固定式钛合金球阀设计计算

之前介绍SY42AX煤矿水管路减压阀应用案例，现在介绍固定式钛合金球阀设计计算其中铁制固定式球阀，以其良好的密封性，优异的耐蚀性能及适应高的工作压力等特点，广泛应用于石油、化工行业。目前，国内没有固定式钛球阀，只有浮动式钛球闷，在世界上只有美国、德国、日本等少数国家可以生产固定式钛球阀，为了满足石化行业使用工作压力高、密封性好、具有良好的耐蚀性等要求，拓宽钛材的使用范围，进行了固定式钛球阀的设计与研制．研制出了 DN80，DN50，DN40，DN25，且使用压力高达 9.8MPa 的固定式钛球阀，*，为批量生产奠定了基础，为大型石化企业耐腐蚀设备的国产化改造提供了技术及物质保证。
本文阐述固定式钛球阀的设计计算过程，主要研制工艺及其特点。钛是一种具有高度化学活性的金属。但是，它对许多腐蚀介质都呈现出特别优异的耐腐蚀性。原因是钛和氧有很好的亲和力，极易与氧反应而在其表面生成一层坚固而致密的钝性氧化薄膜。在许多苛刻腐蚀工况介质中，这层氧化薄膜十分稳定，较难溶解，即使遭到破坏，只要有充足的氧，也能自行修复而很快重新生成。钛阀门主要是利用钛金属材料在强腐蚀环境中氧化薄膜有很好的稳定性和自钝化能力，这一特性来抵抗多种苛刻工况强腐蚀。钛阀门能否抵抗工作环境介质的腐蚀，关键在于其表面的“钝性氧化薄膜”在腐蚀介质中的化学稳定性。对于中性，氧化性，弱还原性介质环境“钝性氧化薄膜”本身就有着很好的稳定性。对于高温或PH值较低的还原性腐蚀介质，为提高其“钝性氧化薄膜”的稳定性，可通过加入缓蚀剂(如空气、水、重金属离子和阴离子等)，如钛表面离子改性处理，阳极化处理等方法，来提高“钛”在还原性介质中的耐腐蚀性及表面硬度
1 固定式钛合金球阀设计计算设计与研制
1.1 设计计算
1.1.1 设计技术参数
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：蒸汽减压阀,减压阀(气体减压阀,可调式减压阀该球阀阀前，阀后阀座都能密封，即所谓双向密封特性，利用自带的排放阀，阀体中腔可向外排放。枢轴采用防吹出保护结构，低摩擦系数的轴承等。明精阀门公司具有性能优异，可靠性高，用途广泛，价格合理等优点，适用于化工、石油、天然气、冶金、等行业及含硫化氢介质、杂质多、腐蚀严重的天然气长输管。
产品特点
1、流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻。
2、结构简单、体积小、重量轻。
3、紧密可靠。它有两个密封面，而且目前球阀的密封面材料广泛使用各种塑料，密封性好，能实现*密封。在真空系统中也已广泛使用。
4、操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90°，便于远距离的控制。
5、维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。
6、在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。
7、适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。
8、由于球阀在启闭过程中有擦拭性，所以可用于带悬浮固体颗粒的介质中。
工作介质：醋酸；
使用温度：225℃；
设计压力：9.8MPa；
公称通径：80mm。

