鈦合金球閥創(chuàng)新設(shè)計與表面強化技術(shù)研究進展

1、概述

閥門作為流體控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其設(shè)計和制造對工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。傳統(tǒng)金屬材料如碳鋼和不銹鋼等已無法滿足閥門在特定制造領(lǐng)域的使用要求。鈦和鈦合金作為一種新興的、有發(fā)展前景的金屬材料，以其高強度、低密度、優(yōu)良的耐腐蝕性和出色的耐高溫性能而著稱。鈦合金在與各種腐蝕性介質(zhì)接觸時表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，無論是海水、酸性溶液還是堿性環(huán)境，鈦合金閥門均能保持良好的耐腐蝕性能，極大延長了閥門的使用壽命。此外，鈦合金具有良好的可加工性，能夠通過各種加工手段制成復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，為閥門的設(shè)計和制造提供了極大的靈活性。這些特性使得鈦合金在閥門制造中具有顯著優(yōu)勢，目前被廣泛用于 LNG 船、航空航天、宇宙開發(fā)、海洋工程、石油、化工、輕工、食品加工、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生、儀器儀表等行業(yè)。本文主要介紹了鈦和鈦合金球閥的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造、部分零件的材料選用原則和表面處理工藝等。

2、鈦和鈦合金球閥的設(shè)計及制造

2.1 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)閥門的制造工藝主要有鑄造、鍛造和機械加工，過程繁瑣且成本較高，而 3D 打印制造技術(shù)的成熟為閥門的生產(chǎn)制造帶來了新的發(fā)展方向，為成本昂貴的鈦合金零件提供了更加經(jīng)濟的制造工藝。

鈦和鈦合金球閥的閥體和閥蓋制造選用模鍛或 3D 打印成型，零件結(jié)構(gòu)分別見圖 1 和圖 2 [1]。通過 3D 打印的方式一體化成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而減少了加工步驟，提升效率。由于鈦閥主要應(yīng)用在腐蝕性較強的介質(zhì)中，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量減少潛在的外漏點。

鈦和鈦合金球閥常用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為 ASME B16.34、ISO 17292 和 API 6D 等，其典型結(jié)構(gòu)包含浮動球閥和固定球閥，如圖 3 所示。典型結(jié)構(gòu)鈦閥的閥門為兩片式結(jié)構(gòu)，閥體和閥蓋的材料主要為工業(yè)純鈦，如 TA2/F2，球體和閥桿通常為鈦合金 TC4/F5 等；密封形式包括軟密封和金屬密封，閥門多數(shù)為雙向密封設(shè)計。閥門的連接方式有法蘭式（圖 3）、對夾式和焊接式等，其設(shè)計特點包括閥桿防吹出、防靜電裝置、防火設(shè)計以及可鎖設(shè)計等。球閥屬于 90° 開、關(guān)旋轉(zhuǎn)的閥門，當(dāng)手柄與通道方向平行時，閥門處于全開位置，手柄順時針旋轉(zhuǎn) 90° 關(guān)閉閥門。圖 3 (a) 為浮動球閥，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、零件少、制造成本低和維修方便，但缺點包括高壓限制、操作扭矩大及雙向帶壓無法有效密封等；圖 3 (b) 為固定球閥，其優(yōu)點是耐高壓、操作力小、雙向密封可靠，但缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多、成本高和維護復(fù)雜等 [2]。

2.2 額定設(shè)計壓力 [3]

ASME BPVC.II.D.M 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對鈦材的使用溫度進行了限制，即鍛件溫度限定在 316℃（600℉），鑄件溫度限定在 260℃（500℉）；此外，還規(guī)定了不同溫度下材料的機械性能。ASME B16.34 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中列出了常規(guī)金屬材料的額定溫壓值，但對于鈦和鈦合金材料的額定溫壓值并未規(guī)定，因此在設(shè)計時需要根據(jù) ASME B16.34 附錄 B 計算，設(shè)計壓力取 Pca 與 Pst 中的較小值其中 Ps. 是標(biāo)準(zhǔn)磅級的極限壓力，Pat 是指定材料在相應(yīng)溫度下的標(biāo)準(zhǔn)等級額定工作壓力當(dāng) Ps<Pc 時表達式為：

