Xu Xiaodong, Huang Zhiguo, Faculdade de Petróleo de Chengde, Chengde
Resumo: Por meio da análise técnica das condições de serviço e das causas de falha do corpo Junta giratória, são examinados os fatores internos por trás da curta vida útil deste produto. Sem afetar o desempenho do serviço da peça, a estrutura e o processo de usinagem são aprimorados, e uma rota importante para o aumento da vida útil é identificada.
1. Introdução
O Junta giratória é um acessório importante usado em caminhões de cimentação de campos petrolíferos, caminhões de fraturação, diversos manifolds de alta pressão, dutos e outros equipamentos de alta pressão. Pode ser usado para transportar óleo, água, fluido de fratura e fluidos mistos. Como a pressão máxima de trabalho é alta, a peça precisa ter boas propriedades mecânicas. Juntas giratórias atualmente usados em campos petrolíferos incluem tipos importados e nacionais. As Juntas giratórias importadas têm longa vida útil, mas são caras. A maioria dos Juntas giratórias domésticos é feita de peças forjadas, temperadas e temperadas, e depois usinadas com acabamento. O custo deles é menor, mas a vida útil é menor. Atualmente, muitos fabricantes nacionais aumentam a espessura das paredes para melhorar a vida útil. No entanto, o aumento da espessura da parede não só eleva o custo do material, mas também torna o manuseio inconveniente devido ao peso elevado. Portanto, para estender Junta giratória vida útil, medidas eficazes de processo devem ser tomadas para melhorar as propriedades mecânicas abrangentes da peça.
2. Estrutura da Peça e Causas de Falha
O corpo Junta giratória é feito de 35CrMo. Sua estrutura é mostrada na Figura 1.
Figura 1. Estrutura da peça
Pelo design estrutural do corpo Junta giratória, pode-se ver que o corpo adota um design em formato de arco para reduzir o impacto do fluido de alta pressão. As duas extremidades do corpo são conectadas a dois subs de cotovelo por bolas de aço. As bolas de aço limitam o movimento axial entre as peças e permitem rotação relativa. O ombro de vedação é usado para colocar um anel de vedação em formato de U, e o método de vedação entre o corpo e o subsídio do cotovelo é a vedação na face final. Durante o uso, girar o sub-cotovelo pode ajustar a posição relativa entre os pipelines de entrega para atender aos requisitos do campo. O processo atual de formação para o corpo é forjamento, normalização, furação, dobra a quente, têmpera e têmpera, e usinagem. Como o processo de tratamento térmico é como um todo de têmpera e têmpera, as propriedades mecânicas abrangentes são boas, a dureza é HRC 38-42 e a usinabilidade é aceitável. O dano ao corpo geralmente ocorre de duas formas. Uma é a fratura de desgaste no arco interno do R165. Análises técnicas de campo mostram que, quando fluido misturado é transportado durante a operação, partículas na mistura corroem a parede interna da peça sob alta pressão. Como a dureza da parede interna é baixa e a resistência ao desgaste é baixa, o arco interno do R165 torna-se o ponto fraco. Outro é que a dureza interna do sulco do canal é baixa e sua precisão não atende aos requisitos de serviço, causando desgaste sério no sulco do canal e tornando a rotação do corpo inflexível ou até mesmo presa.
3. Medidas de Processo
Diante da situação acima, melhorar o processo existente, aumentar a dureza e resistência ao desgaste na superfície interna, e melhorar a precisão da usinagem são caminhos importantes para aumentar a vida útil da peça.
3.1 Melhoria do Processo de Conformação
O design original do processo é basicamente razoável tanto na seleção de materiais quanto na rota do processo. No entanto, ele não consegue atender à alta exigência de resistência ao desgaste da peça, que é a razão fundamental para sua vida útil relativamente curta. Se o tratamento térmico for alterado para têmpera geral, a resistência ao desgaste será significativamente melhorada, mas as propriedades mecânicas abrangentes, especialmente a resistência ao impacto, diminuirão. O modo de falha da peça muda, e a vida útil ainda não melhora. O endurecimento por indução de alta frequência é um método de tratamento térmico para aumentar a dureza superficial. Se a superfície interna do corpo for endurecida por indução após a têmpera e têmpera gerais, as propriedades mecânicas abrangentes podem ser mantidas enquanto a dureza da superfície interna é significativamente aumentada. Portanto, o processo original é aprimorado da seguinte forma: forjamento, normalização, perfuração, flexão a quente, têmpera e têmpera geral, torneamento, endurecimento por indução de alta frequência na superfície interna e retificação do sulco do canal.
