本发明公开了一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,特点是包括设计GLCC分离器工艺尺寸大小的步骤;创建GLCC分离器的三维模型,在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置、材料相关参数的设置,然后进行有限元网格划分,再对三维模型的端面压力进行求解,根据三维模型整体受到的压力计算获得等效应力并对其进行评定,直至垂直管和斜切管的壁厚满足要求的步骤;然后采用预先制作的模具整体锻造斜切三通锻件,最后按照图纸采用数控加工制成所需斜切三通锻件的步骤,优点是确保斜切管中心线与垂直管成63°夹角,两者内部相切且整体锻造,同时减小了该三通处结构的应力分布、应力值,不存在腔室积液和间隙腐蚀。
1.一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,其特征在于包括以下步骤:(1)设计GLCC分离器工艺尺寸大小,包括斜切管的孔径、垂直管的孔径,并预设斜切管及垂直管的壁厚t,斜切管及垂直管的壁厚设置为相同;(2)建模与分析a.利用三维建模软件创建步骤(1)设计的GLCC分离器的三维模型,然后将三维模型导入ANSYS有限元分析软件中,或者直接在ANSYS有限元分析软件中创建步骤(1)设计的GLCC分离器的三维模型;b.在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置,单元类型选择带有中间节点六面体单元;c.在ANSYS有限元分析软件中进行材料相关参数的设置,设置的参数有GLCC分离器的材质的弹性模量及材料的泊松比;d.利用ANSYS有限元分析软件进行有限元网格划分,即根据三维模型的大小及求解精度的要求,在ANSYS有限元分析软件中进行网格大小的设置,设置完成以后,三维模型自动进行网格划分;e.利用ANSYS有限元分析软件对三维模型的端面压力进行求解,求解过程具体为:对三维模型进行施加压力及约束,约束为将三维模型下端面设置为固定,根据公式T=p*d/(4*t),计算获得施加在垂直管或斜切管的端面压力,其中p为施加压力,t为垂直管或斜切管的壁厚,若d为垂直管孔径,则T相应为垂直管的端面压力,若d为斜切管孔径,则T相应为斜切管的端面压力,从而获得垂直管整体受到的压力,即垂直管的端面压力T和施加压力p之和,以及斜切管整体受到的压力,即斜切管的端面压力T和施加压力p之和;f.根据上述步骤获得的垂直管整体受到的压力和斜切管整体受到的压力,利用ANSYS有限元分析软件中的结构静力学模块进行应力分析,计算获得三维模型的等效应力的分析结果,采用钢制压力容器-分析设计标准对三维模型等效应力进行评定,若三维模型的垂直管和斜切管的等效应力均小于或等于标准所规定的应力值,则垂直管的壁厚为满足垂直管整体受到的压力下的壁厚以及斜切管的壁厚为满足斜切管整体受到的压力下的壁厚,若三维模型的垂直管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的垂直管的壁厚,或者/和斜切管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的斜切管的壁厚,重新按照a-e步骤进行分析计算,直至三维模型的垂直管和斜切管的等效应力值均小于或等于标准所规定的应力值,即分析完成,则垂直管的壁厚为满足垂直管整体受到的压力下的所需壁厚以及斜切管的壁厚为满足斜切管整体受到的压力下的所需壁厚;(3)根据步骤(2)分析得到的三维模型的垂直管和斜切管的壁厚及三维模型的材质,进行斜切三通的图纸设计及锻造模具的设计;锻造模具制造完成后,锻件厂家根据斜切三通的图纸并利用锻造模具进行斜切三通的锻造,获得的斜切三通锻件,将斜切三通锻件根据锻件相关标准进行检测,选取检测合格的斜切三通锻件,其中斜切三通的图纸设计中包括在斜切管内部设计一块斜挡板,斜挡板与斜切管作为整体锻造;(4)将检测合格的斜切三通锻件在数控中心进行数控加工,数控编程技术人员根据斜切三通的图纸进行相应编程及调试后,对斜切三通锻件进行定位,然后数控机床根据所编的程序对斜切三通锻件进行内外表面加工,然后根据斜切三通图纸对加工完成后的斜切三通锻件进行外形尺寸及角度检测,选取各项尺寸及角度检测结果都在公差允许范围之内的成品,即获得合格的GLCC分离器专用斜切三通锻件。
