CN112935276B

CN112935276B - 一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法

Info

Publication number: CN112935276B
Application number: CN202110092101.6A
Authority: CN
Inventors: 胡美娟; 马秋荣; 吉玲康; 池强; 卢迪; 陈宏远; 李为卫
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2021-01-23
Filing date: 2021-01-23
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2041-01-23
Also published as: CN112935276A

Abstract

本发明公开了一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，该方法在进行受力分析后，在打印基底工装上进行打印，先打印一般的三通，将三通翻转后，进行另外一半的打印，该增材制造技术无需模具，克服了传统制造方法的壁厚壁垒，不同方向、厚度的性能和组织和性能均匀一致，力学性能达到甚至超过同等锻件水平，为油气输送用三通的制造提供一条快速、柔性、低成本、高性能和短周期的技术新途径，具有巨大的发展潜力和前景。

Description

一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法

【技术领域】

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法。

【背景技术】

增材制造技术(additive manufacturing,AM)，俗称的3D打印，是基于材料的增量制造，它利用零件的三维数据模型，通过分层制造、逐层叠加的方法制造实体零件。增材制造技术这种“自下而上，从无到有”的制造方式，不同于传统的减材加工过程，它将产品数字化设计、制造、分析高度一体化，具有加工柔性高、无需模具、工序少、加工周期短、可加工任意形状、尺寸适应性好、加工成本低且性能优异等优点。

热挤压三通是我国油气输送用的主要三通，它具有表面光洁度好、外形变化平缓、壁厚分布无突变、整体强度好等优点。但是，随着输气管线高压、大口径的发展趋势，按照标准需要的三通的设计壁厚已大大超出了目前热挤压三通设备的生产能力。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，以克服现有技术中热挤压三通设备难以生成的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，对三通管件模型在内压条件下进行受力分析，对三通管件模型的薄弱部分进行厚度补强；

步骤2，安装打印基底工装；所述打印基底工装包括底部工装(5)，底部工装(5)上设置有内挡板(8)，内挡板(8)的外部设置底部封板(6)，所述底部工装(5)的外部和底部封板(6)的内部连接，所述内挡板(8)的侧端面、底部工装(5)的侧端面和底部封板(6)的侧端面共同接触侧封板(7)，所述侧封板(7)高于底部封板(6)；

步骤3，在内挡板(8)中安装水冷设施，在底部工装(5)上打印过渡层(10)；

步骤4，在过渡层(10)上打印第一层，所述第一层的厚度为200mm；

步骤5，在第一层上打印中间层，中间层的厚度为90mm；

步骤6，持续堆叠打印中间层，直至打印完三通管件的一半，形成过程工件；

步骤7，将过程工件上下垂直翻转放置，在过程工件中放置内挡板(8)，继续打印中间层，直至整个三通管件打印完成；

步骤8，对三通管件进行热处理，所述三通管件制造结束；

所述打印方法为电弧增材制造、埋弧焊、非熔化极气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊或熔化极活性气体保护焊。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述打印方法为电弧增材制造，电弧增材制造的电源电压为28～35V；电源电流为500～700A；打印速度为500～700mm/min，打印温度为180～200℃。

