鈦合金材料在船用閥門上的應用
來源:    發布時間: 2017-03-31 09:33   279 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

 

1 概述

  鈦及鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕和耐壓性好等突出優點,目前已廣泛應用于航空、航天、石油、化工、冶金、電力、醫藥衛生和儀器儀表等行業。為適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、新材料和新標準規范產品設計,符合國家高新技術產品政策的要求,是一種新興的,又很有發展前途的材料應用技術,從而提高了閥門質量,改善了產品性能。

  2 鈦的耐腐蝕性能

  鈦是一種具有高度化學活性的金屬,對大多數腐蝕介質都呈現出特別優異的耐腐蝕性。鈦和氧有很大的親和力,在接觸于大氣或任何含氧介質時,其表面立即形成一種堅固而緊密的鈍性氧化薄膜。這種薄膜十分穩定,如果產生機械損傷,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、應力腐蝕、點腐蝕、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蝕。

  電偶腐蝕是當兩種不同的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,它在許多介質中是鈍態的,并且顯示出類似于鈍態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,它們的腐蝕速度卻比與不銹鋼接觸時所引起的腐蝕小。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,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,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,鈦有強烈的極化傾向,即意味著包含鈦作陰極的電偶,只產生小的電流。由于鈦表面有氧化膜存在,所以,當與其他金屬接觸時,其腐蝕率通常不會增加。因此在船舶用鈦制閥門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),以減小介質對密封面的直接沖刷和由于通道的急劇收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,應盡量不用鈦制零件。

  (3)鈦材的力學性能隨溫度而改變,其值較一般碳素鋼或合金鋼大。其強度指標隨溫度上升而下降,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選取。鈦的屈強比高、持久強度好,因此,設計溫度在316℃以下時,決定設計強度指標的往往是該溫度下的抗拉強度值。工業純鈦是不能通過熱處理來提高強度指標值的。鈦的熱膨脹系數小,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α-鈦合金壓力加工時的塑性變形范圍小,容易產生破裂。而提高變形速度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,彎曲半徑盡量取得大一些。用強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,必須考慮由于鈦在常溫下也有蠕變現象而產生應力松弛問題,最好不用鈦制螺栓作強制密封的連接件。當因耐腐蝕須用鈦制螺栓時,結構設計需考慮易于定期擰緊螺栓以保證密封。鈦和不銹鋼一樣,也具有摩擦粘結和咬合現象。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的潤滑劑解決。應少采用需要攻絲的內螺紋,盡量選用帶退刀槽的車制螺紋結構。同樣,通過手輪旋轉閥桿控制鈦閥的調節及動作,應通過材料性能和各個零件的工藝性來保證。

  (6)結構設計時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中發生縫隙腐蝕現象。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,因為鈦對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劑時應特別謹慎。

  (7)由于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,加工過程中加以注意。為防止溫升過大,應采用較低的切削速度,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,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,因為切削刀具的磨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。使用足夠的切削液(5%氯化鈉水溶液、油水體積比為1∶20的乳化油等潤滑冷卻液)潤滑冷卻,降低刀刃上的熱量,并沖走切屑。

  4 閥門結構設計

  4.1 密封副

  截止閥采用平面密封結構,閥體和閥瓣的密封副止口也是直接加工制成。

  閥門作為流體的控制機構,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,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、良好的熱態組織穩定性、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 上密封設置

  為了提高密封質量,設置上密封結構,即截止閥完全開啟時閥瓣螺母與閥蓋之間的倒角配合,倒角加工時精度要求較高。

  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的預壓力和在工作時由工作介質的壓力使密封圈產生變形來達到的。

  4.4 填料密封

  填料函的尺寸根據GB標準設計,并將填料壓蓋和填料座系列化。安裝填料時要避免劃傷閥桿,壓緊填料壓蓋時各螺母受力要均勻。閥桿受填料作用易引起點狀腐蝕和擦傷,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。閥桿運動狀態下還須克服填料的摩擦阻力。根據分析,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、自潤滑和耐化學腐蝕性,柔韌性好,不滲透,摩擦系數低,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。由于鈦價格較貴,設計時采用薄壁公式計算厚度,并對閥體強度和中法蘭連接螺栓數量進行校核。

  4.6 閥蓋

  閥蓋與閥體共同組成承壓殼體,閥蓋所承受的介質壓力和溫度等技術參數與閥體基本相同。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按GB標準規定,閥蓋中法蘭尺寸設計計算和閥體中法蘭相同。

  4.7 閥桿

  當介質從閥瓣下方流入時,閥桿受力及力矩沿閥桿軸向最大載荷在關閉位置,這時閥桿受壓。當介質從閥瓣上方流入時,最大載荷在開啟位置,這時閥桿受拉。

 

 

 

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