2.根据权利要求1所述的一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,其特征在于:所述的端面压力包括端面拉应力和端面压应力,所述的端面拉应力为三维模型在受内压的工作状态下,在垂直管及斜切管端面所产生拉应力;所述的端面压应力为三维模型在受外压的工作状态下,在垂直管及斜切管端面所产生压应力。
3.根据权利要求1所述的一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,其特征在于:步骤(4)中所述的公差允许范围包括斜切三通锻件的形状尺寸公差在±1mm之内,垂直管与斜切管中心线夹角控制在63±0.1°之内,斜切三通锻件的表面粗糙度控制在25μm以内。技术领域
本发明涉及一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法。
背景技术
气液旋流分离器(GLCC)依据离心分离原理实现气液的分离,与传统的依靠重力实现气液分离的容积式分离器相比,具有结构简单、能耗低、质量轻、应用方便等优点。GLCC的结构如图1所示,它是带有倾斜切向入口和气体及液体出口的设备主体垂直管,既没有可运动部件,也无需内部装置。气液混合物由切向入口进入旋流分离器后形成的旋流产生比重力高出许多倍的离心力,由于气液相密度不同,所受离心力差别很大,重力、离心力和浮力联合作用将气体和液体分离。液体沿径向被推向外侧,并向下由液体出口排出;而气体则运动到中心,并向上由气体出口排出。入口段结构决定着进入GLCC的气/液分布及其初始切向入口速度的大小。由于GLCC的性能在很大程度上受切向入口速度的影响,因此入口段是GLCC重要的组成部分。斜切管与垂直管衔接处的三通是GLCC分离器整个设备应力分布最复杂的地方、也是整个设备受力最危险的地方,因此,GLCC分离器专用斜切三通的结构设计对GLCC分离器实现气液分离效果至关重要。现有的GLCC分离器专用斜切三通采用63°斜切三通焊件,如图2所示,是通过开在垂直管1处开斜切孔,插入斜切管2焊接后,再在斜切管2内部焊接一块斜挡板3制作而成如图2和图3所示,制造过程简单。但是,在上述制造过程中存在如下问题:1、开斜切63°的孔难度大,开的孔形状不规则,斜切管2放样不准;2、垂直管1与斜切管2的角度很难准确定位,导致63°的夹角偏差较大,从而很难保证GLCC的分离工艺性能;3、因结构尺寸限制,该结构只能采用单面焊,设备内部不能清根、再焊接,从而很难保证全焊透;4、该结构是在焊接后,对焊缝进行的RT或UT检测,由于形状结构限制,无法进行射线检测(RT检测)和超声波检测(UT检测),导致该结构的焊接质量无法得到保证;5、在斜挡板3处存在一个密闭腔室4,如图3所示,存在积液,从而产生间隙腐蚀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种确保斜切管中心线与垂直管成63°夹角,斜切管与垂直管内部相切且整体锻造,并且减小了该三通处结构的应力分布、应力值,不存在腔室积液和间隙腐蚀的GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,包括以下步骤:(1)设计GLCC分离器工艺尺寸大小,包括斜切管的孔径、垂直管的孔径,并预设斜切管及垂直管的壁厚t,斜切管及垂直管的壁厚设置为相同;(2)建模与分析a.