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                            船用鈦合金截止閥耐海水腐蝕

                              上海申弘閥門有限公司

之前介紹SUS304不銹鋼法蘭截止閥，現(xiàn)在介紹船用鈦合金截止閥耐海水腐蝕鈦合金截止閥在船用閥門上的設(shè)計(jì)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(jì)與應(yīng)用，用截止閥舉例了鈦閥的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，閥門的密封性能及強(qiáng)度性能的設(shè)計(jì)和計(jì)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(qiáng)度高、耐腐蝕、耐壓性好等突出優(yōu)點(diǎn)，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、船用鈦合金截止閥耐海水腐蝕前言

鈦閥門及鈦合金具有比重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐壓性好等突出優(yōu)點(diǎn)，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(jì)，符合國(guó)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。

上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥大口徑鈦截止閥選用的鈦材料是一種具有高度化學(xué)活性的金屬。對(duì)許多腐蝕介質(zhì)都呈現(xiàn)出特別優(yōu)異的耐腐蝕性。原因是鈦和氧有很好的親和力，極易與氧反應(yīng)而在其表面生成一層堅(jiān)固而致密的鈍性氧化薄膜。上海宏圖閥門生產(chǎn)的大口徑鈦截止閥結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理，閥門剛性好，通道流暢，流陰系數(shù)小。驅(qū)動(dòng)方式可分手動(dòng)、電動(dòng)、齒輪傳動(dòng)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氯堿工業(yè)、純堿工業(yè)、制藥工業(yè)、精細(xì)化工業(yè)，基本有機(jī)酸和無機(jī)鹽生產(chǎn)，硝酸工業(yè)等。
規(guī)格參數(shù)
壓力等級(jí)：PN1.0-10.0MPa CLASS150-600Lb
公稱通徑：DN200-DN350 
相對(duì)應(yīng)的型號(hào)： J41W-150Lb(Ti)、J41W-300Lb(Ti)、J41W-600Lb(Ti)、J941W-10Ti、J941W- 16Ti、J941W-25Ti、J941W-40Ti、J941W-63Ti、J941W-100Ti、J941W-150Lb(Ti)、J941W- 300Lb(Ti)、J941W-600Lb(Ti)
適用介質(zhì)：氧化性腐蝕介質(zhì)。
技術(shù)規(guī)范
設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T12235、ASME B16.34、BS1873
結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度：GB/T12221、ASME B16.10
連接法蘭：HG、GB、JB、API、ANSI、ISO、BS、DIN、NF、JIS
試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T9092、GB/T13927、API598
主體材料
閥體：TA1、TA2、TA10、Gr2、Gr3
閥瓣：TA1、TA2、TA10、Gr2、Gr3
閥桿：TA1、TA2、TA10、TC4、Gr2、Gr3、Gr5

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(duì)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(shí)，表面立即形成一種堅(jiān)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(jī)械損傷，又會(huì)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(diǎn)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(shí)，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(duì)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(shí)電位差很小，不會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕。但同樣在海水中，鈦與鋁、鋅、碳鋼接觸時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(qiáng)烈的極化傾向，即意味著包含鈦?zhàn)麝帢O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(shí)，鈦截止閥的腐蝕率通常不會(huì)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(duì)比。

3、鈦閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)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(duì)密封面的直接沖刷和由于通道的急劇收縮及擴(kuò)張而產(chǎn)生渦流區(qū)。

設(shè)計(jì)制造鈦閥時(shí)必須注意以下幾個(gè)問題：

（1）鈦材較貴，為經(jīng)濟(jì)、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(jī)械性能隨溫度而改變的情況，較一般碳素鋼、合金鋼大。其強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度上升而下降，如250～300℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為常溫時(shí)的一半。因此，即使在設(shè)計(jì)溫度不高的情況下，也應(yīng)按設(shè)計(jì)溫度下的強(qiáng)度值選取。鈦的屈強(qiáng)比高、持久強(qiáng)度好，因此，設(shè)計(jì)溫度在316℃以下時(shí)，決定設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)的往往是該溫度下的抗拉強(qiáng)度值。對(duì)工業(yè)純鈦來說，是不能通過熱處理來提高強(qiáng)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(shí)，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(shí)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，不要設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)，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，不用鈦螺栓作強(qiáng)制密封的連接件。當(dāng)因耐腐蝕須用鈦螺栓時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?rùn)滑劑解決。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(dòng)作性能由閥桿螺紋控制，通過手輪旋轉(zhuǎn)來達(dá)到，應(yīng)通過材料性能和各個(gè)零件的工藝性來保證。

