摘 要：介紹了鈦合金閥門在海洋工程及船舶上的應(yīng)用情況。分析了鈦合金材料在海水中的電偶腐蝕特點(diǎn)及其力學(xué)性能。提出了鈦合金閥門設(shè)計(jì)、制造及使用中應(yīng)注意的問題。

　　關(guān)鍵字：鈦合金；截止閥；密封副；船用閥；耐腐蝕性

　　1　概述

　　鈦及鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐壓性好等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生和儀器儀表等行業(yè)。為適應(yīng)海洋工程深海容器、船舶等領(lǐng)域需求，在鈦合金閥開發(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。

　　鈦是一種具有高度化學(xué)活性的金屬，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。鈦和氧有很大的親和力，在接觸于大氣或任何含氧介質(zhì)時(shí)，其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）。

　　金屬鈦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、電偶腐蝕和腐蝕疲勞等，但鈦應(yīng)用在船舶閥門上主要是電偶腐蝕。

　　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(yáng)極的金屬的腐蝕可以被加速。其腐蝕量取決于材料間的電極電位差，也取決于陽(yáng)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、哈斯特洛依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(yáng)極與陰極面積比為1∶10）時(shí)，被接觸金屬將很快腐蝕。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。鈦與某些金屬在海水中接觸腐蝕量如圖1。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)與其他金屬接觸時(shí)，其腐蝕率通常不會(huì)增加。因此在船舶用鈦制閥門上的其他材料應(yīng)注意電偶腐蝕的對(duì)比。

　　圖1　鈦———異種金屬浸泡于通氣海水（2500h）的性能

　　3　閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　（1）鈦合金閥門的閥體流道采用圖2形式（以截止閥為例），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)。

　　圖2　法蘭鈦合金截止閥

　　（2）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。

　　（3）鈦材的力學(xué)性能隨溫度而改變，其值較一般碳素鋼或合金鋼大。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)度約為常溫時(shí)的50%。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。工業(yè)純鈦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)，要注意膨脹值差引起的應(yīng)力。

　　（4）工業(yè)純鈦和α-鈦合金壓力加工時(shí)的塑性變形范圍小，容易產(chǎn)生破裂。而提高變形速度或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(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。

　　（5）選用鈦制螺栓時(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)力松弛問題，最好不用鈦制螺栓作強(qiáng)制密封的連接件。當(dāng)因耐腐蝕須用鈦制螺栓時(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)和咬合現(xiàn)象。鈦制螺紋易咬合，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，通過手輪旋轉(zhuǎn)閥桿控制鈦閥的調(diào)節(jié)及動(dòng)作，應(yīng)通過材料性能和各個(gè)零件的工藝性來保證。

　　（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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?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。

　　（7）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)比與其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。刀具切削刃應(yīng)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）潤(rùn)滑冷卻，降低刀刃上的熱量，并沖走切屑。

　　4　閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　4.1　密封副

　　截止閥采用平面密封結(jié)構(gòu)，閥體和閥瓣的密封副止口也是直接加工制成（圖3）。

　　圖3　密封面結(jié)構(gòu)

　　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。根據(jù)閥門工作條件的不同，一般要求閥門密封面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Ti60，260～300HB，密封面的許用比壓45MPa。

　　4.2　上密封設(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(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

　　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。

　　4.5　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)通道根據(jù)GB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)。由于鈦價(jià)格較貴，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。

　　4.6　閥蓋

　　閥蓋與閥體共同組成承壓殼體，閥蓋所承受的介質(zhì)壓力和溫度等技術(shù)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。

　　4.7　閥桿

　　當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下方流入時(shí)，閥桿受力及力矩沿閥桿軸向最大載荷在關(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)，最大載荷在開啟位置，這時(shí)閥桿受拉。

　　石油、化工、宇航、船舶及海洋等領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了閥門工業(yè)的迅速發(fā)展。對(duì)鈦合金閥門的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和生產(chǎn)工藝方面進(jìn)行了更深入的開發(fā)和研究，從而提高了閥門的可靠性和管路控制設(shè)備的壽命，滿足了各領(lǐng)域?qū)﹂y門技術(shù)發(fā)展的要求。目前，法蘭鈦合金截止閥已具有了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（CB/T3992-2008），通過了相關(guān)權(quán)威組織機(jī)構(gòu)的鑒定，成功應(yīng)用于新一代船舶和海洋工程重點(diǎn)項(xiàng)目。

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