當(dāng)客戶規(guī)范中規(guī)定了閥門的設(shè)計溫度與壓力值時，必須按照客戶規(guī)范規(guī)定的要求執(zhí)行，如挪威石油標(biāo)準(zhǔn) NORSOK L-001 中對鈦材 C2/F2 溫壓值的相關(guān)規(guī)定見表1。

表 1 NORSOK L-001 中 C2/F2 溫壓值 [5]

2.3 材料選用的基本原則

2.3.1 閥體與閥蓋

與常規(guī)黑色金屬材料相比，鈦和鈦合金具有彈性模量小、屈強比高、比強度（強度 / 重量）大等特點，典型鈦和鈦合金力學(xué)性能見表 2。鈦和鈦合金閥門的閥體、閥蓋等承壓件的材料選用以工業(yè)純鈦 F2/C2、F3/C3 居多，因鈦和鈦合金鑄件價格較高，在產(chǎn)品選型或設(shè)計時，需考慮所選方案的經(jīng)濟合理性。例如，鈦和鈦合金球閥應(yīng)優(yōu)先考慮鍛造結(jié)構(gòu)，其閥體與閥蓋以模鍛或 3D 打印等高性價比的結(jié)構(gòu)為主，或選用市場容易購買的型材等。常用鍛件鈦和鈦合金 B381 F2/F3 在給定溫度下的彈性模量、泊松比和密度見表 3。

表 2 國內(nèi)外典型鈦及鈦合金的力學(xué)性能 [6-10]

表 3 B381 F2/F3 彈性模量、泊松比與密度 [4]

2.3.2 內(nèi)件材料

鈦和鈦合金閥門的球體、閥桿等內(nèi)件推薦使用強度較高 F5/F12 等合金鈦，閥門要求絕緣時閥桿表面進行 DLC 處理。軟密封閥門的閥座選用 PTFE、RPTFE、DEVLON、PEEK 等材料，具體材料的選擇需滿足工況要求；而硬密封閥門的密封副配對材料應(yīng)選用硬度不同的鈦材，或?qū)⒚芊饷孢M行硬化處理，如滲氮、噴涂 WC/CrC 等，防止閥門開關(guān)過程中出現(xiàn)粘接、拉傷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致閥門泄漏。鈦和鈦合金球閥設(shè)計推薦材料配對見表 4。

表 4 推薦材料配對表

2.3.3 彈簧材料

彈簧材料的選用主要分為與介質(zhì)接觸和非接觸。接觸介質(zhì)的彈簧主要為鈦合金碟形彈簧，常用材料為 ASTM B348 Gr.5/TC4，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示 [11]。由于鈦材的彈性模量較小，當(dāng)選用鈦材彈簧時，按照 GB/T1972-2005 和相關(guān)資料 [12] 中的方法進行設(shè)計計算。若介質(zhì)腐蝕性較低，則彈簧材料可選用 INCONEL 合金替代。非接觸介質(zhì)的彈簧材料為 17-7PH 或 316，當(dāng)客戶指定或使用在腐蝕性環(huán)境時，選用 INCONEL 合金。

2.3.4　 緊固件與墊片材料

受管道介質(zhì)壓力的作用,鈦材在溫度較低時也會發(fā)生一定程度的蠕變,從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛。 對于與介質(zhì)非直接接觸的鈦材閥門緊固件,推薦選用奧氏體不銹鋼材質(zhì),如 B8M/ 8M。 若閥門的外部環(huán)境同樣具有較強的耐蝕要求或客戶特殊要求,則緊固件使用 INCONEL 合金或客戶指定材料,但與介質(zhì)直接接觸的緊固件須使用鈦材。

墊片材料選用 PTFE 或石墨,結(jié)構(gòu)形式主要是平墊片和纏繞墊片。 平墊片材料選用純 PTFE 或純石墨,纏繞墊片材料選用 TA2 + PTFE 或 TA2 + 石墨,具體材料選擇根據(jù)實際工況及客戶要求。

2.3.5　 鈦材零件表面絕緣材料

在閥門絕緣保護時,鈦材與非鈦材直接接觸的部位需進行絕緣處理,處理方法如下:

(1)閥體、閥蓋接觸部位陽極氧化或微弧氧化處理;

(2)閥桿表面 DLC 處理;

