用于最小化端部损失的开模锻造工艺和使用其制作的产品

摘要

本发明公开一种使用开模锻造、冲孔和机加工工艺的组合制造诸如防喷器(BOP)的重型和重要的部件的工艺，其导致更好的材料利用并节省机加工时间。本发明的锻造工艺包括刻痕的步骤，其中在初轧铸块之前在所述铸块的每个端部附近制造横向刻痕。本发明允许以有效的材料利用开发安全和重要的部件。

说明书

技术领域

本发明涉及防喷器(BOP)，其常规用于烃回收操作中以防止井喷。更具体地，本发明涉及一种锻造工艺，其更有效地使用原材料、锻造装置和其他可用的资源，并且带来对BOP的质量、机械特性和安全操作的改进。

背景技术

许多年来，诸如BOP的重要部件已经使用随后有大量的机加工操作的开模锻造技术制造。

使用传统的开模制造工艺(锭脚成型(ingot-pin forming)和鞍锻、镦锻、拉拔以及锻造至尺寸)，这种大型和重要的部件以接近40％至45％的材料生产率被制造。在用于制造这种零件的典型的现有锻造方法中包括的大概步骤为：

铸块初轧成方坯→锯切割→粗成尺寸→粗加工→热处理→半精加工→精加工

如图2中所示，这些包括拉拔开槽铸块、镦锻、初轧以及将其切割成两段，随后为机加工、热处理和精加工。

以上工艺必然需要通过开模锻造工艺实现粗锻造形状，而最终形状和尺寸通过机加工实现。简而言之，现有的制造方法是开模锻造、机加工和热处理的组合。申请人的经验是现有的工艺导致在整个工艺中(从初轧方坯至完成零件)约42％的材料利用(或者约58％的材料浪费)。

在采用传统的开模锻造方法锻造诸如BOP的大型部件中观察到的一个关键问题是如图4中例示的鱼尾的形成。在初轧步骤的结束时，获得具有矩形端部配置的铸块。当使用开模方法锻造矩形端部形状时，边缘处的材料开始移动至接近中心的材料的前方，因此在初轧坯料的端部形状处形成鱼尾。

在用于制造诸如BOP的大型和重要的部件的开模锻造工艺中，没有允许形成接近净成形(并由此减少机加工的程度)的现有工艺。因此需要开发一种制造复杂、大型和重要的部件的开模锻造工艺，其将导致输入材料、机加工操作以及周期时间、能源消耗的减少，并最终导致制造成本的减少。

从图2证明，在使用传统的锻造方法的这种部件的大规模生产期间，大量的原材料被传统的制造方法浪费，其导致大量的机加工时间和低生产率(42％)。为了减少这种浪费，重要的是使接近净成形的输入以进行机加工。这将有助于建立锻造工艺和机加工工艺之间正确的平衡，并有效地利用材料和机加工时间。诸如BOP的部件将因此以提高的生产率被制造，而不折损期望的机械特性和特定的强度。

在BOP领域中已经做出许多发明。其中一些在下面列出。

US 8136247包括形成第一坯料以形成防喷器主体的第一部分；形成第二坯料以形成防喷器主体的第二部分；以及焊接该坯料以形成该防喷器主体。

US6318482的发明涉及一种BOP，允许一定程度的受控的流体泄漏至封隔器以上的环面，而在与从水下井危险喷发相关联的紧急情况中可引起钻探泥浆以填充整个钻孔。因此清楚的是，水下井中的流体(液体和/或气体)的非受控喷发的发生，防喷器以采用停止喷发的触发或设置位置的方式被释放。

US5897094，本发明涉及一种防喷器(BOP)，其通常用于烃回收操作中以防止井喷。更具体地，此发明涉及具有改进的机构的BOP，用于将BOP主体和支撑闸板组件的一对径向相对的门中的每个在结构上相互连接，并用于在闸板垫块维修操作期间将该门在结构上从BOP主体断开。

US2284869涉及一种用于装设一般类型的头的防喷器，其在先申请号19,047的题目为“装设头与防喷器”，其一个主要目的在于提供一种相对简单且便宜但是仍然非常有效的防喷器。

