固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算

之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應(yīng)用案例，現(xiàn)在介紹固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算其中鐵制固定式球閥，以其良好的密封性，優(yōu)異的耐蝕性能及適應(yīng)高的工作壓力等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工行業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有固定式鈦球閥，只有浮動(dòng)式鈦球悶，在世界上只有美國(guó)、德國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家可以生產(chǎn)固定式鈦球閥，為了滿足石化行業(yè)使用工作壓力高、密封性好、具有良好的耐蝕性等要求，拓寬鈦材的使用范圍，進(jìn)行了固定式鈦球閥的設(shè)計(jì)與研制．研制出了 DN80，DN50，DN40，DN25，且使用壓力高達(dá) 9.8MPa 的固定式鈦球閥，*，為批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，為大型石化企業(yè)耐腐蝕設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改造提供了技術(shù)及物質(zhì)保證。
本文闡述固定式鈦球閥的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，主要研制工藝及其特點(diǎn)。鈦是一種具有高度化學(xué)活性的金屬。但是，它對(duì)許多腐蝕介質(zhì)都呈現(xiàn)出特別優(yōu)異的耐腐蝕性。原因是鈦和氧有很好的親和力，極易與氧反應(yīng)而在其表面生成一層堅(jiān)固而致密的鈍性氧化薄膜。在許多苛刻腐蝕工況介質(zhì)中，這層氧化薄膜十分穩(wěn)定，較難溶解，即使遭到破壞，只要有充足的氧，也能自行修復(fù)而很快重新生成。鈦閥門(mén)主要是利用鈦金屬材料在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中氧化薄膜有很好的穩(wěn)定性和自鈍化能力，這一特性來(lái)抵抗多種苛刻工況強(qiáng)腐蝕。鈦閥門(mén)能否抵抗工作環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，關(guān)鍵在于其表面的“鈍性氧化薄膜”在腐蝕介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性。對(duì)于中性，氧化性，弱還原性介質(zhì)環(huán)境“鈍性氧化薄膜”本身就有著很好的穩(wěn)定性。對(duì)于高溫或PH值較低的還原性腐蝕介質(zhì)，為提高其“鈍性氧化薄膜”的穩(wěn)定性，可通過(guò)加入緩蝕劑(如空氣、水、重金屬離子和陰離子等)，如鈦表面離子改性處理，陽(yáng)極化處理等方法，來(lái)提高“鈦”在還原性介質(zhì)中的耐腐蝕性及表面硬度
1 固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)與研制
1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算
1.1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥該球閥閥前，閥后閥座都能密封，即所謂雙向密封特性，利用自帶的排放閥，閥體中腔可向外排放。樞軸采用防吹出保護(hù)結(jié)構(gòu)，低摩擦系數(shù)的軸承等。明精閥門(mén)公司具有性能優(yōu)異，可靠性高，用途廣泛，價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，適用于化工、石油、天然氣、冶金、等行業(yè)及含硫化氫介質(zhì)、雜質(zhì)多、腐蝕嚴(yán)重的天然氣長(zhǎng)輸管。
產(chǎn)品特點(diǎn)
1、流體阻力小，全通徑的球閥基本沒(méi)有流阻。
2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。
3、緊密可靠。它有兩個(gè)密封面，而且目前球閥的密封面材料廣泛使用各種塑料，密封性好，能實(shí)現(xiàn)*密封。在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用。
4、操作方便，開(kāi)閉迅速，從全開(kāi)到全關(guān)只要旋轉(zhuǎn)90°，便于遠(yuǎn)距離的控制。
5、維修方便，球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封圈一般都是活動(dòng)的，拆卸更換都比較方便。
6、在全開(kāi)或全閉時(shí)，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，介質(zhì)通過(guò)時(shí)，不會(huì)引起閥門(mén)密封面的侵蝕。
7、適用范圍廣，通徑從小到幾毫米，大到幾米，從高真空至高壓力都可應(yīng)用。
8、由于球閥在啟閉過(guò)程中有擦拭性，所以可用于帶懸浮固體顆粒的介質(zhì)中。
工作介質(zhì)：醋酸；
使用溫度：225℃；
設(shè)計(jì)壓力：9.8MPa；
公稱通徑：80mm。

