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鈦制船舶閥門的結構特點

發布日期:2019-09-10  來源:Ti鈦星球  瀏覽次數:117
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  是制造海洋裝備首選的結構材料,鈦材在艦船和海洋工程中的應用,充分展現了其優異的綜合性能,鈦材應用于船用閥門,成功提高了閥門質量,改善了產品性能。
  鈦的腐蝕形式
  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。金屬鈦有幾種特殊的腐蝕形式,如高溫腐蝕、應力腐蝕[i]、點腐蝕[ii]、縫隙腐蝕、電偶腐蝕[iii]和腐蝕疲勞等,鈦應用于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[iv]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(飽和甘汞電極[v])。鈦與鋁、鋅、碳鋼接觸時,鋁、鋅等金屬被腐蝕。但它們的腐蝕速度卻比與不銹鋼接觸時所引起的腐蝕小。
  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。
  鈦制閥門結構特點[1-5]
  (1)鈦合金閥門的閥體流通采用下圖中形式(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。
  圖:法蘭鈦合金截止閥
  (2)鈦材較貴,為經濟合理使用鈦材,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,其強度指標隨溫度上升而下降,如250~300℃時的抗拉強度[vi]和屈服強度[vii]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,所以,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,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[viii]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。
  (6)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。
  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、材質和生產工藝方面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制設備的壽命,滿足了各領域對閥門技術發展的要求。目前,法蘭鈦合金截止閥通過了相關權威組織機構的鑒定,成功應用于新一代船舶和海洋工程重點項目。[6]
  注釋:
  [i] 應力腐蝕材料、機械零件或構件在靜應力(主要是拉應力)和腐蝕的共同作用下產生的失效現象。
  [ii] 點腐蝕簡稱點蝕是指金屬表面在腐蝕介質中形成小孔的一種極為局部的腐蝕形態,亦稱孔蝕。腐蝕小孔孤立地存在,有些則緊湊地在一起。
  [iii] 于腐蝕電位不同,異種金屬彼此接觸或通過其他導體連通,處于同一介質中,造成異種金屬接觸部位的局部腐蝕。
  [iv] 極化,指事物在一定條件下發生兩極分化,使其性質相對于原來狀態有所偏離的現象。
  [v] 飽和甘汞電極是一種運用電化學原理發明的道具,運用了飽和氯化鉀溶液為電解液的甘汞電極25℃下的電極電勢為0.2412V的特點而研制出來,在一般的化學生產中起著鹽橋作用。
  [vi] 抗拉強度(tensile strength)是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值,也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。
  [vii] 屈服強度是金屬材料發生屈服現象時的屈服極限,也就是抵抗微量塑性變形的應力。
  [viii] 蠕變:固體材料在保持應力不變的條件下,應變隨時間延長而增加的現象。
  參考文獻:
  [1] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1995.
  [2] 王瑤琴.鈦制化工設備設計[Z].北京:化學工業部第四設計院,2000.
  [3] 洪勉成,陸培文.閥門設計計算手冊[M].北京:中國標準出版社,2000.
  [4] 賈耀卿.常用金屬材料手冊[M].北京:中國標準出版社,2000.
  [5] 王飛.JIS標準截止閥的設計[J].閥門,2000,(6).
  [6] 王飛, 郭小斌, 周衛萍. 鈦合金在船用閥門上的應用[J]. 2009(5):36-38.
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