US3647174发明涉及一种闸板型防喷器，具有活塞和汽缸装置，用于闸板的正常打开和关闭，也用于在防喷器阀帽从主体断开时影响阀帽远离和返回至主体的移动。

US4044988发明涉及一种闸板防喷器，包括具有纵向腔和横向孔的壳体。闸板设置在壳体的腔中以相对于孔往复运动。腔壁处的纵向引导件之间的横向间隔在从壳体的端部向孔的方向上一致地减小，闸板封隔器从孔侧以径向金属构件被加强，而闸板的主体包括适于在闸板移动期间相对于彼此移动的多个构件。

US4227543发明涉及一种改进的防喷器，具有次级密封系统，其能够被用于停止通过封隔器的泄漏，还提供在具有泄漏时可用的次级密封能力。

US4253638发明涉及一种改进的防喷器，其中阀帽被枢转地安装至主体并通过丢弃型闩锁固定。铰链和闩锁被制造为可调节的，使得在闭合位置阀帽被合适地设置在主体上。

US4526339本发明针对一种交叉闸板型防喷器，其在相同平面上的第一对和第二对闸板被提供用于灵活性。本发明特别地用于石油和天然气井的钻探和相关维修，即停止和检查。

US4844406本发明涉及一种井工具和用于安装在井顶的管头上的设备，更公知的为防喷器。本发明的防喷器被构造为在井的上端提供关于管柱、光杆、金属线的密封，以及在没有任何延伸通过井口的构件的情况下关闭通过井口的孔。

显然这些都没有解决制造工艺期间原材料浪费或者提高部件质量的问题。因此需要提供一种用于诸如BOP的大型和重要的部件的制造工艺，其实现有效的材料利用。特别地，需要提供一种具有开模锻造或闭模锻造和机加工的组合的制造工艺。此外，该产业发现对于在执行精加工之前实现接近净成形的制造工艺的需要。

发明内容

相应地，本发明的目的在于以有效的材料利用开发安全和重要的部件。

本发明的进一步目的在于提供制造所述安全和重要的部件的方法。

另一目的在于以开模锻造、冲孔和机加工的组合设计防喷器的制造工艺。

另一目的在于减少机加工量并开发在初轧方坯的两端上的锻造工艺以实现所需的形状和尺寸。

另一目的在于提供锻造模具设计以引入刻痕操作。又一目的在于通过引入刻痕操作形成哑铃形状并在端部处消除鱼尾的形成。

另一目的在于减少机加工操作，以便通过引入冲孔工艺在锻造工艺期间提高材料利用。

这些和其他目的将从以下参照附图的描述中变得更加明显。说明书所附附图仅用于例示的目的，而不旨在以任意方式限制。

本发明公开一种使用开模锻造、冲孔和机加工工艺的组合制造诸如BOP的重型和重要的部件的工艺，其导致更好的材料利用并节省机加工时间。

附图说明

图1示出防喷器。这里示出最终加工的部件的正视图和侧视图。

图2示出常规的部件制造方法。这里操作顺序示出拉拔开槽铸块、镦锻、初轧操作和切割成两段，随后是机加工、热处理和精加工。

图3示出本发明的部件制造工艺。在本发明的制造工艺中，顺序被修改为拉拔开槽铸块、镦锻、刻痕和在端角处初轧，随后是切割成两段、冲孔、半精加工、热处理和精加工。

图4示出在初轧方坯的端部处的鱼尾形成。在具有端角的连续渐进成型的常规制造工艺中，其导致鱼尾形成。图中示出有缺陷的端部形状。

图5示出在初轧方坯的端部处的凸面形状形成。本发明的制造工艺的效果减少端部缺陷。

图6和图7分别示出用于具有和不具有刻痕操作的锻造工艺的晶粒流线。

具体实施方式

本发明公开一种制造大而复杂的锻造零件的工艺。特别地，本发明还公开一种制造在石油和天然气工业中使用的防喷器(见图1)的工艺。

在包括这种大而复杂的零件锻造的典型制造工艺(见图2)期间，具有成型的阶段，在该成型的阶段中，待锻造的零件在被旋转的同时在端部处被挤压。在成型工艺期间，当初轧铸块/坯料的端角被挤压时，外侧材料比接近该区段核心的材料流动更大的程度。这导致在端角处形成鱼尾(见图4)。初轧工艺期间在坯料的端部处形成鱼尾不仅降低工艺的生产率，而且恶化锻造部件的质量。

