鈦合金截止閥在船用閥門上的設計與應用

摘要：本文介紹了鈦截止閥在船用閥門上的設計與應用，用截止閥舉例了鈦閥的主要結構特點，閥門的密封性能及強度性能的設計和計算校核。關注其在海水中的電偶腐蝕及制造中應注意的問題，說明鈦閥門及鈦合金具有比重輕、強度高、耐腐蝕、耐壓性好等突出優點，在船舶及海洋工程上應用具有廣闊前景。
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、耐壓性好等突出優點，目前已廣泛應用于航空、宇宙開發、石油、化工、冶金、電力、醫藥衛生、儀器儀表等行業。為適應海洋工程深海容器、船舶、船用閥門等領域需求，閥門技術網將其鈦合金應用于閥門的制造，在鈦閥門開發過程中，用新技術、新材料和新標準規范產品設計，符合國家高新技術產品政策的要求，是一種新興的，又很有發展前途的材料應用技術，從而提高了閥門質量，改善了產品性能。

2、鈦的耐腐蝕性能

鈦是一種具有高度化學活性的金屬，但是，它對大多數腐蝕介質都呈現出特別優異的耐腐蝕性。原因是鈦和氧有很大的親和力，當鈦暴露于大氣，或任何含氧介質時，表面立即形成一種堅固而緊密的鈍性氧化薄膜。這種薄膜十分穩定，如果產生機械損傷，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、應力腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、腐蝕疲勞等，但鈦應用在船舶閥門上主要是關注電偶腐蝕。

電偶腐蝕是當兩種不同的金屬在一電解質中構成電偶時，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，它在許多介質中是鈍態的，并且顯示出類似于鈍態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，只產生小的電流。由于鈦表面有氧化膜存在，所以，當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、鈦閥結構特點和設計制造注意問題

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

設計制造鈦閥時必須注意以下幾個問題：

（1）鈦材較貴，為經濟、合理使用鈦材，在不與腐蝕介質接觸的部位，應盡量不用鈦制零件。

（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，即使在設計溫度不高的情況下，也應按設計溫度下的強度值選取。鈦的屈強比高、持久強度好，因此，設計溫度在316℃以下時，決定設計強度指標的往往是該溫度下的抗拉強度值。對工業純鈦來說，是不能通過熱處理來提高強度指標值的。 鈦的熱膨脹系數小，當鈦和其他材料聯合使用時，要注意膨脹差引起的應力。

（3）工業純鈦和α-鈦合金壓力加工時的塑性變形范圍少，容易產生破裂。而提高變形速度、降低變形溫度等都可能導致加工中的破裂。因此，最好不要設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象而產生應力松馳問題，最好不用鈦螺栓作強制密封的連接件。當因耐腐蝕須用鈦螺栓時，結構設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、咬合現象。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的潤滑劑解決。應少采用需要攻絲的內螺紋，盡量選用帶退刀槽的車制螺紋結構。同樣，鈦閥的調節及動作性能由閥桿螺紋控制，通過手輪旋轉來達到，應通過材料性能和各個零件的工藝性來保證。

（5）結構設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中發生縫隙腐蝕現象。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劑時應特別謹慎。

（6）由于鈦的高度化學活性和特殊的物理、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，加工過程中加以注意。

為防止溫升過大，應采用較低的切削速度，一般來說，應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生燒結、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、鈦截止閥密封性設計

4.1 密封副

鈦截止閥采用平面密封結構，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，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生的流體外漏或內漏，會造成環境污染和經濟損失，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生重大經濟損失，甚至造成人身傷亡事故。因此根據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、良好的熱態組織穩定性、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 上密封的設置

為了提高密封質量，設置上密封結構，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壓力和在工作時由工作介質的壓力使密封圈產生變形來達到的。

4.4 填料密封

填料函的尺寸根據GB標準設計，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。閥桿運動狀態下還須克服填料的摩擦阻力。根據分析，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、自潤滑和耐化學腐蝕性，柔韌性好，不滲透，摩擦系數低，提高了閥的防泄漏能力。

5、截止閥強度性能

5.1 閥體

閥體的結構尺寸、形式、材料；中法蘭結構、連接螺栓大小和介質流動通道都是根據GB標準規定進行設計，由于鈦材價格比較昂貴，設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量進行校核。

（1）閥體設計計算壁厚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—閥體中腔最大內徑，mm
P—介質壓力,MPa
[σ]—材料許用應力,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，橡膠板取2∽3.5。

5.2 閥蓋

閥蓋與閥體共同組成“承壓殼體”，閥蓋所承受的介質壓力、溫度等閥門參數與閥體基本相同。因此，在設計計算方法上兩者也有共性。閥蓋結構尺寸和形式按GB標準規定，閥蓋中法蘭尺寸設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。當介質從閥瓣下方流入時，最大載荷在關閉位置，這時閥桿受壓。當介質從閥瓣上方流入時，最大載荷在開啟位置，這時閥桿受拉。

拉壓應力按下式校核:
δ＝Ｑ_FZ/Ｆ≤[δ]
式中δ－閥桿所受的拉壓應力，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－關閉時的閥桿螺紋摩擦力矩，N.mm
Ｍ_F－關閉時的閥桿力矩，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力，MPa

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

對圓形截面：ω＝0.2d³；
[γ_N]－材料的許用扭轉剪切應力，MPa

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

6、結束語

由于石油、化工、宇航、船舶及海洋等領域的發展需要，促進了閥門工業的迅速發展，在管路控制時甚至起決定性的因素，往往由于可靠性不高，而使設備不能安全運行、報廢或大大降低設備的使用壽命。我們作為專業閥門廠一直致力于閥門結構、材質和生產工藝的研究，從而提高閥門的可靠性及降低成本，滿足各領域對閥門技術發展的新要求。

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權，編制并頒布了CB/T3992-2008《法蘭鈦合金截止閥》標準，通過了相關權威機構組織的鑒定，已成功應用于新一代船舶和海洋工程重點項目。

參考文獻：
1．《閥門設計手冊》，機械工業出版社, 楊源泉主編；
2．《鈦制化工設備設計》，化學工業部第四設計院，王瑤琴主編；
3．《閥門設計計算手冊》，中國標準出版社，洪勉成、陸培文主編；
4．《常用金屬材料手冊》，中國標準出版社，賈耀卿主編；
5．《JIS標準截止閥的設計》，《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