利用三维建模软件创建步骤(1)设计的GLCC分离器的三维模型,然后将三维模型导入ANSYS有限元分析软件中,或者直接在ANSYS有限元分析软件中创建步骤(1)设计的GLCC分离器的三维模型;b.在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置,单元类型选择带有中间节点六面体单元;由于该单元每个节点有三个自由度,即X、Y、Z方向上的位移;该单元带有中间节点,单元容易变形,可处理大变形和大应变问题,能较好的反映加载过程中的塑性变形;该单元亦是节点数可变曲面块单元,若采用一致缩减积分,可极大减少非线性分析求解时间,单元输出结果主要包括单元(或节点)应力、应变、位移等;c.在ANSYS有限元分析软件中进行材料相关参数的设置,设置的参数有GLCC分离器的材质的弹性模量及材料的泊松比;d.利用ANSYS有限元分析软件进行有限元网格划分,即根据三维模型的大小及求解精度的要求,在ANSYS有限元分析软件中进行网格大小的设置,设置完成以后,三维模型自动进行网格划分;e.利用ANSYS有限元分析软件对三维模型的端面压力进行求解,求解过程具体为:对三维模型进行施加压力及约束,约束为将三维模型下端面设置为固定,根据公式T=p*d/(4*t),计算获得施加在垂直管或斜切管的端面压力,其中p为施加压力,t为垂直管或斜切管的壁厚,若d为垂直管孔径,则T相应为垂直管的端面压力,若d为斜切管孔径,则T相应为斜切管的端面压力,从而获得垂直管整体受到的压力,即垂直管的端面压力T和施加压力p之和,以及斜切管整体受到的压力,即斜切管的端面压力T和施加压力p之和;f.根据上述步骤获得的垂直管整体受到的压力和斜切管整体受到的压力,利用ANSYS有限元分析软件中的结构静力学模块进行应力分析,计算获得三维模型的等效应力的分析结果,采用钢制压力容器-分析设计标准(JB/T4732-2005)对三维模型等效应力进行评定,若三维模型的垂直管和斜切管的等效应力均小于或等于标准所规定的应力值,则垂直管的壁厚为满足垂直管整体受到的压力下的壁厚以及斜切管的壁厚为满足斜切管整体受到的压力下的壁厚,若三维模型的垂直管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的垂直管的壁厚,或者/和斜切管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的斜切管的壁厚,重新按照a-e步骤进行分析计算,直至三维模型的垂直管和斜切管的等效应力值均小于或等于标准所规定的应力值,即分析完成,最后垂直管的壁厚为满足垂直管整体受到的压力下的所需壁厚以及斜切管的壁厚为满足斜切管整体受到的压力下的所需壁厚;(3)根据步骤(2)分析得到的三维模型的垂直管和斜切管的壁厚及三维模型的材质,进行斜切三通的图纸设计及锻造模具的设计;锻造模具制造完成后,锻件厂家根据斜切三通的图纸并利用锻造模具进行斜切三通的锻造,获得的斜切三通锻件,将斜切三通锻件根据锻件相关标准进行检测,选取检测合格的斜切三通锻件,其中斜切三通的图纸设计中包括在斜切管内部设计一块斜挡板,斜挡板与斜切管作为整体锻造;(4)将检测合格的斜切三通锻件在数控中心进行数控加工,数控编程技术人员根据斜切三通的图纸进行相应编程及调试后,对斜切三通锻件进行定位,然后数控机床根据所编的程序对斜切三通锻件进行内外表面加工,然后根据斜切三通图纸对加工完成后的斜切三通锻件进行外形尺寸及角度检测,选取各项尺寸及角度检测结果都在公差允许范围之内的成品,即获得合格的GLCC分离器专用斜切三通锻件。所述的端面压力包括端面拉应力和端面压应力,所述的端面拉应力为三维模型在受内压的工作状态下,在垂直管及斜切管端面所产生拉应力;所述的端面压应力为三维模型在受外压的工作状态下,在垂直管及斜切管端面所产生压应力。步骤(4)中所述的公差允许范围包括斜切三通锻件的形状尺寸公差在±1mm之内,垂直管与斜切管中心线夹角控制在63±0.1°之内,斜切三通锻件的表面粗糙度控制在25μm以内。