1 概述

      鈦及鈦合金具有密度低（dī）、強度高、耐腐蝕和耐壓性好（hǎo）等突出優（yōu）點, 目前已廣泛應用於航空、航天、石油、化工、冶金、電力、醫藥衛（wèi）生（shēng）和儀器儀表（biǎo）等（děng）行業。為適（shì）應海洋工程深海容器、船舶等領域需求, 在鈦合金閥開發過程中, 用新技術、新材料（liào）和新標準（zhǔn）規範產（chǎn）品設計, 符合國（guó）家高新技術產品政策的要求, 是一種（zhǒng）新興的, 又很有發展前途的材料應用（yòng）技術, 從而提高了閥門質量, 改（gǎi）善了產品（pǐn）性能。

      2 鈦的耐腐（fǔ）蝕性能

      鈦（tài）是一（yī）種具有高度化學活性（xìng）的金屬, 對（duì）大多數腐（fǔ）蝕介質都呈現（xiàn）出特別優異的耐腐蝕性。鈦和氧有很大的親和力, 在接觸（chù）於大氣或任何含氧（yǎng）介質時, 其表麵立即形成一種堅（jiān）固而（ér）緊（jǐn）密的（de）鈍性氧化薄膜（mó）。這種薄膜十分穩定, 如果產生機械損傷, 又會立即重新形成(隻要（yào）存在一定量的氧)。

      金（jīn）屬鈦有幾（jǐ）種特殊（shū）的腐蝕形式, 如（rú）高溫腐蝕、應力腐蝕、點腐（fǔ）蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕和腐蝕疲勞等,但鈦應用在船舶閥門上主要是電偶腐（fǔ）蝕。

      電偶腐蝕是當（dāng）兩種不同的金屬在一電解質（zhì）中構成電偶時, 作陽（yáng）極（jí）的金屬的腐蝕可以被加速。其腐蝕量取決（jué）於材料間的電極（jí）電位差（chà）, 也取決於（yú）陽極和陰極的麵積比以及兩者的極化特性（xìng）。鈦與一般材料不同, 它在許（xǔ）多介質中是鈍態的（de）, 並且顯示出類似於鈍態18-8不鏽鋼的電位。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不鏽鋼、加N i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（gāng）接觸時, 鋁、鋅等金屬被腐（fǔ）蝕。然而, 它們的（de）腐蝕速（sù）度卻比與不鏽鋼接觸（chù）時所引（yǐn）起的腐蝕（shí）小。這些金屬的腐蝕程度隨鈦和接觸（chù）鈦的（de）金（jīn）屬表麵積的（de）比例而變化。接觸（chù）鈦的（de）金（jīn）屬和鈦的表麵積比為（wéi）1：10(即陽極與陰極麵（miàn）積比為1：10)時, 被接觸金屬將很快腐（fǔ）蝕。與此相反, 與鈦（tài）接觸的金（jīn）屬和鈦（tài）的表麵積比為10：1時, 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（hái）原性酸(如硫酸（suān）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, 隻產生小的電流。由於鈦（tài）表麵有氧化膜存在, 所以, 當與其他金屬（shǔ）接（jiē）觸時, 其腐蝕率通常不會（huì）增加。因此在船舶用鈦製閥門（mén）上的其他材料應注意電偶腐蝕的對比。

      3 閥門結構特點

      ( 1) 鈦（tài）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）對密封麵的直接衝刷和由（yóu）於通道的（de）急劇收（shōu）縮及擴張而產生渦流區。

      ( 2)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, 應盡量不用鈦製零件。

       ( 3)鈦材（cái）的力學性能隨溫度而改變, 其值較一般碳素鋼（gāng）或合金鋼大。其強度指標隨（suí）溫度上升而（ér）下降, 如250~ 300℃ 時（shí）的抗拉強度（dù）和屈服強度（dù）約為常溫時的（de）50%。因此, 即使在設計溫度不高的（de）情況下, 也應按設計（jì）溫度下的（de）強（qiáng）度值選取。鈦的屈強比高、持久強度好, 因此, 設（shè）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（lā）強度值。工業純鈦是不能通過熱處理來提（tí）高強度指標值的。鈦的熱膨脹係數小, 當鈦和其他（tā）材料聯合使用時, 要（yào）注意膨脹值差引起的（de）應（yīng）力。

      ( 4)工業純鈦和- 鈦合（hé）金壓（yā）力加工（gōng）時的塑性變形範圍小, 容易產生破裂。而提高變形速度（dù）或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（shè）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（dé）大一些。用強度脹連（lián）接的管子與管板管孔之間的間隙公差要小, 以免鈦（tài）管（guǎn）脹裂。

      ( 5)選用鈦（tài）製螺栓時, 必須考慮由於鈦在常溫下也有蠕變（biàn）現象而產（chǎn）生應力鬆（sōng）弛問題（tí）, 最好不（bú）用鈦製螺栓作強製密封（fēng）的連接件。當因耐腐蝕須用鈦製螺栓（shuān）時（shí）, 結構設計需考慮易於定期擰緊螺栓以（yǐ）保證密封。鈦和不鏽鋼一樣, 也具有摩擦粘（zhān）結和咬合現象。鈦製（zhì）螺紋易（yì）咬合, 可（kě）使（shǐ）用異種材料或（huò）較大間隙的螺紋配合或（huò）用（yòng）適當的潤滑劑解決。應少采用需要攻（gōng）絲的內螺紋, 盡量選用帶退刀槽的車製螺紋結構。同（tóng）樣, 通過手輪旋轉閥杆控製（zhì）鈦閥的（de）調節及動作, 應通過材料性能和各個零件的工（gōng）藝性來保證。