1.1.2固定式钛合金球阀设计计算 材料选择
根据使用温度及醋酸的浓度，查知钛的腐蚀率为 ＜0.127mm/a，和耐蚀不锈钢及其它有色金属相比，选择 TA2即符合使用条件；根据使用的工作压力，为了保证其结构强度，选择 TA2 锻造件；根据使用温度、工作压力，选择柔性石墨和浸锑石墨做密封材料。
常用的钛及钛合金材料有：TA1、TA2、TA9、TA10、TA12、TC4、Gr2、Gr3、Gr5、Gr12、Gr31
钛阀门在大气、淡水、海水、高温水蒸汽中，几乎不腐蚀；
钛阀门在碱性介质中非常耐腐蚀；
钛阀门在抗氯离子(CI)能力非常强，具有优良的抗氯离子耐蚀能力；
钛阀门在王水、次氯酸钠。氯水等介质中有很好的耐腐蚀性；
钛在有机酸中的耐蚀性视酸的还原性或氧化性大小而定；
钛阀门在还原性酸中的耐蚀性，视介质是否有缓蚀剂而定；
钛阀门重量轻，机械强度高，广泛应用、领域。
钛阀门由于它的性价比高，能抵抗多种腐蚀介质的侵蚀，在民用耐腐蚀工业输送管线中，可解决不锈钢、铜或铝材料阀门难以解决的腐蚀问题。具有安全、可靠，使用寿命长等优点。广泛应用于氯碱工业、纯碱工业、制药工业、化肥工业、精细化工业、纺织纤维合成和漂染工业，基本有机酸和无机盐生产，硝酸工业等。

1.1.3 固定式钛合金球阀设计计算设计计算
（1）阀体壁厚的设计
采用公式：SB=DN(K0-1)/s＋C，计算结果为 16 mm
（2）阀盖与阀体之间联接螺栓的选择
根据使用压力，选择 1Cr18Ni9Ti 螺栓，选取 M30mm×55mm 的螺栓 8 个即可满足强度要求。
根据公式算得进、出口法兰盖与阀体之间连接螺栓用 M30mm×45mm 的 1Cr18Ni9Ti 螺栓 8 个，即可满足强度要求。
操作和使用　　
1）操作前须确认管路和阀已被冲洗过。

　　2）阀的操作按执行机构输入信号大小带动阀杆旋转完成：正向旋转1/4圈（90°）时，阀关断。反向旋转1/4圈（90°）时，阀开启。

　　3）当执行机构方向指示箭头与管线平行时，阀门为开启状态；指示箭头与管线垂直时，阀门为关闭状态
1.2 技术关键
由于使用压力高达 9.8MPa，因此，密封及承压是技术关键，在研制过程中，采用了 3 项措施，解决了这一关键技术问题。
① 保证球体与上下球杆的同轴度；
② 保证上下球杆与 Φ80mm 通孔的垂直度；
③ 保证球面粗糙度。
通过设计专门的工装胎具及加工与密封工艺，达到了密封与承压目标，一次试较成功。

1.3 固定式钛合金球阀设计计算结构特点
钛制固定式球阀与浮动式球阀相比具有以下 3 个特点。
（1）在密封原理上，采用后密封。
（2）适用于高压、粘稠液体。
普通的浮动式钛球阀在高压时不可靠，在介质为粘稠液体时，球与密封环之间微小的浮动间隙易造成堵塞，从而使阀门启闭困难或失去密封作用。而采用固定式钛球阀，因使用了弹簧，使密封环与球体始终保持紧密接触，利用高压介质达到良好密封的效果。
（3）采用线密封
普通浮动式钛球阀的球体与密封环之间为球面密封，其单位面积上的密封比压小，且在高压时，微观面上的凸凹点易引起泄漏，达不到密封要求。而固定式钛球阀其球体与密封环之间采用线密封，增加了单位面积的密封比压，且压力越高，密封的效果越好，从而保证了高压工作的可靠性。钛合金材料虽然具有很多的优异性能，但却存在不耐磨损的缺点。该缺点会导致由钛合金材料制造的球轴与阀座组成的对偶件的耐磨性能下降，从而影响球阀的密封性能和使用寿命。本文采用微弧氧化技术对阀体、球轴进行表面硬化处理（见图4），从而提高其耐磨性能。同时，有效防止在使用中与钛合金接触的由铜、钢、铜基合金制造的附件产生加速腐蚀现象。

2固定式钛合金球阀设计计算 结论
（1）设计研制的固定式高压钛球阀，满足了石化工业的需要，使用情况良好。
（2）固定式高压钛球阀具有高压使用可靠、密封良好等特点。
（3）设计研制的固定式高压钛球阀，在技术水平上属国内，且达到了同类产品水平。与本文相关的论文：自力式煤气调压阀组​