优选的，步骤1中，薄弱部分为三通管件的腹部(4)，所述补强的厚度为10mm。

优选的，步骤3中，过渡层(10)的厚度为10mm。

优选的，步骤4中，第一层打印过程中，打印至90mm时向内偏移打印两道，每次偏移量3mm。

优选的，步骤5和步骤6中，中间层的打印过程中，每一层打印至80mm时向内偏移打印两道，每次偏移量3mm。

优选的，步骤7中，将过程工件切割铣平后，上下垂直翻转后继续打印。

优选的，步骤8中，热处理温度为540℃，热处理时间为2小时。

优选的，步骤8中，所述热处理后进行超声探伤。

优选的，所述大口径三通管件的直径大于等于1000mm，壁厚大于等于35mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，该方法在进行受力分析后，在打印基底工装上进行打印，先打印一般的三通，将三通翻转后，进行另外一半的打印，该增材制造技术无需模具，克服了传统制造方法的壁厚壁垒，不同方向、厚度的性能和组织和性能均匀一致，力学性能达到甚至超过同等锻件水平，为油气输送用三通的制造提供一条快速、柔性、低成本、高性能和短周期的技术新途径，具有巨大的发展潜力和前景。本发明的主要优势有：(1)主、支管直接打印，主管、支管和肩部性能均匀一致，三通整体无薄弱环节；(2)主管、支管的长度和厚度不受设备和毛坯板厚度的限制；(3)无需要模具，生产效率高，只需要安装和切除支撑工装。本发明对三通进行性能评价试验和水压试验，三通性能评价试验结果满足低温环境用热挤压三通的标准要求。增材制造三通水压爆破试验时在51MPa压力条件下保压10min，未发生泄漏；继续加压至52.15MPa时，管体爆破失效，爆破过程中的最大压力为52.15MPa。

【附图说明】

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明的三通结构示意图；

图3为本发明的受力分析模拟图；其中，(a)图为12MPa；(b)图为36MPa；

图4为过渡角的厚度补强示意图；

图5为第一部分打印的结构示意图；

图6为第二部分打印的结构示意图；

图7为支管打印方向的示意图；

图8为主管打印方向的示意图；

图9为工装的安装示意图；

图10为过渡层打印的结构示意图；

图11为第一层的打印示意图；

图12为过程层的打印示意图；

图13为过程层的打印示意图；

图14为主管部分的打印示意图；

图15为将第一阶段打印结束后，工件翻转的结构示意图；

图16为第二阶段的打印示意图；

图17为爆破性能评价示意图；

其中：1-主管；2-支管；3-肩部；4-腹部；5-底部工装；6-底部封板；7-侧封板；8-内挡板；9-通孔；10-过渡层。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，该方法针对厚壁大口径三通管件，参见图1，具体的制造方法具体包括以下步骤：

(1)根据三通管件的使用环境温度和性能要求，确定增材制造的成形工艺、打印使用丝材的性能要求和三通结构形式。

油气输送用三通为大型金属构件，增材制造的成形工艺使用的电弧增材制造方法，包括但是不限于埋弧焊、非熔化极气体保护焊(TIG)、熔化极惰性/活性气体保护焊(MIG/MAG)等。所述大型金属构件为直径大于等于1000mm，壁厚大于等于35mm。

作为优选的方案之一，本实施例中的厚壁大口径三通管件采用电弧增材制造方法，成形的工艺采用埋弧焊机产生的电弧为热源，焊枪和辅料同轴送出，后置吹扫装置，同时配备冷却系统和实时测温系统。增材制造过程中焊枪旋转运动，试样固定在圆心位置。

三通增材制造打印丝材的成分由三通的性能确定，丝材的直径由成形工艺中增材制造方法确定。

作为优选的方案之一，本实施例中厚壁大口径三通管件采用的电弧增材制造丝材为X80钢级的低温丝材，焊丝直径为4mm。辅料采用颗粒状氧化物与卤化物，辅剂使用前应烘干，烘焙温度350℃，烘焙时间2.5h；未参与反应的辅剂可重复使用，若暴露在空气中的时间大于2小时，须重新烘焙。

(2)根据确定的打印方法和打印丝材，进行工艺评定试验，制定打印工艺规程，确定打印轨迹、打印工艺参数、层间温度。

制备后的打印丝材使用前配合增材制造方法进行工艺评定试验，制定打印工艺规程，确定打印工艺参数、层间温度。

作为优选的方案之一，本实施例中厚壁大口径三通管件增材制造的打印参数为：电源电压，28～35V；电源电流，500～700A；打印速度，500～700mm/min。焊枪前端设置红外测温装置，层间温度应在180～200℃之间。打印表面温度低于150℃，启动辅助加热装置，打印表面温度高于200℃，启动辅助冷却装置。

(3)利用计算机辅助设计软件(CAD)和分析软件(CAE)对整个三通模型在内压的条件下的结构受力进行分析。对三通的承载薄弱环节进行厚度补强，结构优化，确定打印厚度。