O processo aprimorado mantém a característica original do processo, ou seja, as propriedades mecânicas abrangentes da peça, enquanto adiciona um endurecimento por indução de alta frequência à superfície interna. Após o endurecimento por indução, a dureza da superfície interna atinge HRC de 50-55. A camada endurecida tem cerca de 3 mm de profundidade, e dureza e resistência ao desgaste melhoram significativamente. No entanto, a maior dureza do sulco do canal dificulta a curva, então o sulco após o endurecimento por indução é finalizado por esmerilamento. Isso não apenas atende aos requisitos de desempenho de serviço da peça, mas também reduz a rugosidade superficial do sulco da pista em relação ao valor Ra original e melhora significativamente a precisão da peça.
Devido à estrutura especial da peça, a escolha do datum de posicionamento durante a retificação é fundamental. Se o eixo e a face final do círculo externo phi 110 forem usados como dados de posicionamento, a fixação durante a usinagem torna-se inconveniente e o erro cumulativo aumenta porque o datum de posicionamento e o datum de usinagem não coincidem. Portanto, ao projetar o fixador da máquina de moer, e considerando a conveniência do clamp, um processo de localização do ombro é projetado na face final do corpo. O eixo desse processo de localização do ombro e o eixo do sulco da pista são projetados como o mesmo datum de usinagem, conforme mostrado na Figura 2. O tamanho do processo localizando o ombro não afeta a conexão entre o corpo e o subsídio do cotovelo e não afeta a força do corpo. Usar a face externa e o eixo do processo localizar o ombro como datums de posicionamento pode atender aos requisitos de retificação do sulco do canal.
Figura 2. Diagrama de projeto de processos
3.2 Seleção do Material de Esmerilização
Após o endurecimento por indução em alta frequência, a dureza e a resistência ao desgaste do sulco do canal Junta giratória corpo são significativamente melhoradas. No entanto, se o material da roda de moagem for selecionado incorretamente durante a moagem, podem ocorrer queimaduras de moagem e rachaduras, então a escolha do material de moagem é crítica.
O nitrueto cúbico de boro (CBN) é um dos materiais de corte mais duro. Comparado ao diamante, o CBN possui as seguintes vantagens.
Primeiro, ela possui excelente dureza vermelha e ainda pode manter boa dureza em alta temperatura (1200 °C). Segundo, o diamante tende a grafitizar quando em contato com aço, enquanto o CBN tem resistência mecânica duas vezes maior que a do diamante. Mais importante ainda, os cristais de CBN possuem bordas de corte excepcionalmente boas e geram menos calor durante a operação, o que ajuda a reduzir queimaduras superficiais e rachaduras no sulco do canal. Para dar à roda de moagem uma longa vida útil, os parâmetros de corte devem ser selecionados de forma razoável. A velocidade normal de corte de uma moeira CBN é de 40 m/s, a taxa de avanço é de 500 a 1200 mm/min, e a profundidade de corte pode ser selecionada conforme a situação. Em geral, os fatores que determinam os parâmetros de retificação são principalmente a deformação por tratamento térmico e a precisão final da peça de trabalho.
4. Resumo
Em resumo, os principais fatores que determinam Junta giratória vida útil da carroceria são o material da carroceria e as propriedades mecânicas após o tratamento térmico. A têmpera e o têmpero podem atender a requisitos abrangentes de propriedades mecânicas, como resistência ao impacto, enquanto o endurecimento por indução de alta frequência da superfície interna pode atender a requisitos de alta dureza e alta resistência ao desgaste. O principal fator que determina a precisão da peça é a rigidez geral do sistema composto pela roda de retificação, peça de trabalho e fixação da máquina-ferramenta. Atender a esses requisitos pode melhorar significativamente a vida útil da peça.