与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明公开了一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,先采用ANSYS软件进行分析计算,然后采用预先制作的模具整体锻造该结构斜切三通锻件,最后按照图纸采用数控加工制成所需斜切三通锻件,优点如下:1、垂直管与斜切管中心线成63°角度能够得到精确的保证(允许有±0.1°的公差范围,解决了开孔难度大,放样不准问题,提高了生产效率;同时能确保斜切管与垂直管内部相切;2、斜切管与垂直管整体锻造,该结构不需要焊接,解决了焊接方面难以焊透的问题;3、斜切三通锻件可在锻造完成后进行无损检测(RT或UT检测),然后将检测合格的试样送数控中心加工厂加工获得所需的产品,该过程不存在焊缝,无需进行无损检测,因此只需对锻造完成后的整体锻件进行无损检测,即可保证该结构强度质量。4、改善了GLCC分离器专用斜切三通的应力分布、应力值得以减小(实验数据对比见实施例表1);5、斜切三通锻件的斜切管内部斜挡板作为整体锻造的,不存在腔室积液和间隙腐蚀。
附图说明
图1为GLCC分离器整体结构示意图;图2为GLCC分离器专用斜切三通焊件的结构示意图;图3为图2的A-A’截面剖视图;图4为GLCC分离器专用斜切三通锻件的结构示意图;图5为图4的B-B’截面剖视图;图6为GLCC分离器专用斜切三通焊件在内压20MPa下的应力分布的示意图一;图7为GLCC分离器专用斜切三通焊件在内压20MPa下的应力分布的示意图二;图8为GLCC分离器专用斜切三通锻件在内压20MPa下的应力分布的示意图一;图9为GLCC分离器专用斜切三通锻件在内压20MPa下的应力分布的示意图二;图10为GLCC分离器专用斜切三通焊件在外压20MPa下的应力分布的示意图一;图11为GLCC分离器专用斜切三通焊件在外压20MPa下的应力分布的示意图二;图12为GLCC分离器专用斜切三通锻件在外压20MPa下的应力分布的示意图一;图13为GLCC分离器专用斜切三通锻件在外压20MPa下的应力分布的示意图二。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。一、具体实施例一种GLCC分离器专用斜切三通锻件的制造方法,包括以下步骤:(1)设计GLCC分离器工艺尺寸大小,如图3所示,包括垂直管1的孔径、斜切21的孔径,并预设垂直管1及斜切管2的壁厚t,垂直管1及斜切管2的壁厚设置为相同;(2)建模与分析a.利用三维建模软件创建步骤(1)设计的GLCC分离器的三维模型,然后将三维模型导入ANSYS有限元分析软件中,或者直接在ANSYS有限元分析软件中创建步骤(1)设计的GLCC分离器的三维模型;b.在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置,单元类型选择带有中间节点六面体单元;c.在ANSYS有限元分析软件中进行材料相关参数的设置,设置的参数有GLCC分离器的材质的弹性模量及材料的泊松比;d.利用ANSYS有限元分析软件进行有限元网格划分,即根据三维模型的大小及求解精度的要求,在ANSYS有限元分析软件中进行网格大小的设置,设置完成以后,三维模型自动进行网格划分;e.利用ANSYS有限元分析软件对三维模型的端面压力进行求解,求解过程具体为:对三维模型进行施加压力及约束,约束为将三维模型下端面设置为固定,根据公式T=p*d/(4*t),计算获得施加在垂直管1或斜切管2的端面压力,其中p为施加压力,t为垂直管1或斜切管2的壁厚,若d为垂直管1孔径,则T相应为垂直管1的端面压力,若d为斜切管2孔径,则T相应为斜切管2的端面压力,从而获得垂直管1整体受到的压力,即垂直管1的端面压力T和施加压力p之和,以及斜切管2整体受到的压力,即斜切管2的端面压力T和施加压力p之和;f.