耐海水腐蝕鈦合金閥門

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1 之前介紹在線調(diào)節(jié)減壓閥，現(xiàn)在介紹耐海水腐蝕鈦合金閥門概述
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)，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)，符合國家產(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 耐海水腐蝕鈦合金閥門鈦的耐腐蝕性能
鈦是一種具有高度化學(xué)活性的金屬，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。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)注意電偶腐蝕的對比。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥鈦及鈦合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比高，無磁性，有生物惰性，并具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。在海水環(huán)境中，鈦及鈦合金幾乎不發(fā)生腐蝕，在大部分化學(xué)介質(zhì)中具有*的耐蝕性。目前，隨著科技的進(jìn)步以及各行各業(yè)對新材料應(yīng)用力度的加大，鈦閥門作為各種特殊環(huán)境及特殊流體介質(zhì)輸送系統(tǒng)的*產(chǎn)品已被大量應(yīng)用。然而不同領(lǐng)域及行業(yè)的流體介質(zhì)和環(huán)境條件不盡相同，對鈦閥所用材料的性能等要求有所不同。同時(shí)，由于鈦閥不同組件性能要求存在差異，成型工藝不同，以及為降低成本部分部件需選用代用材料等因素影響，選材成為鈦閥門設(shè)計(jì)制造中必須首要考慮的技術(shù)問題之一，而受到普遍的關(guān)注和重視。

2、常用鈦及鈦合金
2.1、工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦系指幾種具有不同的Fe、C、N、O等雜質(zhì)含量的非合金鈦。工業(yè)純鈦不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，成型性能優(yōu)良，易于熔焊和釬焊。調(diào)研后發(fā)現(xiàn)典型變形工業(yè)純鈦牌號有TA1、TA2和TA3等；典型鑄造工業(yè)純鈦牌號有ZTA1、ZTA2和ZTA3。

2.2、鈦合金

鈦合金是以鈦為基體，加入Al、Sn、Cr、Mo和Mn等元素組成的合金。鈦合金通常按照退火態(tài)相組成進(jìn)行分類，劃分為α型、β型和α+β型鈦合金。α型鈦合金主要成分為Ti中加入Al、Sn、Cr等α穩(wěn)定元素的合金，其退回狀態(tài)下的組織為單相α固溶體。α型鈦合金不能熱處理強(qiáng)化，其強(qiáng)度比β型和α+β型鈦合金低，但在500～600℃使用時(shí)能保持良好的高溫強(qiáng)度。α型鈦合金具有良好的焊接性能、鑄造性能、壓力加工性能、組織穩(wěn)定性和無冷脆性，缺點(diǎn)是較低的工藝塑性及對氫脆的敏感性。α型鈦合金實(shí)際應(yīng)用廣泛，典型α型變形鈦合號有TA5、TA7、TA9等。

β型鈦合金主要成分為Ti中加入Cr、Mo、V等元素的合金，這類合金經(jīng)淬火處理后得到β固溶體組織，具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性，壓力加工性能和焊接性能良好。但是β型鈦合金的組織和性能不穩(wěn)定，熔煉工藝復(fù)雜，應(yīng)用較少。穩(wěn)定的β型鈦合金有TB7和Ti40。

α+β型鈦合金的室溫組織為α+β組織，是在穩(wěn)定狀態(tài)下含5%～25%的β相以及從β區(qū)急劇冷卻形成α型馬氏體相的α+β鈦合金，它可通過熱處理淬火加時(shí)效處理強(qiáng)化。α+β型鈦合金力學(xué)性能范圍較寬，在寬廣的溫度范圍內(nèi)有較好的綜合性能，可適合各種不同的用途。典型α+β型變形鈦合號有TC4、TC11和TC16等。典型α+β型鑄造鈦合號有ZTC3、ZTC4和ZTC5。

3、鈦的力學(xué)性能
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，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，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，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τ诤猩倭靠扇苄苑锏娜芤菏遣荒透g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。
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*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)，大載荷在開啟位置，這時(shí)閥桿受拉。

5 結(jié)語
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家標(biāo)準(zhǔn)（CB/T3992-2008），通過了相關(guān)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。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：不銹鋼減壓閥