鈦合金截止閥在船用閥門上的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：本文介紹了鈦截止閥在船用閥門上的設(shè)計與應(yīng)用，用截止閥舉例了鈦閥的主要結(jié)構(gòu)特點，閥門的密封性能及強度性能的設(shè)計和計算校核。關(guān)注其在海水中的電偶腐蝕及制造中應(yīng)注意的問題，說明鈦閥門及鈦合金具有比重輕、強度高、耐腐蝕、耐壓性好等突出優(yōu)點，在船舶及海洋工程上應(yīng)用具有廣闊前景。
Abstract: To introduce the application of titanium alloy in ship’s valves, and give an example of a titanium alloy globe valve to explain the main structural features, design and calculation of the sealing and strength performances of the titanium alloy gate valve. Paying attention to its electro-corrosion in sea water and matters in manufacturing, to indicate that Ti and titanium alloy have conspicuous advantages of light specific gravity, high strength and corrosion-resistance etc. and a vast range of prospects for application in ship and ocean engineering.

關(guān)鍵詞：鈦閥門,鈦合金,截止閥,密封副,船舶,耐腐蝕性。
Key words: titanium alloy, globe valve, coupling sealing parts, ship, corrosion-resistance

1、前言

鈦閥門及鈦合金具有比重輕、強度高、耐腐蝕、耐壓性好等突出優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于航空、宇宙開發(fā)、石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生、儀器儀表等行業(yè)。為適應(yīng)海洋工程深海容器、船舶、船用閥門等領(lǐng)域需求，閥門技術(shù)網(wǎng)將其鈦合金應(yīng)用于閥門的制造，在鈦閥門開發(fā)過程中，用新技術(shù)、新材料和新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計，符合國家高新技術(shù)產(chǎn)品政策的要求，是一種新興的，又很有發(fā)展前途的材料應(yīng)用技術(shù)，從而提高了閥門質(zhì)量，改善了產(chǎn)品性能。

2、鈦的耐腐蝕性能

鈦是一種具有高度化學(xué)活性的金屬，但是，它對大多數(shù)腐蝕介質(zhì)都呈現(xiàn)出特別優(yōu)異的耐腐蝕性。原因是鈦和氧有很大的親和力，當(dāng)鈦暴露于大氣，或任何含氧介質(zhì)時，表面立即形成一種堅固而緊密的鈍性氧化薄膜。這種薄膜十分穩(wěn)定，如果產(chǎn)生機械損傷，又會立即重新形成（只要存在一定量的氧）。

鈦金屬有幾種特殊的腐蝕形式，如高溫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、腐蝕疲勞等，但鈦應(yīng)用在船舶閥門上主要是關(guān)注電偶腐蝕。

電偶腐蝕是當(dāng)兩種不同的金屬在一電解質(zhì)中構(gòu)成電偶時，作陽極的金屬的腐蝕可以被加速。其腐蝕量取決于兩種材料間的電極電位差，也取決于陽極和陰極的面積比以及兩者的極化特性。鈦與一般材料不同，它在許多介質(zhì)中是鈍態(tài)的，并且顯示出類似于鈍態(tài)18-8不銹鋼的電位。鈦在海水中的電位是-0.10V（對飽和甘汞電極）。鈦與蒙乃爾合金、哈斯特洛衣C、18-8不銹鋼、加Ni的鋁青銅管板接觸時電位差很小，不會產(chǎn)生電偶腐蝕。但同樣在海水中，鈦與鋁、鋅、碳鋼接觸時，鋁、鋅等金屬被腐蝕。然而，它們的腐蝕速度卻比與不銹鋼接觸時所引起的腐蝕小。這些金屬的腐蝕程度隨鈦和接觸鈦的金屬表面積的比例而變化。接觸鈦的金屬和鈦的表面積比為1：10（即陽極與陰極面積比為1：10）時，被接觸的金屬很快就腐蝕了。與此相反，與鈦接觸的金屬和鈦的表面積比為10：1時，其腐蝕率大大降低。

