钛合金截止阀在船用阀门上的设计与应用

摘要：本文介绍了钛截止阀在船用阀门上的设计与应用，用截止阀举例了钛阀的主要结构特点，阀门的密封性能及强度性能的设计和计算校核。关注其在海水中的电偶腐蚀及制造中应注意的问题，说明钛阀门及钛合金具有比重轻、强度高、耐腐蚀、耐压性好等突出优点，在船舶及海洋工程上应用具有广阔前景。
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.

关键词：钛阀门,钛合金,截止阀,密封副,船舶,耐腐蚀性。
Key words: titanium alloy, globe valve, coupling sealing parts, ship, corrosion-resistance

1、前言

钛阀门及钛合金具有比重轻、强度高、耐腐蚀、耐压性好等突出优点，目前已广泛应用于航空、宇宙开发、石油、化工、冶金、电力、医药卫生、仪器仪表等行业。为适应海洋工程深海容器、船舶、船用阀门等领域需求，阀门技术网将其钛合金应用于阀门的制造，在钛阀门开发过程中，用新技术、新材料和新标准规范产品设计，符合国家高新技术产品政策的要求，是一种新兴的，又很有发展前途的材料应用技术，从而提高了阀门质量，改善了产品性能。

2、钛的耐腐蚀性能

钛是一种具有高度化学活性的金属，但是，它对大多数腐蚀介质都呈现出特别优异的耐腐蚀性。原因是钛和氧有很大的亲和力，当钛暴露于大气，或任何含氧介质时，表面立即形成一种坚固而紧密的钝性氧化薄膜。这种薄膜十分稳定，如果产生机械损伤，又会立即重新形成（只要存在一定量的氧）。

钛金属有几种特殊的腐蚀形式，如高温腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、腐蚀疲劳等，但钛应用在船舶阀门上主要是关注电偶腐蚀。

电偶腐蚀是当两种不同的金属在一电解质中构成电偶时，作阳极的金属的腐蚀可以被加速。其腐蚀量取决于两种材料间的电极电位差，也取决于阳极和阴极的面积比以及两者的极化特性。钛与一般材料不同，它在许多介质中是钝态的，并且显示出类似于钝态18-8不锈钢的电位。钛在海水中的电位是-0.10V（对饱和甘汞电极）。钛与蒙乃尔合金、哈斯特洛衣C、18-8不锈钢、加Ni的铝青铜管板接触时电位差很小，不会产生电偶腐蚀。但同样在海水中，钛与铝、锌、碳钢接触时，铝、锌等金属被腐蚀。然而，它们的腐蚀速度却比与不锈钢接触时所引起的腐蚀小。这些金属的腐蚀程度随钛和接触钛的金属表面积的比例而变化。接触钛的金属和钛的表面积比为1：10（即阳极与阴极面积比为1：10）时，被接触的金属很快就腐蚀了。与此相反，与钛接触的金属和钛的表面积比为10：1时，其腐蚀率大大降低。

在低浓度还原性酸（如硫酸或盐酸）也存在类似海水的情况。此外，钛有强烈的极化倾向，即意味着包含钛作阴极的电偶，只产生小的电流。由于钛表面有氧化膜存在，所以，当它与其他金属接触时，钛截止阀的腐蚀率通常不会增加。因此在船舶钛阀门上的其他材料选择就要注意电偶腐蚀的对比。

3、钛阀结构特点和设计制造注意问题

钛及钛合金在阀门上的应用，我们以截止阀为例。阀体流道采用图2形式，以减小介质对密封面的直接冲刷和由于通道的急剧收缩及扩张而产生涡流区。

设计制造钛阀时必须注意以下几个问题：

（1）钛材较贵，为经济、合理使用钛材，在不与腐蚀介质接触的部位，应尽量不用钛制零件。

（2）钛的机械性能随温度而改变的情况，较一般碳素钢、合金钢大。其强度指标随温度上升而下降，如250～300℃时的抗拉强度和屈服强度为常温时的一半。因此，即使在设计温度不高的情况下，也应按设计温度下的强度值选取。钛的屈强比高、持久强度好，因此，设计温度在316℃以下时，决定设计强度指标的往往是该温度下的抗拉强度值。对工业纯钛来说，是不能通过热处理来提高强度指标值的。 钛的热膨胀系数小，当钛和其他材料联合使用时，要注意膨胀差引起的应力。