根据上述步骤获得的垂直管整体受到的压力和斜切管整体受到的压力,利用ANSYS有限元分析软件中的结构静力学模块进行应力分析,计算获得三维模型的等效应力的分析结果,采用钢制压力容器-分析设计标准(JB/T4732-2005)对三维模型等效应力进行评定,若三维模型的垂直管1和斜切管2的等效应力均小于或等于标准所规定的应力值,则垂直管1和斜切管2的壁厚为所满足相应压力下的壁厚,若三维模型的垂直管1的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的垂直管1的壁厚,或者/和斜切管2的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的斜切管2的壁厚,重新按照a-e步骤进行分析计算,直至三维模型的垂直管1和斜切管2的等效应力值均小于或等于标准所规定的应力值,即分析完成,最后垂直管1和斜切管2的壁厚为所满足相应压力下的所需壁厚;(3)根据步骤(2)分析得到的三维模型的垂直管1和斜切管2的壁厚及三维模型的材质,进行斜切三通的图纸设计及锻造模具的设计(模具由锻件厂家根据斜切三通的施工图纸进行设计,模具由锻件厂家制造完成);锻造模具制造完成后,锻件厂家根据斜切三通的图纸并利用锻造模具进行斜切三通的锻造,获得的斜切三通锻件,将斜切三通锻件根据锻件相关标准进行检测(例如:锻件为16MnIII级锻件,需要根据NB/T47008-2010进行100%UT检,并采用试样进行拉伸冲击和试验),选取检测合格的斜切三通锻件,其中斜切三通的图纸设计中包括在斜切管2内部设计一块斜挡板3,斜挡板3与斜切管2作为整体锻造的,如图4所示,不存在腔室积液和间隙腐蚀;(4)将检测合格的斜切三通锻件在数控中心进行数控加工,数控编程技术人员根据斜切三通的图纸进行相应编程及调试后,对斜切三通锻件进行定位,然后数控机床根据所编的程序对斜切三通锻件进行内外表面加工,然后根据斜切三通图纸对加工完成后的斜切三通锻件进行外形尺寸及角度检测,选取各项尺寸及角度检测结果都在公差允许范围之内的成品,即获得合格的GLCC分离器专用斜切三通锻件。在此具体实施例中,上述端面压力包括端面拉应力和端面压应力,端面拉应力为三维模型在受内压的工作状态下,在垂直管及斜切管端面所产生拉应力;端面压应力为三维模型在受外压的工作状态下,在垂直管及斜切管端面所产生压应力。在此具体实施例中,步骤(4)中的公差允许范围包括斜切三通锻件的形状尺寸公差在±1mm之内,垂直管与斜切管中心线夹角控制在63±0.1°之内,斜切三通锻件的表面粗糙度控制在25μm以内。二、对比试验在相同载荷(20MPa)和相同约束的工况下,分别对背景技术中斜切三通焊件、本发明斜切三通锻件进行应力分析(见如下表1所示),内压(20MPa)应力分析结果见图6~图9,外压(20MPa)应力分析结果见图10~图13。表1ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>注:图6与图8应力面相同、图7与图9应力面相同、图10与图12应力面相同、图11与图13应力面相同。根据以上分析结果进行比较,在同工况下,在相同应力面处,斜切三通锻件应力值比斜切三通焊件应力值小许多,因此可以得出在深海环境中(受内压和外压的共同作用下),斜切三通锻件比斜切三通焊件具备更好的抗压能力,因此在深海项目中GLCC专用斜切三通应采用整体锻造制作优于焊接制作。该专利的研究内容是国家863重大项目“深水油气资源勘探开发技术与装备”的部分内容之一,由“国家高技术研究发展计划(863计划)资助”。上述说明并非对本发明的限制,本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内,作出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。