在低濃度還原性酸（如硫酸或鹽酸）也存在類似海水的情況。此外，鈦有強烈的極化傾向，即意味著包含鈦作陰極的電偶，只產(chǎn)生小的電流。由于鈦表面有氧化膜存在，所以，當(dāng)它與其他金屬接觸時，鈦截止閥的腐蝕率通常不會增加。因此在船舶鈦閥門上的其他材料選擇就要注意電偶腐蝕的對比。

3、鈦閥結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計制造注意問題

鈦及鈦合金在閥門上的應(yīng)用，我們以截止閥為例。閥體流道采用圖2形式，以減小介質(zhì)對密封面的直接沖刷和由于通道的急劇收縮及擴張而產(chǎn)生渦流區(qū)。

設(shè)計制造鈦閥時必須注意以下幾個問題：

（1）鈦材較貴，為經(jīng)濟、合理使用鈦材，在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位，應(yīng)盡量不用鈦制零件。

（2）鈦的機械性能隨溫度而改變的情況，較一般碳素鋼、合金鋼大。其強度指標(biāo)隨溫度上升而下降，如250～300℃時的抗拉強度和屈服強度為常溫時的一半。因此，即使在設(shè)計溫度不高的情況下，也應(yīng)按設(shè)計溫度下的強度值選取。鈦的屈強比高、持久強度好，因此，設(shè)計溫度在316℃以下時，決定設(shè)計強度指標(biāo)的往往是該溫度下的抗拉強度值。對工業(yè)純鈦來說，是不能通過熱處理來提高強度指標(biāo)值的。 鈦的熱膨脹系數(shù)小，當(dāng)鈦和其他材料聯(lián)合使用時，要注意膨脹差引起的應(yīng)力。

（3）工業(yè)純鈦和α-鈦合金壓力加工時的塑性變形范圍少，容易產(chǎn)生破裂。而提高變形速度、降低變形溫度等都可能導(dǎo)致加工中的破裂。因此，最好不要設(shè)計變形量大的冷加工件；在需要翻邊的地方，彎曲半徑盡量取得大一些；用強度脹連接的管子與管板管孔之間的間隙公差要小，以免鈦管脹裂。

（4）選用鈦螺栓時，必須考慮由于鈦在常溫下也有蠕變現(xiàn)象而產(chǎn)生應(yīng)力松馳問題，最好不用鈦螺栓作強制密封的連接件。當(dāng)因耐腐蝕須用鈦螺栓時，結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮易于定期擰緊螺栓以保證密封。鈦和不銹鋼一樣，也具有摩擦粘結(jié)、咬合現(xiàn)象。鈦螺紋易咬合，可使用異種材料或較大間隙的螺紋配合或用適當(dāng)?shù)臐櫥瑒┙鉀Q。應(yīng)少采用需要攻絲的內(nèi)螺紋，盡量選用帶退刀槽的車制螺紋結(jié)構(gòu)。同樣，鈦閥的調(diào)節(jié)及動作性能由閥桿螺紋控制，通過手輪旋轉(zhuǎn)來達到，應(yīng)通過材料性能和各個零件的工藝性來保證。

（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計時要最大限度地消除縫隙和可以存水的凹處，以避免鈦在某些介質(zhì)中發(fā)生縫隙腐蝕現(xiàn)象。尤其是鈦與四氟形成的縫隙，比鈦-鈦之間的縫隙還容易受到腐蝕，因為鈦對于含有少量可溶性氟化物的溶液是不耐腐蝕的，氟化物使鈍態(tài)破壞。因此，在使用聚四氟乙烯塑料墊，含氟的橡膠墊圈和粘結(jié)劑時應(yīng)特別謹(jǐn)慎。

（6）由于鈦的高度化學(xué)活性和特殊的物理、機械性能，對其進行切削加工可以采用一般的切削加工方法，但與其他常用金屬比，還有其特殊要求，掌握一定的加工技術(shù)，加工過程中加以注意。

