工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型

論述了常用鈦及鈦合金的特性，介紹了國內(nèi)外鈦合金閥門應用現(xiàn)狀及部件選材，分析了鈦閥使用中應注意的問題，提出了我國今后鈦閥門的主要應用領域和發(fā)展前景。本實用新型公開了一種鈦及鈦合金閥門,包括閥門本體,所述閥門本體的上端通過螺栓設置有閥桿,所述閥桿的外壁上轉(zhuǎn)動連接有控制手柄,同時所述閥門本體的左右兩端分別設置為閥口,并且所述閥門本體的外壁上安裝有水流傳感器,所述水流傳感器的外側(cè)設置有固定在所述閥門本體外壁的防護外殼,同時所述水流傳感器的輸入端設置有固定在所述閥門本體內(nèi)壁的感應頭.本實用新型通過設置控制手柄,卡槽,濾網(wǎng),水流傳感器,感應頭,控制箱,以及設置在控制箱內(nèi)部的微型處理器,蓄電池組,報警燈和透視窗,解決了鈦及鈦合金閥門在使用時功能單一,沒有設置水質(zhì)過濾以及防堵報警機制的問題.

1、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型概述
鈦及鈦合金質(zhì)量輕，強度高，屈強比高，無磁性，有生物惰性，并具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。在海水環(huán)境中，鈦及鈦合金幾乎不發(fā)生腐蝕，在大部分化學介質(zhì)中具有的耐蝕性。目前，隨著科技的進步以及各行各業(yè)對新材料應用力度的加大，鈦閥門作為各種特殊環(huán)境及特殊流體介質(zhì)輸送系統(tǒng)的產(chǎn)品已被大量應用。然而不同領域及行業(yè)的流體介質(zhì)和環(huán)境條件不盡相同，對鈦閥所用材料的性能等要求有所不同。同時，由于鈦閥不同組件性能要求存在差異，成型工藝不同，以及為降低成本部分部件需選用代用材料等因素影響，選材成為鈦閥門設計制造中必須首要考慮的技術問題之一，而受到普遍的關注和重視。鈦（Ti）具有強度高，質(zhì)量輕，足夠高的抗熱性和低溫韌性及良好的加工性能和焊接性能。用于閥門生產(chǎn)中主要是鑄造純鈦和鍛造純鈦ZTA2。鈦對腐蝕性介質(zhì)因溫度等工況的不同而表現(xiàn)出耐蝕、不耐蝕甚至起火、爆炸等。因此，訂貨和設計選用時應對使用介質(zhì)的性質(zhì)（濃度、溫度等）給予明確的規(guī)定。

      鈦材質(zhì)的閥門在多種氧化性強腐蝕性介質(zhì)和中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性能。鈦在沸點以下且濃度≤80%的硝酸中均具有優(yōu)異的耐蝕性。而在發(fā)煙硝酸中當NO2含量超過2%而含水量不足時，鈦與發(fā)煙硝酸反應會發(fā)生爆炸，因此，鈦一般不用于含量80%以上的高溫硝酸。鈦在硫酸中不耐蝕，鈦在鹽酸中具有中等的耐蝕性。一般認為，工業(yè)純鈦可用于室溫時濃度7.5%、60℃時濃度3%及100℃時濃度0.5%的鹽酸中，鈦還可用于35℃時濃度30%、60℃時濃度10%及100℃時濃度3%的磷酸中。鈦在HF（氫氟酸）中不耐蝕，鈦在酸性氟化物溶液中也不耐蝕，鈦在硼酸和鉻酸中耐蝕，中可以使用。鈦可用于60℃ 10%硫酸和90%硝酸的混酸，沸騰的1%鹽酸和5%硝酸的混酸以及室溫王水（注：王水是3體積的濃鹽酸和1體積的濃硝酸的混合物）中。

2、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型常用鈦及鈦合金
2.1、工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦系指幾種具有不同的Fe、C、N、O等雜質(zhì)含量的非合金鈦。工業(yè)純鈦不能進行熱處理強化，成型性能優(yōu)良，易于熔焊和釬焊。工業(yè)純鈦實際應用廣泛，調(diào)研后發(fā)現(xiàn)典型變形工業(yè)純鈦牌號有TA1、TA2和TA3等；典型鑄造工業(yè)純鈦牌號有ZTA1、ZTA2和ZTA3。