在本发明的一个方面中，初轧的工艺被执行，而在端部处没有形成鱼尾。这通过在初轧坯料的端部附近形成刻痕而实现(见图3)。刻痕在控制锻造零件的流动模式中起到重要的作用。其有助于使材料在狭窄路径中流动，因为流线在刻痕区域中被分割(见图6和图7)。这避免零件(或其材料)在其端部附近的阻力(dragging)，因为材料的流线通过刻痕操作分离。相反，因为流线被切割和分割，坯料的核心的材料移动将发生，从而在坯料的端部处形成隆起(见图5)，而不是鱼尾。

在制造工艺期间节省材料方面，锻造工艺的优化是非常需要的。这种优化的关键方面是发明一种工艺，在该工艺中用于产品的材料的初始体积非常接近产品的最终体积。本发明公开一种用于BOP的优化的锻造工艺，通过使用开模锻造技术，特别着重于最小化机加工资源和初始铸块重量。

初轧坯料的中心区域以及表面区域处的材料流动状态使用3D金属流动模拟软件研究和分析。

诸如BOP的大而复杂的零件的常规制造工艺在图2中示出。使用有限元分析，已经提出优化的工艺设计，以便以最小质量的材料锻造复杂的部件。

基于模拟结果，发明者已经找到用于诸如BOP的大而复杂的零件的最优化的制造方法。这包括在工艺的开模锻造和机加工阶段之间增加刻痕和冲孔的阶段。

本发明的工艺以被拉拔至期望形状的开槽铸块开始，这之后其受到镦锻和初轧以使其达到期望形状。如图3所示，此成形的部件接下来被切割成两段。每件接下来受到冲孔操作。此后是机加工以获得最终形状，其受到热处理，随后是精加工工艺。

冲孔操作被发现对于诸如石油勘测工业中使用的防喷器的大型锻造零件特别有用。是冲孔而非机加工产生有利的晶粒流线和更加坚固的最终零件。

从以上讨论显而易见，本发明具有以下实施例：

1、一种用于最小化端部损失的开模锻造工艺，其特征在于，所述锻造工艺包括刻痕的步骤，其中在初轧铸块之前在所述铸块的每个端部附近制造横向刻痕。

2、如实施例1中公开的开模锻造工艺，其特征在于，所述工艺在所述镦锻铸块的所述端部处形成所述刻痕之前包括形成开槽铸块、拉拔所述铸块和镦锻所述铸块的步骤。

3、如实施例1和2中公开的开模锻造工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括初轧和切割成两段的步骤，用于进一步处理诸如冲孔所述段、半机加工和机加工至最终产品。

4、一种使用如实施例1至3中的任一个中公开的开模锻造方法制作的产品。

尽管以上说明书包含许多特殊性，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制，而是其优选实施例的例证。应当认识到，在不超出本发明的精神和范围的情况下，基于以上给出的公开的修改和变化是可能的。相应地，本发明的范围不应当由例示的实施例确定，而是由所附权利要求及其法定等同物确定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于最小化端部损失的开模锻造工艺，其特征在于，所述锻造工艺包括刻痕的步骤，其中在初轧铸块之前在所述铸块的每个端部附近制造横向刻痕，所述横向刻痕具有有角度的尖端，所述尖端处的角度为锐角。

2.如权利要求1中所述的开模锻造工艺，其特征在于，所述工艺包括形成开槽铸块、拉拔所述铸块和镦锻所述铸块的步骤，之后在镦锻后的所述铸块的所述端部处形成所述刻痕。

3.如权利要求1和2中所述的开模锻造工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括初轧和切割成两段的步骤，用于进一步处理，诸如冲孔所述段、半机加工和机加工至最终产品。

4.一种使用如权利要求1至3中的任一项中所述的开模锻造方法制作的用于在石油和天然气中使用的防喷器。