作为优选的方案之一，本实施例中厚壁大口径三通管件的结构采用现有热挤压三通的结构形式，具体可见图2。该大口径三通管件包括主管1，主管1上设置有支管2，主管1的轴线和支管2的轴线垂直，主管1的管壁上设置有抬肩部3，抬肩部3紧邻支管2设置，支管2和主管1的连接倒角处为腹部4，腹部4为弧形。利用计算机辅助设计软件(CAD)，建立打印三通的3D模型。本实施例制造的设计的增材制造三通的主管1和支管2的直径均为1219mm，管壁的厚度为52mm，台肩部和支管的外过渡角为R10。但是该发明的方法应该不限于该发明的实施的尺寸，应可包括现有热挤压三通中包含的所有尺寸。参见图2，设定第一中心面为通过支管2轴线的平面，第一中心面垂直于主管1的轴线。

参见图3，利用计算机辅助设计软件(CAE)对整个三通模型在内压的条件下的结构受力进行分析，分析过程中的性能参数选择工艺评定试验中最小拉伸强度进行。参见图3中的(a)图和(b)图，分别为12MPa和36Mpa下三通模型内压条件下的结构受力分析图，本实施例厚壁大口径三通管件52mm的实际承载能力达到36MPa。三通的主管1和支管2过渡区为薄弱环节，因此对其过渡角位置进行厚度补强，具体的是腹部4进行厚度补强，如图4所示，确定补强厚度为52mm+10mm(考虑二次加工过渡层的切除)。

(4)根据三通的实际打印结构，分解并设计打印顺序，制备打印工装，确定工装的安装位置和连接方式。

参见图3，本实施例厚壁大口径三通管件的打印顺序为：(1)参见图5，从三通支管2的纵截面，开始打印的纵截面通过三通的轴线，该纵截面垂直于三通主管的轴线，开始打印，直至完成一半三通的打印长度；(2)参见图6，切割工装，翻转完成剩下一半三通的打印。

更为具体的，本实施例厚壁大口径三通管件打印轨迹为：三通纵截面主管和支管的打印轨迹为：参见图7，从支管开始，行走到支管结束。打印支管的长度大于设计长度10mm左右，这样起弧段和收弧段都能在后续通过机加工切除，打印由外圈向内圈重复打印。

参见图8，主管部分，打印轨迹为：外圈向内圈重复打印，第一道次打印外径，最后道次打印内径。每道次起弧和熄弧位置的间隔大于100mm。

(5)进行缩比三通样件的打印，验证打印工艺的可行性，采用上述打印工艺，顺序和工装进行缩比试样的打印。如果打印工艺无法实现该结构的打印。首先进行打印工艺的优化，实现则继续进行。工艺的优化无法实现，则修改打印的结构设计。

(6)打印三通，在工装安装部位的打印厚度为实际打印厚度+最小6mm。

(6.1)安装打印基底工装，具体如图9所示，工装主要包括底部工装5、底部封板6、内挡板8和侧封板7。内挡板8通过角焊缝密封焊接在底部工装5上，底部封板6和侧封板7通过点焊或者角焊缝固定在底部工装5上。底部封板6居中放置，与底部工装5的外端部齐平，底部工装5放置在底部封板6内部的底端，底部封板6和底部工装5满焊双面角焊缝；内挡板8和底部工装5的顶面齐平并满焊，内挡板8放置在底部封板6的内部；侧封板7居中放置于底部工装5的端面，使其肩部高出底部工装5顶面约10mm，然后三面围焊。

参见图9，所述底部工装5的形状和整个三通在第一中心面上的截面相同，底部封板6为围绕底部工装5设置的环状物，内挡板8设置在底部封板6中，内挡板8中设置有通孔9，所述通孔9的直径和三通主管1的内径相等。