為防止溫升過大，應(yīng)采用較低的切削速度，一般來說，應(yīng)比與它相同硬度的鋼件的切削速度低25～50%或更低。采用大的進刀量，進刀量對溫升影響很小。在切削過程中不要停止走刀，否則會引起加工硬化或產(chǎn)生燒結(jié)、擠裂而損壞刀具。切削刀具要鋒利，否則刀具極易磨損，因為切削刀具的磨損和切削量不成比例，開始時磨損很小，刀具一旦變鈍，磨損立即加劇。使用足夠的切削液（5%氯化鈉水溶液、油水體積比為1：20的乳化油等潤滑冷卻液），進行潤滑冷卻，將刀刃上的熱量帶走，并沖走切屑。

4、鈦截止閥密封性設(shè)計

4.1 密封副

鈦截止閥采用平面密封結(jié)構(gòu)，閥體、閥瓣密封副止口也是直接加工制成。閥門作為流體的控制機構(gòu)，閥瓣與閥座的密封作用非常重要。由于密封性能差或密封壽命短而產(chǎn)生的流體外漏或內(nèi)漏，會造成環(huán)境污染和經(jīng)濟損失，有毒性的流體、腐蝕性流體、放射性流體和易燃易爆流體有可能產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失，甚至造成人身傷亡事故。因此根據(jù)閥門工作條件的不同，對閥門密封面有不同的要求。一般要求有良好的耐擦傷性能、耐腐蝕性能、適宜的硬度、良好的熱態(tài)組織穩(wěn)定性、抗裂性及合理的工藝性等。因此，閥瓣、閥座止口材料選擇了鈦合金Ti60。

4.2 上密封的設(shè)置

為了提高密封質(zhì)量，設(shè)置上密封結(jié)構(gòu)，即截止閥完全開啟時閥瓣螺母與閥蓋之間的倒角配合，倒角加工時精度要求較高。

4.3 閥體與閥蓋密封

截止閥閥體中法蘭與閥蓋之間的密封用橡膠墊片，它的密封作用主要是借安裝時的預(yù)壓力和在工作時由工作介質(zhì)的壓力使密封圈產(chǎn)生變形來達到的。

4.4 填料密封

填料函的尺寸根據(jù)GB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，并將填料壓蓋和填料座系列化。安裝填料時要避免劃傷閥桿，壓緊填料壓蓋時各螺母受力要均勻。閥桿受填料作用易引起點狀腐蝕和擦傷，是填料處泄漏的原因之一，解決辦法是減少填料中氯離子、硫離子的含量，或采用緩蝕填料和提高閥桿的光潔度。閥桿運動狀態(tài)下還須克服填料的摩擦阻力。根據(jù)分析，填料選用聚四氟乙烯割裂絲編織成型密封填料。該材料具有耐高溫、自潤滑和耐化學(xué)腐蝕性，柔韌性好，不滲透，摩擦系數(shù)低，提高了閥的防泄漏能力。

5、截止閥強度性能

5.1 閥體

閥體的結(jié)構(gòu)尺寸、形式、材料；中法蘭結(jié)構(gòu)、連接螺栓大小和介質(zhì)流動通道都是根據(jù)GB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行設(shè)計，由于鈦材價格比較昂貴，設(shè)計時采用薄壁公式計算厚度。并對閥體強度和中法蘭連接螺栓數(shù)量進行校核。

（1）閥體設(shè)計計算壁厚SB為
S_B=P•D_N/（2.3[σ]-P）+C
式中S_B—考慮腐蝕裕量后閥體的壁厚，mm
D_N—閥體中腔最大內(nèi)徑，mm
P—介質(zhì)壓力,MPa
[σ]—材料許用應(yīng)力,MPa
C—腐蝕余量，mm

（2）中法蘭連接螺栓最大間距按下式計算
Ｓ＝２ｄ_B＋６δ_f/（ｍ＋0.5）
式中Ｓ－螺栓最大間距，mm
ｄ_B－螺栓公稱直徑，mm
δ_f－法蘭有效厚度，mm
ｍ－墊片系數(shù)，橡膠板取2∽3.5。

