Por lo tanto, al diseñar el soporte de la rectificadora y considerando la comodidad de sujeción, se diseña un proceso de localización del hombro en la cara final del cuerpo. El eje de este proceso que localiza el hombro y el eje de la ranura de la pista están diseñados como el mismo datum de mecanizado, como se muestra en la Figura 2. El tamaño del proceso que localiza el hombro no afecta a la conexión entre el cuerpo y el subterráneo del codo ni afecta a la fuerza corporal. Utilizar la cara exterior y el eje del proceso para localizar el hombro como datums de posicionamiento puede satisfacer los requisitos de rectificado de la ranura del canal.
Figura 2. Diagrama de diseño de procesos
3.2 Selección de material de rectificado
Tras un endurecimiento por inducción de alta frecuencia, la dureza y la resistencia al desgaste de la ranura de la Unión giratoria del canal de la carrocería mejoran significativamente. Sin embargo, si el material de la muela de rectificado se selecciona incorrectamente durante el rectificado, pueden producirse quemaduras y grietas por rectificado, por lo que la selección del material de rectificado es crítica.
El nitruro cúbico de boro (CBN) es uno de los materiales de corte más duro. En comparación con el diamante, el CBN tiene las siguientes ventajas.
Primero, tiene una excelente dureza al rojo y aún puede mantener una buena dureza a altas temperaturas (1200 °C). En segundo lugar, el diamante tiende a grafitizarse cuando está en contacto con el acero, mientras que el CBN tiene una resistencia mecánica el doble que la del diamante. Más importante aún, los cristales de CBN tienen bordes de corte excepcionalmente buenos y generan menos calor durante el funcionamiento, lo que ayuda a reducir la quemadura superficial y las grietas en la ranura de la pista. Para dar a la muela de rectificado una larga vida útil, se deben seleccionar razonablemente los parámetros de corte. La velocidad normal de corte de una muela de rectificado CBN es de 40 m/s, la velocidad de avance es de 500-1200 mm/min, y la profundidad de corte puede seleccionarse según la situación. En general, los factores que determinan los parámetros de rectificado son principalmente la deformación por tratamiento térmico y la precisión de la pieza final.
4. Resumen
En resumen, los principales factores que determinan Unión giratoria vida útil de la carrocería son el material de la carrocería y las propiedades mecánicas tras el tratamiento térmico. El temple y el temple pueden cumplir requisitos integrales de propiedades mecánicas, como la resistencia al impacto, mientras que el endurecimiento por inducción de alta frecuencia de la superficie interior puede cumplir con requisitos de alta dureza y alta resistencia al desgaste. El principal factor que determina la precisión de la pieza es la rigidez general del sistema compuesto por la muela de rectificado, la pieza de trabajo y el soporte de la máquina-herramienta. Cumplir con estos requisitos puede mejorar significativamente la vida útil de la pieza.
