1 概述

      鈦及鈦合金具有密（mì）度低、強度高、耐腐蝕和耐壓性好等突出優點, 目前已廣泛應用於航（háng）空、航天、石油、化（huà）工、冶金、電力、醫藥衛生和（hé）儀器儀表（biǎo）等（děng）行業。為適應海洋工程深海容器、船舶等領域需求, 在鈦合（hé）金閥開發過程中, 用新技術、新（xīn）材料和新標準規範產品設計, 符合國家高新技術產品政策的要求（qiú）, 是一種新興的, 又很有發展前途的（de）材料應用技術, 從而提高了閥門質量, 改善了產品性能。

      2 鈦的耐（nài）腐蝕性能

      鈦是一種具有高度化學（xué）活（huó）性的金屬, 對大多數腐蝕介質都呈現出特別優異的耐腐蝕性。鈦（tài）和氧（yǎng）有（yǒu）很大的親和力, 在接觸於大氣或（huò）任何含氧介質時, 其表麵（miàn）立即形成（chéng）一種（zhǒng）堅固（gù）而（ér）緊密的鈍性氧化薄膜。這種（zhǒng）薄膜十分穩定（dìng）, 如果（guǒ）產生機械損傷, 又會立即重新形成(隻要存（cún）在一定量的（de）氧)。

      金屬鈦有幾種特殊的腐蝕形式, 如高溫腐蝕、應力腐蝕、點（diǎn）腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕和腐蝕疲勞等,但鈦應用在（zài）船舶閥門上（shàng）主要是（shì）電偶腐蝕。

      電偶腐蝕是當（dāng）兩種不同的（de）金屬在一電解質中構成電偶時, 作陽極的金屬的腐蝕可以被加速。其腐蝕量取決於材料間（jiān）的電極（jí）電位差, 也（yě）取決於陽（yáng）極（jí）和陰極的麵積比以及兩者的極化特性。鈦與（yǔ）一（yī）般材料不同, 它在許多介質中是鈍態的, 並且顯示出（chū）類似於鈍態18-8不鏽鋼的（de）電位。鈦在海水中的電位是 0.10V (對（duì）飽和甘汞電極)。鈦與蒙（méng）乃（nǎi）爾合金、哈（hā）斯特洛（luò）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、碳鋼接觸時, 鋁、鋅等金屬被腐蝕。然而, 它（tā）們的腐蝕速度卻比與不鏽鋼（gāng）接觸時所引起的腐蝕小。這些金屬的腐蝕（shí）程度隨鈦和接觸鈦的金（jīn）屬表麵積的比例而變化。接觸鈦的金屬和鈦的表（biǎo）麵積比為1：10(即陽極與陰極麵積比（bǐ）為1：10)時, 被接觸金屬將很（hěn）快腐蝕。與此相（xiàng）反, 與鈦接觸的金屬和鈦的表麵積比為10：1時, 其腐蝕率大大（dà）降低。鈦與某些金（jīn）屬在（zài）海水中接觸腐蝕量如圖1。在低濃度還原性酸(如（rú）硫酸或（huò）鹽（yán）酸)也存在類似（sì）海水的（de）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。由於鈦表麵有氧化膜存在, 所（suǒ）以, 當（dāng）與其他金屬接觸時, 其腐蝕率通常不會增加。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（duì）比。

      3 閥門結構特點

      ( 1) 鈦合金閥門的閥體流道采用圖2形式(以截止閥為（wéi）例（lì）), 以減小介質對密封麵（miàn）的直接衝刷和由於通道的（de）急劇收縮及擴張而產生渦（wō）流區（qū）。

      ( 2)鈦材較貴, 為經濟、合理使用鈦材, 在不與（yǔ）腐蝕介質接觸的部位, 應（yīng）盡量不用鈦製零件（jiàn）。

       ( 3)鈦材的力學性（xìng）能隨溫度而改變, 其值較（jiào）一（yī）般碳素鋼或合（hé）金鋼大。其強度指（zhǐ）標隨溫度上升而下（xià）降, 如250~ 300℃ 時的抗拉強度和屈服強度約為常溫時的50%。因此, 即使在設計溫度不高的情況下, 也應按設計溫度下的強度值（zhí）選取。鈦的屈強比高、持久強度好, 因此, 設計溫度在（zài）316℃ 以下時, 決定設計強度指標的（de）往往（wǎng）是該溫（wēn）度（dù）下的抗拉強度值。工業純鈦是不能通過熱處理來（lái）提高強度指標（biāo）值的。鈦的熱膨脹係數小, 當鈦和其他材料聯合使用時, 要注意膨脹值差引起的應力。

      ( 4)工業純鈦和- 鈦合金壓力（lì）加工（gōng）時的塑性（xìng）變形範圍小, 容易產生破裂。而提高變形速（sù）度或降低變（biàn）形溫度等都可能導致加工中（zhōng）的破裂（liè）。因此, 最好不（bú）要設計變形量大的冷加工件（jiàn）。在需要翻邊的地方, 彎曲（qǔ）半徑盡量取得大一些。用強度（dù）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)選用鈦製螺栓（shuān）時, 必須考慮由於（yú）鈦在常溫下也有蠕變現象而產生應力鬆弛問題, 最好不用鈦製螺栓作強製密封的（de）連接件。當因耐腐蝕須用鈦（tài）製螺（luó）栓時, 結構設計需考（kǎo）慮易於定期擰緊螺栓以保證密封（fēng）。鈦和不（bú）鏽鋼一樣, 也具有摩擦粘（zhān）結和咬合現象。鈦製螺紋易咬合, 可使用異（yì）種材料或較大間隙的螺紋配合或用適（shì）當的（de）潤滑劑解決。應少采用需要攻絲的內螺紋, 盡量選用帶退刀槽的車製螺紋結構。同樣, 通過手輪旋轉閥杆控製鈦閥的調節及動（dòng）作, 應通過材料性能和各個零件的工藝性來保證。