      ( 6)結構設計（jì）時要最大限度地消除縫隙和可以存（cún）水的凹處, 以避免鈦在（zài）某些介（jiè）質中發生縫隙腐蝕現象。尤其是鈦與四氟形成（chéng）的縫隙, 比鈦（tài）- 鈦之間的縫隙還容易受到腐蝕, 因為鈦對於含有少量可溶性氟（fú）化物的溶液是不耐腐蝕的（de）, 氟化物使鈍態（tài）破壞。因此, 在使用聚（jù）四（sì）氟乙烯塑料墊（diàn）, 含氟的橡膠墊圈和粘結劑（jì）時應特別謹慎。

      ( 7)由於鈦的（de）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（yǐ）采用一般的切削（xuē）加工（gōng）方法, 但與其他常用金屬（shǔ）比, 還有其特殊要求, 掌握（wò）一定的加工技術, 加工過程中加以注意（yì）。為防止溫升過大, 應采用較低的切削（xuē）速度, 一般來說, 應比與其相同硬度的鋼件的切削速度低25% ~ 50% 或更低。采用大的進刀量（liàng）, 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（huì）引起加工硬化或產生燒結、擠裂而損壞刀（dāo）具。刀具切削刃應鋒利,否則刀具（jù）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（sǔn）很小, 刀具一旦變鈍, 磨損立即加劇。使用足夠的切削液（yè）( 5% 氯化鈉水溶液、油水體積比為1:20的乳化（huà）油等潤滑冷卻液（yè）) 潤滑冷卻, 降低刀刃上的熱（rè）量（liàng）, 並（bìng）衝走切屑。

      4 閥（fá）門結構（gòu）設計

      4.1 密封副

      截止閥采用平麵密封結構, 閥體（tǐ）和閥（fá）瓣（bàn）的密封副止（zhǐ）口也是直接（jiē）加工製成(圖3)。

      閥門（mén）作為（wéi）流體的控製機構, 閥瓣與閥座的密封作用非常重要。根據閥（fá）門（mén）工作條件的不同, 一般（bān）要求閥門密封麵有良好的耐（nài）擦傷性能（néng）、耐腐蝕（shí）性能（néng）、適宜的硬度、良好的（de）熱態組織穩定性、抗裂（liè）性及合理（lǐ）的工藝性等。因此, 閥瓣、閥座止（zhǐ）口材料選（xuǎn）擇了鈦合金Ti60, 260~ 300HB, 密封麵的許用比壓45MPa。

      4.2 上密封設（shè）置

      為了提高密封質量, 設置上（shàng）密（mì）封結構, 即截止閥完全開啟時閥瓣螺母（mǔ）與閥蓋之間的（de）倒角配合, 倒角加工時精度要（yào）求較高。

      4.3 閥體與閥（fá）蓋密封

      閥體中法蘭與閥蓋之間的密封用橡膠墊片, 它的密（mì）封作用主要是借安（ān）裝時的預（yù）壓力和（hé）在工作時由工作介質的壓（yā）力使密（mì）封圈產生變形來達（dá）到的。

      4.4 填料密封

      填料函的（de）尺寸根據GB 標準設計, 並將填料壓蓋和填料座係列（liè）化。安裝填料時要避免劃傷（shāng）閥杆,壓緊填（tián）料壓（yā）蓋時各螺母受力要均勻。閥杆受填料作用易引起點狀腐蝕和（hé）擦傷, 是填料處泄漏的原因之一, 解決辦法是減少填料（liào）中氯離子（zǐ）、硫離子的含量,或采用緩蝕填料和提高閥杆的光潔度。閥杆運動狀態下還（hái）須克服填料的摩擦阻力。根據分析, 填料選用聚四氟（fú）乙烯割裂絲編（biān）織成型密封（fēng）填（tián）料。該材料（liào）具（jù）有耐高溫、自潤滑和耐化學腐蝕性, 柔韌（rèn）性好, 不滲透, 摩擦係數低, 提高了閥的防泄漏能力。

      4.5 閥體

      閥體的結構尺（chǐ）寸、形式、材（cái）料、中法蘭結構、連接螺栓（shuān）大小和介質流動通道根據GB 標準規定（dìng）設計。由於鈦價格較貴, 設計時采用（yòng）薄壁公式計（jì）算厚（hòu）度, 並對閥體強度和中法蘭連接螺栓（shuān）數量進行校核。

      4.6 閥蓋

      閥蓋與閥體（tǐ）共同組成承壓殼（ké）體, 閥蓋所承（chéng）受的介質壓力和溫度等技術參數與閥（fá）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（shì）按GB 標（biāo）準規（guī）定, 閥蓋中法蘭尺（chǐ）寸設計計算和閥體中法（fǎ）蘭相（xiàng）同。

      4.7 閥杆

      當介質從閥瓣下方流入時, 閥（fá）杆受（shòu）力及力矩沿閥杆軸向最大載（zǎi）荷在關（guān）閉位置, 這時閥杆受（shòu）壓（yā）。當介（jiè）質從閥瓣上方流入時, 最大（dà）載荷在開啟位置, 這時閥杆受拉。

      5 結（jié）語

      石油（yóu）、化工、宇航、船舶及海洋（yáng）等（děng）領域的發展促進了閥門（mén）工業（yè）的迅速發（fā）展。對鈦合金閥門的結構、材質和生產工（gōng）藝方麵進行了更（gèng）深入的（de）開發和研究,從而提高了閥門的可靠性和（hé）管路控製設備的壽命,滿足了各領域對（duì）閥門技術（shù）發展的（de）要（yào）求。目前（qián）, 法蘭鈦合金截止閥已具有了國家標準( CB /T 3992 -2008) , 通過了相關權（quán）威組織機構的鑒定, 成功應用於新一代船舶和海洋工（gōng）程重點項目（mù）。