1.1.2固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算 材料選擇
根據(jù)使用溫度及醋酸的濃度，查知鈦的腐蝕率為 ＜0.127mm/a，和耐蝕不銹鋼及其它有色金屬相比，選擇 TA2即符合使用條件；根據(jù)使用的工作壓力，為了保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選擇 TA2 鍛造件；根據(jù)使用溫度、工作壓力，選擇柔性石墨和浸銻石墨做密封材料。
常用的鈦及鈦合金材料有：TA1、TA2、TA9、TA10、TA12、TC4、Gr2、Gr3、Gr5、Gr12、Gr31
鈦閥門(mén)在大氣、淡水、海水、高溫水蒸汽中，幾乎不腐蝕；
鈦閥門(mén)在堿性介質(zhì)中非常耐腐蝕；
鈦閥門(mén)在抗氯離子(CI)能力非常強(qiáng)，具有優(yōu)良的抗氯離子耐蝕能力；
鈦閥門(mén)在王水、次氯酸鈉。氯水等介質(zhì)中有很好的耐腐蝕性；
鈦在有機(jī)酸中的耐蝕性視酸的還原性或氧化性大小而定；
鈦閥門(mén)在還原性酸中的耐蝕性，視介質(zhì)是否有緩蝕劑而定；
鈦閥門(mén)重量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用、領(lǐng)域。
鈦閥門(mén)由于它的性價(jià)比高，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、銅或鋁材料閥門(mén)難以解決的腐蝕問(wèn)題。具有安全、可靠，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。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(xì)化工業(yè)、紡織纖維合成和漂染工業(yè)，基本有機(jī)酸和無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn)，硝酸工業(yè)等。

1.1.3 固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）閥體壁厚的設(shè)計(jì)
采用公式：SB=DN(K0-1)/s＋C，計(jì)算結(jié)果為 16 mm
（2）閥蓋與閥體之間聯(lián)接螺栓的選擇
根據(jù)使用壓力，選擇 1Cr18Ni9Ti 螺栓，選取 M30mm×55mm 的螺栓 8 個(gè)即可滿足強(qiáng)度要求。
根據(jù)公式算得進(jìn)、出口法蘭蓋與閥體之間連接螺栓用 M30mm×45mm 的 1Cr18Ni9Ti 螺栓 8 個(gè)，即可滿足強(qiáng)度要求。
操作和使用　　
1）操作前須確認(rèn)管路和閥已被沖洗過(guò)。

　　2）閥的操作按執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)大小帶動(dòng)閥桿旋轉(zhuǎn)完成：正向旋轉(zhuǎn)1/4圈（90°）時(shí)，閥關(guān)斷。反向旋轉(zhuǎn)1/4圈（90°）時(shí)，閥開(kāi)啟。

　　3）當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方向指示箭頭與管線平行時(shí)，閥門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)；指示箭頭與管線垂直時(shí)，閥門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)
1.2 技術(shù)關(guān)鍵
由于使用壓力高達(dá) 9.8MPa，因此，密封及承壓是技術(shù)關(guān)鍵，在研制過(guò)程中，采用了 3 項(xiàng)措施，解決了這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
① 保證球體與上下球桿的同軸度；
② 保證上下球桿與 Φ80mm 通孔的垂直度；
③ 保證球面粗糙度。
通過(guò)設(shè)計(jì)專門(mén)的工裝胎具及加工與密封工藝，達(dá)到了密封與承壓目標(biāo)，一次試較成功。

1.3 固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
鈦制固定式球閥與浮動(dòng)式球閥相比具有以下 3 個(gè)特點(diǎn)。
（1）在密封原理上，采用后密封。
（2）適用于高壓、粘稠液體。
普通的浮動(dòng)式鈦球閥在高壓時(shí)不可靠，在介質(zhì)為粘稠液體時(shí)，球與密封環(huán)之間微小的浮動(dòng)間隙易造成堵塞，從而使閥門(mén)啟閉困難或失去密封作用。而采用固定式鈦球閥，因使用了彈簧，使密封環(huán)與球體始終保持緊密接觸，利用高壓介質(zhì)達(dá)到良好密封的效果。
（3）采用線密封
普通浮動(dòng)式鈦球閥的球體與密封環(huán)之間為球面密封，其單位面積上的密封比壓小，且在高壓時(shí)，微觀面上的凸凹點(diǎn)易引起泄漏，達(dá)不到密封要求。而固定式鈦球閥其球體與密封環(huán)之間采用線密封，增加了單位面積的密封比壓，且壓力越高，密封的效果越好，從而保證了高壓工作的可靠性。鈦合金材料雖然具有很多的優(yōu)異性能，但卻存在不耐磨損的缺點(diǎn)。該缺點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致由鈦合金材料制造的球軸與閥座組成的對(duì)偶件的耐磨性能下降，從而影響球閥的密封性能和使用壽命。本文采用微弧氧化技術(shù)對(duì)閥體、球軸進(jìn)行表面硬化處理（見(jiàn)圖4），從而提高其耐磨性能。同時(shí)，有效防止在使用中與鈦合金接觸的由銅、鋼、銅基合金制造的附件產(chǎn)生加速腐蝕現(xiàn)象。

2固定式鈦合金球閥設(shè)計(jì)計(jì)算 結(jié)論
（1）設(shè)計(jì)研制的固定式高壓鈦球閥，滿足了石化工業(yè)的需要，使用情況良好。
（2）固定式高壓鈦球閥具有高壓使用可靠、密封良好等特點(diǎn)。
（3）設(shè)計(jì)研制的固定式高壓鈦球閥，在技術(shù)水平上屬國(guó)內(nèi)，且達(dá)到了同類產(chǎn)品水平。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組?