(3)非鈦材外部緊固件表面 NYLOK 涂膠處理。

3、鈦和鈦合金閥門零件的表面處理

3.1 超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂 HVOF（High Velocity Oxy-Fuel）是指利用丙烷、丙烯等碳氫系燃氣或氫氣與高壓氧氣在燃燒室內(nèi)或在特殊的噴嘴中燃燒，使其產(chǎn)生高溫、高速（燃燒焰流速度達到 5 馬赫（1500m/s）以上）的工藝手段 [13]。HVOF 工藝的涂層厚度可以達到 350μm~500μm，加工后保留的涂層厚度≥150μm。為防止外形不規(guī)則的零件噴涂后涂層開裂，在噴涂后需在溫控箱中均勻緩慢冷卻。采用 HVOF 工藝制備的 Cr3C2-25NiCr 和 WC-25Co 涂層均具有較好的耐腐蝕和耐磨性能，適用于鈦合金閥門硬密封表面。

3.2 物理氣相沉積

物理氣相沉積 PVD（Physical Vapor Deposition）是指利用物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由源轉(zhuǎn)移到基材表面上的過程，將某些有特殊性能（強度高、耐磨性、散熱性、耐腐性等）的微粒噴涂在性能較低的母體上，使母體具有更好的性能 [14]。PVD 的基本方法包括真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍，鈦和鈦合金常用的 PVD 涂層為 DLC（Diamond-like Carbon）類金剛石膜和 TiN（Titanium nitride，氮化鈦）。

DLC 膜不僅具有諸多與金剛石相似的性能，如硬度高、摩擦系數(shù)低、電阻率高、電絕緣強度和熱導(dǎo)率高，還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕能力，因此 DLC 膜是鈦閥門零件最常用的表面改性材料。鈦閥的閥桿、滑動軸承、閥桿螺母均可使用 DLC 膜提高其耐磨性，且磨損較輕的密封面也可使用 DLC 膜，如平面密封的截止閥和軟密封球閥的球體。

TiN 是第一個產(chǎn)業(yè)化的薄膜材料，其涂層厚度一般為 3μm~10μm。較薄的涂層有較好的結(jié)合強度，不易產(chǎn)生剝落，可作為承受沖擊載荷的零件涂層。零件在承受摩擦和擠壓的過程中會產(chǎn)生較高的內(nèi)部壓應(yīng)力，易在接觸面引起過載，而較厚的涂層會使涂層與基材之間發(fā)生剪切斷裂，因此對于易發(fā)生磨損的零件，將其涂層厚度限制為 5μm。TiN 膜具有硬度高、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低和不粘性好等特點，可大幅改善鈦和鈦合金的使用性能，故 TiN 是鈦合金閥門零件常用的表面硬化材料，主要應(yīng)用于有磨損的零件處，例如截止閥的密封面和三偏心蝶閥的密封面等。

3.3 離子滲氮

離子滲氮是鈦和鈦合金最常用的表面處理工藝之一，離子氮化可使純鈦材料的表面硬度提高 6~8 倍，可使鈦合金材料的硬度提高 4 倍 [14]。鈦和鈦合金的離子滲氮工藝溫度通常在 850℃以上，此時零件易產(chǎn)生變形，且離子滲氮后工件的表面粗糙度降低。當(dāng)閥門密封件采用離子滲氮時，為避免上述問題，需制作特殊的工裝以限制或減少零件的變形，從而保證離子滲氮后零件的變形不會影響閥門的密封性能。

3.4 氧化處理

雖然鈦材在空氣中自然產(chǎn)生的氧化膜具有一定的抗腐蝕性，但其耐磨、硬度、厚度等方面的綜合性能并沒有達到閥門的實際應(yīng)用需求，因此需要對其進行表面氧化改性。最常用的氧化處理工藝是陽極氧化和微弧氧化 [15,16]。陽極氧化是在相應(yīng)的電解溶液中和特定的工藝條件下施加外加電流，而在鈦及鈦合金表面上形成一層氧化膜的過程被稱為電化學(xué)氧化，該過程可顯著提高工件的耐磨和耐蝕性能，絕緣性能較好。微弧氧化是指把基材放在電解質(zhì)溶液中，利用微弧放電在金屬表面原位生長氧化膜的技術(shù)，又稱微等離子體氧化；其優(yōu)點在于氧化處理后的工件表面不僅具有良好的韌性、耐腐蝕、耐磨特性，還具有部分陶瓷材料的功能特性，如磁電屏蔽能力、生物醫(yī)學(xué)性能及良好的絕緣性。