(6.2)参见图10，在内挡板的通孔9中，安装水冷辅助设施，进行设备和程序调试，调整焊枪位置，调整工作台的基准，在底部工装5上开始进行20mm过渡层10的打印。

(6.3)在过渡层10进行三通主管1和支管2的打印，共打印100mm高，打印至90mm时依次向内偏移(减小内半径)打印两道，每次偏移量3mm。

(6.4)参见图11，随着打印高度的增加，逐级安装侧封板7和内挡板8，内挡板8通过点焊固定，内挡板8的端部与侧封板7贴紧，三面围焊。

(6.5)参见图12，进行第一层的打印，共打印200mm，每打印至90mm时依次向内偏移(减小内半径)打印两道，每次偏移量3mm。

(6.6)参见图13，进行第二层和中间层的打印，每一个中间层的厚度90mm，打印至80mm时依次向内偏移(减小内半径)打印两道，每次偏移量3mm。

(6.7)参见图14，主管1和支管2的整体部分打印完成后，仅仅打印主管1部分，共打印90mm高，打印至80mm时依次向内偏移(减小内半径)打印两道，每次偏移量3mm。

(6.8)参见图15，第一阶段打印完成，将过程工件切割铣平，切割位置为初始打印面向上5mm(过渡层切除)后翻身放置，以四条坐标线对位；居中安装底部封板6，放置内挡板8，围焊；调整位置，安装水冷装置。将打印面预热到180℃后开始打印。

(6.9)如图16所述，打印方法同第一阶段，逐级安装工装，进行打印，每一层共打印90mm，打印至80mm时依次向内偏移(减小内半径)打印两道，每次偏移量3mm。直至打印完成。

(7)整体热处理，热处理温度应低于相变温度，热处理温度540℃，保温时间2小时，空冷。

(8)按照三通的交货条件进行三通内外表面二次加工。

(9)对三通端部进行二次加工，并进行端部超声探伤，探伤未发现缺陷。

本发明的主要优势有：(1)主、支管直接打印，主管、支管和肩部性能均匀一致，三通整体无薄弱环节；(2)主管、支管的长度和厚度不受设备和毛坯板厚度的限制；(3)无需要模具，生产效率高，只需要安装和切除支撑工装。

对三通进行性能评价试验和水压试验，三通性能评价试验结果满足中俄东线站场低温环境用热挤压三通的标准要求。增材制造三通水压爆破试验时在51MPa压力条件下保压10min，未发生泄漏；继续加压至52.15MPa时，管体爆破失效，爆破过程中的最大压力为52.15MPa，如图17所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2，安装打印基底工装；所述打印基底工装包括底部工装（5），底部工装（5）上设置有内挡板（8），内挡板（8）的外部设置底部封板（6），所述底部工装（5）的外部和底部封板（6）的内部连接，所述内挡板（8）的侧端面、底部工装（5）的侧端面和底部封板（6）的侧端面共同接触侧封板（7），所述侧封板（7）高于底部封板（6）；

步骤3，在内挡板（8）中安装水冷设施，在底部工装（5）上打印过渡层（10）；

步骤4，在过渡层（10）上打印第一层，所述第一层的厚度为200mm；

步骤5，在第一层上打印中间层，中间层的厚度为90mm；

步骤7，将过程工件切割铣平、切除底部工装（5）和过渡层（10），上下垂直翻转放置，居中安装底部封板（6），放置内挡板（8），围焊；调整位置，安装水冷装置，继续打印中间层，直至整个三通管件打印完成；

步骤8，对三通管件进行热处理，所述三通管件制造结束。

2.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述打印方法为电弧增材制造，电弧增材制造的电源电压为28~35V；电源电流为500~700A；打印速度为500~700mm/min，打印温度为180~200℃。

3.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1中，薄弱部分为三通管件的腹部（4），所述补强的厚度为10mm。

4.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤3中，过渡层（10）的厚度为10mm。

5.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤4中，第一层打印过程中，打印至90mm时向内偏移打印两道，每次偏移量3mm。

6.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤5和步骤6中，中间层的打印过程中，每一层打印至80mm时向内偏移打印两道，每次偏移量3mm。

7.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤8中，热处理温度为540℃，热处理时间为2小时。

8.根据权利要求1所述的一种油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，步骤8中，所述热处理后进行超声探伤。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的油气输送用厚壁大口径三通管件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述大口径三通管件的直径大于等于1000mm，壁厚大于等于35mm。