（3）工业纯钛和α-钛合金压力加工时的塑性变形范围少，容易产生破裂。而提高变形速度、降低变形温度等都可能导致加工中的破裂。因此，最好不要设计变形量大的冷加工件；在需要翻边的地方，弯曲半径尽量取得大一些；用强度胀连接的管子与管板管孔之间的间隙公差要小，以免钛管胀裂。

（4）选用钛螺栓时，必须考虑由于钛在常温下也有蠕变现象而产生应力松驰问题，最好不用钛螺栓作强制密封的连接件。当因耐腐蚀须用钛螺栓时，结构设计需考虑易于定期拧紧螺栓以保证密封。钛和不锈钢一样，也具有摩擦粘结、咬合现象。钛螺纹易咬合，可使用异种材料或较大间隙的螺纹配合或用适当的润滑剂解决。应少采用需要攻丝的内螺纹，尽量选用带退刀槽的车制螺纹结构。同样，钛阀的调节及动作性能由阀杆螺纹控制，通过手轮旋转来达到，应通过材料性能和各个零件的工艺性来保证。

（5）结构设计时要最大限度地消除缝隙和可以存水的凹处，以避免钛在某些介质中发生缝隙腐蚀现象。尤其是钛与四氟形成的缝隙，比钛-钛之间的缝隙还容易受到腐蚀，因为钛对于含有少量可溶性氟化物的溶液是不耐腐蚀的，氟化物使钝态破坏。因此，在使用聚四氟乙烯塑料垫，含氟的橡胶垫圈和粘结剂时应特别谨慎。

（6）由于钛的高度化学活性和特殊的物理、机械性能，对其进行切削加工可以采用一般的切削加工方法，但与其他常用金属比，还有其特殊要求，掌握一定的加工技术，加工过程中加以注意。

为防止温升过大，应采用较低的切削速度，一般来说，应比与它相同硬度的钢件的切削速度低25～50%或更低。采用大的进刀量，进刀量对温升影响很小。在切削过程中不要停止走刀，否则会引起加工硬化或产生烧结、挤裂而损坏刀具。切削刀具要锋利，否则刀具极易磨损，因为切削刀具的磨损和切削量不成比例，开始时磨损很小，刀具一旦变钝，磨损立即加剧。使用足够的切削液（5%氯化钠水溶液、油水体积比为1：20的乳化油等润滑冷却液），进行润滑冷却，将刀刃上的热量带走，并冲走切屑。

4、钛截止阀密封性设计

4.1 密封副

钛截止阀采用平面密封结构，阀体、阀瓣密封副止口也是直接加工制成。阀门作为流体的控制机构，阀瓣与阀座的密封作用非常重要。由于密封性能差或密封寿命短而产生的流体外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，有毒性的流体、腐蚀性流体、放射性流体和易燃易爆流体有可能产生重大经济损失，甚至造成人身伤亡事故。因此根据阀门工作条件的不同，对阀门密封面有不同的要求。一般要求有良好的耐擦伤性能、耐腐蚀性能、适宜的硬度、良好的热态组织稳定性、抗裂性及合理的工艺性等。因此，阀瓣、阀座止口材料选择了钛合金Ti60。

4.2 上密封的设置

为了提高密封质量，设置上密封结构，即截止阀完全开启时阀瓣螺母与阀盖之间的倒角配合，倒角加工时精度要求较高。

4.3 阀体与阀盖密封

截止阀阀体中法兰与阀盖之间的密封用橡胶垫片，它的密封作用主要是借安装时的预压力和在工作时由工作介质的压力使密封圈产生变形来达到的。

4.4 填料密封

填料函的尺寸根据GB标准设计，并将填料压盖和填料座系列化。安装填料时要避免划伤阀杆，压紧填料压盖时各螺母受力要均匀。阀杆受填料作用易引起点状腐蚀和擦伤，是填料处泄漏的原因之一，解决办法是减少填料中氯离子、硫离子的含量，或采用缓蚀填料和提高阀杆的光洁度。阀杆运动状态下还须克服填料的摩擦阻力。根据分析，填料选用聚四氟乙烯割裂丝编织成型密封填料。该材料具有耐高温、自润滑和耐化学腐蚀性，柔韧性好，不渗透，摩擦系数低，提高了阀的防泄漏能力。