      ( 6)結構設計（jì）時要最（zuì）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中發生縫（féng）隙腐蝕現象。尤其是鈦與四氟形（xíng）成的縫（féng）隙, 比鈦- 鈦之間的縫隙還容易受到（dào）腐蝕, 因為鈦對於（yú）含有少量（liàng）可溶性氟化物的溶液是不耐腐蝕的, 氟（fú）化物（wù）使鈍態破壞。因此, 在使（shǐ）用聚四（sì）氟乙烯塑料墊, 含氟的橡膠墊圈和粘結劑時應特別謹慎。

      ( 7)由於鈦的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（kě）以采用一般的切削加工方法, 但與其他常用金屬（shǔ）比, 還有其特殊要求, 掌握一（yī）定的（de）加工技術, 加（jiā）工過程中加以注意。為防（fáng）止溫升過大, 應采用較低（dī）的切削速度, 一般來說, 應比（bǐ）與其相同硬度的鋼（gāng）件的切削速度低25% ~ 50% 或更低。采用大的進刀量, 進刀量對溫升影響很小。在切削過程中不要（yào）停止走刀, 否則會引起加工硬化或產生燒結、擠裂而損壞刀具。刀具切削刃應鋒利,否則刀具極易磨損, 因為切（qiē）削刀具的磨（mó）損和切削量不成比例, 開始時磨損很小, 刀具一旦變鈍, 磨損立即加劇（jù）。使用足夠的切削液( 5% 氯化鈉水溶液、油水（shuǐ）體積比（bǐ）為1:20的乳化油等（děng）潤滑冷卻液) 潤滑冷卻, 降低刀刃上的熱量, 並衝走切屑。

      4 閥門結構設計

      4.1 密封副

      截止閥采用（yòng）平（píng）麵（miàn）密封結構, 閥體和閥瓣的密封（fēng）副止口也是直接加工製成(圖3)。

      閥門作為流（liú）體的控製機構, 閥瓣與閥座的密封作用非常重要。根據閥門工作條件的不同（tóng）, 一般要求閥門密封麵有良好的耐（nài）擦傷性能、耐腐蝕性（xìng）能、適宜的硬度、良好的熱態組織穩定性、抗（kàng）裂性及合理的工藝性等。因此, 閥瓣、閥（fá）座止口材料（liào）選（xuǎn）擇了鈦合金Ti60, 260~ 300HB, 密封麵的許用比壓45MPa。

      4.2 上密封設置

      為了提高密封質量, 設置上（shàng）密封結構, 即（jí）截止閥（fá）完全開（kāi）啟時閥瓣螺母與閥蓋之（zhī）間的倒（dǎo）角配合, 倒角加工時（shí）精度要求（qiú）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（fēng）作用主要（yào）是借安裝時的預壓（yā）力和在（zài）工作時由工作介質的壓（yā）力使（shǐ）密封圈產生變形來（lái）達到的。

      4.4 填料密封

      填料函的尺寸根據GB 標準設（shè）計（jì）, 並將填料壓蓋和填料座（zuò）係列化（huà）。安裝（zhuāng）填料時要避免劃傷閥杆,壓緊（jǐn）填料壓（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（lòu）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（huǎn）蝕（shí）填料和提高（gāo）閥杆的光潔（jié）度。閥杆運動狀態下還須克服填料的（de）摩擦阻力。根據分析, 填料選用聚四氟乙烯割裂絲編織成（chéng）型（xíng）密封填料（liào）。該材料具有耐高溫、自（zì）潤滑和（hé）耐化學腐蝕性, 柔韌性好, 不滲（shèn）透, 摩擦係數低（dī）, 提高了閥的防泄漏能力。

      4.5 閥體

      閥體的結構尺寸、形式、材料、中法蘭結構、連接螺栓大小和介質流動通道根據GB 標準規定設計。由於鈦價格較貴, 設計時采用薄壁公式計（jì）算厚度, 並對閥體強度和中法蘭連接螺栓數量（liàng）進行校核。

      4.6 閥蓋

      閥蓋與閥體共同組成承壓殼體, 閥蓋所承受（shòu）的介質壓力（lì）和溫度等技術（shù）參（cān）數與閥體基本相（xiàng）同。因此, 在設計計算方法上兩者也有共性。閥蓋結構尺（chǐ）寸和形式按GB 標（biāo）準規定, 閥蓋（gài）中法蘭尺寸設計計算和閥體中法蘭（lán）相同。

      4.7 閥杆

      當介質從閥瓣下方流入時, 閥杆受力及（jí）力矩沿閥杆軸向最大載荷在（zài）關閉位置, 這時（shí）閥杆受壓。當介質從閥瓣上（shàng）方流（liú）入時, 最大載荷在開啟位（wèi）置, 這時閥杆受拉。

      5 結語

      石油、化工、宇航、船舶及海洋等領域的發展促進了閥門工業的迅速發展。對鈦合金閥門的結構、材質（zhì）和生產工藝方麵進行了更深入的開發和研究,從而提高了閥門的可靠性和管路控製設備的壽命,滿足（zú）了（le）各領域對閥門技術發（fā）展的要（yào）求。目前, 法蘭鈦合（hé）金截止閥已具有了國（guó）家標準( CB /T 3992 -2008) , 通過了相關權威組織機構的鑒定, 成功應（yīng）用於新一代船舶和海洋工程重（chóng）點項目。