（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要zui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?yàn)殁亴?duì)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(shí)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(jī)械性能，對(duì)其進(jìn)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(jìn)刀量，進(jìn)刀量對(duì)溫升影響很小。在切削過程中不要停止走刀，否則會(huì)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?yàn)榍邢鞯毒叩哪p和切削量不成比例，開始時(shí)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(rùn)滑冷卻液），進(jìn)行潤(rùn)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(jì)

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(jī)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(huì)造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)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(jì)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(duì)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*開啟時(shí)閥瓣螺母與閥蓋之間的倒角配合，倒角加工時(shí)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(shí)的預(yù)壓力和在工作時(shí)由工作介質(zhì)的壓力使密封圈產(chǎn)生變形來達(dá)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(jì)，并將填料壓蓋和填料座系列化。安裝填料時(shí)要避免劃傷閥桿，壓緊填料壓蓋時(shí)各螺母受力要均勻。閥桿受填料作用易引起點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(rùn)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(qiáng)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(dòng)通道都是根據(jù)GB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于鈦材價(jià)格比較昂貴，設(shè)計(jì)時(shí)采用薄壁公式計(jì)算厚度。并對(duì)閥體強(qiáng)度和中法蘭連接螺栓數(shù)量進(jìn)行校核。

（1）閥體設(shè)計(jì)計(jì)算壁厚SB為
SB=P•DN/（2.3[σ]-P）+C
式中SB—考慮腐蝕裕量后閥體的壁厚，mm
DN—閥體中腔zui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zui大間距按下式計(jì)算
Ｓ＝２ｄB＋６δf/（ｍ＋0.5）
式中Ｓ－螺栓zui大間距，mm
ｄB－螺栓公稱直徑，mm
δf－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(jì)計(jì)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(jì)計(jì)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(shí)，zui大載荷在關(guān)閉位置，這時(shí)閥桿受壓。當(dāng)介質(zhì)從閥瓣上方流入時(shí)，zui大載荷在開啟位置，這時(shí)閥桿受拉。

拉壓應(yīng)力按下式校核:
δ＝ＱFZ/Ｆ≤[δ]
式中δ－閥桿所受的拉壓應(yīng)力，MPa
ＱFZ－閥桿總軸向力，Ｎ
ＱT－閥桿與填料間摩擦，Ｎ
ＱFZ－閥桿總軸向力，Ｎ
ＭFD－關(guān)閉時(shí)閥桿頭部與閥瓣接觸
面間的摩擦力矩，N.mm
ＭFT－閥桿與填料間的摩擦力矩，N.mm
ＭFL－關(guān)閉時(shí)的閥桿螺紋摩擦力矩，N.mm
ＭF－關(guān)閉時(shí)的閥桿力矩，N.mm
Ｆ－閥桿的zui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：
γN＝Ｍ/ω≤[γN]
式中γN－閥桿所受的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，MPa
Ｍ－計(jì)算截面處的力矩，N.mm
ω－計(jì)算截面的抗扭斷面系數(shù)，mm3

對(duì)圓形截面：ω＝0.2d3；
[γN]－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＋4γN2)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γN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(jìn)了閥門工業(yè)的迅速發(fā)展，在管路控制時(shí)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(yùn)行、報(bào)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)﹂y門技術(shù)發(fā)展的新要求。

上海申弘閥門廠研制的法蘭鈦合金截止閥具有自主知識(shí)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)機(jī)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(diǎn)項(xiàng)目。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有化工隔膜閥構(gòu)造原理