5、截止阀强度性能

5.1 阀体

阀体的结构尺寸、形式、材料；中法兰结构、连接螺栓大小和介质流动通道都是根据GB标准规定进行设计，由于钛材价格比较昂贵，设计时采用薄壁公式计算厚度。并对阀体强度和中法兰连接螺栓数量进行校核。

（1）阀体设计计算壁厚SB为
S_B=P•D_N/（2.3[σ]-P）+C
式中S_B—考虑腐蚀裕量后阀体的壁厚，mm
D_N—阀体中腔最大内径，mm
P—介质压力,MPa
[σ]—材料许用应力,MPa
C—腐蚀余量，mm

（2）中法兰连接螺栓最大间距按下式计算
Ｓ＝２ｄ_B＋６δ_f/（ｍ＋0.5）
式中Ｓ－螺栓最大间距，mm
ｄ_B－螺栓公称直径，mm
δ_f－法兰有效厚度，mm
ｍ－垫片系数，橡胶板取2∽3.5。

5.2 阀盖

阀盖与阀体共同组成“承压壳体”，阀盖所承受的介质压力、温度等阀门参数与阀体基本相同。因此，在设计计算方法上两者也有共性。阀盖结构尺寸和形式按GB标准规定，阀盖中法兰尺寸设计计算和阀体中法兰相同。

5.3 阀杆

阀杆受力及力矩沿阀杆轴向的分布如图5。当介质从阀瓣下方流入时，最大载荷在关闭位置，这时阀杆受压。当介质从阀瓣上方流入时，最大载荷在开启位置，这时阀杆受拉。

拉压应力按下式校核:
δ＝Ｑ_FZ/Ｆ≤[δ]
式中δ－阀杆所受的拉压应力，MPa
Ｑ_FZ－阀杆总轴向力，Ｎ
Ｑ_T－阀杆与填料间摩擦，Ｎ
Ｑ_FZ－阀杆总轴向力，Ｎ
Ｍ_FD－关闭时阀杆头部与阀瓣接触
面间的摩擦力矩，N.mm
Ｍ_FT－阀杆与填料间的摩擦力矩，N.mm
Ｍ_FL－关闭时的阀杆螺纹摩擦力矩，N.mm
Ｍ_F－关闭时的阀杆力矩，N.mm
Ｆ－阀杆的最小截面积，一般为螺纹根部或退刀槽的面积，mm2
[δ]－材料的许用拉或压应力，MPa

扭转剪切应力按下式校核：
γ_N＝Ｍ/ω≤[γ_N]
式中γ_N－阀杆所受的扭转剪切应力，MPa
Ｍ－计算截面处的力矩，N.mm
ω－计算截面的抗扭断面系数，mm3

对圆形截面：ω＝0.2d³；
[γ_N]－材料的许用扭转剪切应力，MPa

合成应力按下式校核：
δ_∑＝(δ²＋4γ_N²)^1/2≤[δ_∑]
式中δ_∑－阀杆所受的合成应力，MPa
[δ_∑]－材料的许用合成应力，MPa
其中的δ和γ_N应取同一截面上的值。

6、结束语

由于石油、化工、宇航、船舶及海洋等领域的发展需要，促进了阀门工业的迅速发展，在管路控制时甚至起决定性的因素，往往由于可靠性不高，而使设备不能安全运行、报废或大大降低设备的使用寿命。我们作为专业阀门厂一直致力于阀门结构、材质和生产工艺的研究，从而提高阀门的可靠性及降低成本，满足各领域对阀门技术发展的新要求。

江西船用阀门厂研制的法兰钛合金截止阀具有自主知识产权，编制并颁布了CB/T3992-2008《法兰钛合金截止阀》标准，通过了相关权威机构组织的鉴定，已成功应用于新一代船舶和海洋工程重点项目。

参考文献：
1．《阀门设计手册》，机械工业出版社, 杨源泉主编；
2．《钛制化工设备设计》，化学工业部第四设计院，王瑶琴主编；
3．《阀门设计计算手册》，中国标准出版社，洪勉成、陆培文主编；
4．《常用金属材料手册》，中国标准出版社，贾耀卿主编；
5．《JIS标准截止阀的设计》，《阀门》杂志2000年第6期，王飞

江西船用阀门厂　　王飞 郭小斌 何瑞祥