通過對鈦材零件進行不同的表面處理工藝，可有效改善其表面的耐磨、耐蝕和硬度等特性。不同的工藝方法可使零件表面處理后的性能參數(shù)存在差異，鈦和鈦合金表面處理后性能參數(shù)見表 5。

表 5 鈦和鈦合金表面處理后性能參數(shù)

4、鈦和鈦合金閥門的應(yīng)用

鈦和鈦合金閥門主要是利用鈦金屬材料具有的優(yōu)異抗海水和液態(tài)介質(zhì)腐蝕能力。由于其高性價比能抵抗多種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，在民用耐腐蝕工業(yè)輸送管線中可解決不銹鋼、銅或合金鋼閥門難以解決的腐蝕問題，具有安全、可靠，使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于氯堿工業(yè)、純堿工業(yè)、制藥工業(yè)、化肥工業(yè)、精細化工業(yè)、紡織纖維合成和漂染工業(yè)、基本有機酸和無機鹽生產(chǎn)，以及硝酸工業(yè)等。雖然鈦閥在化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但必須注意其并非適于任何化學(xué)介質(zhì)。例如，4 種無機酸（氫氟酸、鹽酸、硫酸和正磷酸）、4 種熱濃有機酸（草酸、甲酸、三氯乙酸和三氟乙酸）和腐蝕性極強的氯化鋁均會對鈦及鈦合金產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用，因此鈦閥不適用于此類化工介質(zhì)，使用中應(yīng)格外注意 [17]

鈦和鈦合金閥門憑借其卓越的性能和可靠性，在深海油氣開采這一極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。深海油氣開采作為當(dāng)代能源產(chǎn)業(yè)的前沿領(lǐng)域，其開采環(huán)境具有高壓、低溫、高鹽腐蝕性等特點，對所使用的設(shè)備材料提出了極為嚴苛的要求，鈦和鈦合金閥門以其高強度、低密度、優(yōu)良的耐腐蝕性和出色的耐低溫性能，在這一環(huán)境中正發(fā)揮著重要作用。

在實際應(yīng)用中，鈦和鈦合金閥門在深海油氣開采中主要應(yīng)用于以下幾個方面： (1) 油氣輸送管道系統(tǒng) 鈦和鈦合金閥門被廣泛應(yīng)用于深海油氣輸送管道系統(tǒng)，用于控制和調(diào)節(jié)油氣的流量和壓力。鈦和鈦合金閥門的優(yōu)良耐腐蝕性和密封性能確保了油氣輸送的安全性和高效性。 (2) 海底生產(chǎn)平臺 在海底生產(chǎn)平臺，鈦和鈦合金閥門用于控制和調(diào)節(jié)各種設(shè)備和系統(tǒng)的流體流動。因其輕質(zhì)高強和耐腐蝕性能，致使設(shè)備更加緊湊、可靠，從而降低了維護成本。 (3) 深海鉆井設(shè)備 鈦和鈦合金閥門還被應(yīng)用于深海鉆井設(shè)備中，用于控制和調(diào)節(jié)鉆井液的流動。鈦和鈦合金閥門優(yōu)異的耐高溫和耐腐蝕性能確保了鉆井設(shè)備的穩(wěn)定運行和鉆井作業(yè)的安全。

5、結(jié)語

本文參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，列出了鈦和鈦合金球閥的典型結(jié)構(gòu)，對鈦和鈦合金閥門額定穩(wěn)壓值的設(shè)計選取以及材料選用原則提供了參考依據(jù)。通過對比不同表面處理工藝，總結(jié)出鈦和鈦合金閥門零件表面處理后的性能參數(shù)，以及鈦和鈦合金閥門在石油化工等行業(yè)中的應(yīng)用。雖然鈦和鈦合金閥門已在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，需要采取相應(yīng)的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進步和市場需求的不斷變化，鈦合金閥門將在多個方面實現(xiàn)突破和發(fā)展。首先，新型鈦合金材料的推出將進一步優(yōu)化閥門性能，提高其耐腐蝕性、強度和韌性，以適應(yīng)更為極端的工作條件。其次，在制造工藝上，先進的加工技術(shù)和自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用將提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，降低成本，增強市場競爭力。相信在未來的發(fā)展中，鈦合金閥門將朝著智能化、綠色環(huán)保、高性能化和定制化服務(wù)的方向發(fā)展，為各行各業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)、高效的服務(wù)，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。

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