5.2 閥蓋

閥蓋與閥體共同組成“承壓殼體”，閥蓋所承受的介質(zhì)壓力、溫度等閥門參數(shù)與閥體基本相同。因此，在設(shè)計計算方法上兩者也有共性。閥蓋結(jié)構(gòu)尺寸和形式按GB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，閥蓋中法蘭尺寸設(shè)計計算和閥體中法蘭相同。

5.3 閥桿

閥桿受力及力矩沿閥桿軸向的分布如圖5。當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下方流入時，最大載荷在關(guān)閉位置，這時閥桿受壓。當(dāng)介質(zhì)從閥瓣上方流入時，最大載荷在開啟位置，這時閥桿受拉。

拉壓應(yīng)力按下式校核:
δ＝Ｑ_FZ/Ｆ≤[δ]
式中δ－閥桿所受的拉壓應(yīng)力，MPa
Ｑ_FZ－閥桿總軸向力，Ｎ
Ｑ_T－閥桿與填料間摩擦，Ｎ
Ｑ_FZ－閥桿總軸向力，Ｎ
Ｍ_FD－關(guān)閉時閥桿頭部與閥瓣接觸
面間的摩擦力矩，N.mm
Ｍ_FT－閥桿與填料間的摩擦力矩，N.mm
Ｍ_FL－關(guān)閉時的閥桿螺紋摩擦力矩，N.mm
Ｍ_F－關(guān)閉時的閥桿力矩，N.mm
Ｆ－閥桿的最小截面積，一般為螺紋根部或退刀槽的面積，mm2
[δ]－材料的許用拉或壓應(yīng)力，MPa

扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力按下式校核：
γ_N＝Ｍ/ω≤[γ_N]
式中γ_N－閥桿所受的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，MPa
Ｍ－計算截面處的力矩，N.mm
ω－計算截面的抗扭斷面系數(shù)，mm3

對圓形截面：ω＝0.2d³；
[γ_N]－材料的許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，MPa

合成應(yīng)力按下式校核：
δ_∑＝(δ²＋4γ_N²)^1/2≤[δ_∑]
式中δ_∑－閥桿所受的合成應(yīng)力，MPa
[δ_∑]－材料的許用合成應(yīng)力，MPa
其中的δ和γ_N應(yīng)取同一截面上的值。

6、結(jié)束語

由于石油、化工、宇航、船舶及海洋等領(lǐng)域的發(fā)展需要，促進了閥門工業(yè)的迅速發(fā)展，在管路控制時甚至起決定性的因素，往往由于可靠性不高，而使設(shè)備不能安全運行、報廢或大大降低設(shè)備的使用壽命。我們作為專業(yè)閥門廠一直致力于閥門結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和生產(chǎn)工藝的研究，從而提高閥門的可靠性及降低成本，滿足各領(lǐng)域?qū)?b>閥門技術(shù)發(fā)展的新要求。

江西船用閥門廠研制的法蘭鈦合金截止閥具有自主知識產(chǎn)權(quán)，編制并頒布了CB/T3992-2008《法蘭鈦合金截止閥》標(biāo)準(zhǔn)，通過了相關(guān)權(quán)威機構(gòu)組織的鑒定，已成功應(yīng)用于新一代船舶和海洋工程重點項目。

參考文獻：
1．《閥門設(shè)計手冊》，機械工業(yè)出版社, 楊源泉主編；
2．《鈦制化工設(shè)備設(shè)計》，化學(xué)工業(yè)部第四設(shè)計院，王瑤琴主編；
3．《閥門設(shè)計計算手冊》，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，洪勉成、陸培文主編；
4．《常用金屬材料手冊》，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，賈耀卿主編；
5．《JIS標(biāo)準(zhǔn)截止閥的設(shè)計》，《閥門》雜志2000年第6期，王飛

江西船用閥門廠　　王飛 郭小斌 何瑞祥