2.2、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型鈦合金

鈦合金是以鈦為基體，加入Al、Sn、Cr、Mo和Mn等元素組成的合金。鈦合金通常按照退火態(tài)相組成進行分類，劃分為α型、β型和α+β型鈦合金。α型鈦合金主要成分為Ti中加入Al、Sn、Cr等α穩(wěn)定元素的合金，其退回狀態(tài)下的組織為單相α固溶體。α型鈦合金不能熱處理強化，其強度比β型和α+β型鈦合金低，但在500～600℃使用時能保持良好的高溫強度。α型鈦合金具有良好的焊接性能、鑄造性能、壓力加工性能、組織穩(wěn)定性和無冷脆性，缺點是較低的工藝塑性及對氫脆的敏感性。α型鈦合金實際應用廣泛，典型α型變形鈦合金牌號有TA5、TA7、TA9等。

β型鈦合金主要成分為Ti中加入Cr、Mo、V等元素的合金，這類合金經(jīng)淬火處理后得到β固溶體組織，具有較高的強度和沖擊韌性，壓力加工性能和焊接性能良好。但是β型鈦合金的組織和性能不穩(wěn)定，熔煉工藝復雜，應用較少。穩(wěn)定的β型鈦合金有TB7和Ti40。

α+β型鈦合金的室溫組織為α+β組織，是在穩(wěn)定狀態(tài)下含5%～25%的β相以及從β區(qū)急劇冷卻形成α型馬氏體相的α+β鈦合金，它可通過熱處理淬火加時效處理強化。α+β型鈦合金力學性能范圍較寬，在寬廣的溫度范圍內(nèi)有較好的綜合性能，可適合各種不同的用途。典型α+β型變形鈦合金牌號有TC4、TC11和TC16等。典型α+β型鑄造鈦合金牌號有ZTC3、ZTC4和ZTC5。

3、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型鈦的力學性能
鑄造用鈦金屬必須具備良好的流動性和工藝性，國內(nèi)外典型鑄造鈦及鈦合金的力學性能見表1。鍛造用鈦金屬必須具備良好的塑性，國內(nèi)外典型鍛造鈦及鈦合金的力學性能見表2。

鈦中經(jīng)常存在的O、C和N等雜質(zhì)對鈦的力學性能影響很大，它們能提高鈦的強度而降低其塑性，其N的影響較大，C的影響較小，O的影響居中。另外，B、Be和Al等元素對提高鈦的強度影響較大，而Cr、Mo、Mn、Fe、V和Sn等對鈦的強度影響較小。Al常作為α型、α+β型鈦合金中的α穩(wěn)定元素和重要合金元素，對合金有細化晶粒，提高再結(jié)晶溫度和相變溫度，并有顯著強化作用，且能夠降低合金密度，增加合金彈性模量。Mo常作為β型、α+β型鈦合金中的β穩(wěn)定元素和重要的合金元素，旨在不顯著降低材料塑性的情況下，有較大的強化作用，能夠同時提高材料的斷裂韌性、耐蝕性，降低其應力腐蝕敏感性。
H對鈦及鈦合金的力學性能也有較大影響，當H含量達到一定數(shù)值后，將大大提高鈦及鈦合金對缺口的敏感性，從而降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。一般認為，氫含量應低于0.007%～0.008%(質(zhì)量分數(shù))，而不允許高于0.0125%～0.015%(質(zhì)量分數(shù))，高于此含量，組織上將析出氫化物，并出現(xiàn)明顯的氫脆現(xiàn)象。對鈦及鈦合金來說，氫脆是一個重要的問題。鈦容易從酸洗液、腐蝕液和熱加工的高溫氣氛中吸氫。鈦及其合金的氫脆常有兩種表現(xiàn)形式。一是強度稍有增加，塑性及沖擊韌性降低。另一種形式是類似于鋼的脆化，在恒載荷或持續(xù)載荷下，進行慢速拉伸時出現(xiàn)的一種脆化現(xiàn)象。

鈦在室溫下各種濃度的氫氧化鋇、氫氧化鈣、氫氧化鎂、*和氫氧化鉀溶液中*耐蝕，但不能用于沸騰的*和氫氧化鉀中。堿中含氨會加劇鈦的腐蝕。鈦在自來水、河水和空氣中工作溫度為300℃。鈦可用于海水中流速達20m/s，鈦在溫度≤120℃海水中有很高的耐蝕性，若溫度高于120℃，可能會產(chǎn)生點腐蝕和縫隙腐蝕。鈦除了蟻酸、草酸和較濃的檸檬酸（濃度≥50%）外，鈦對所有的有機酸均具有優(yōu)異的耐蝕性，但有機酸中含水量過低（<011%）時鈦易發(fā)生點腐蝕。鈦在碳氫化合物和氯化碳氫化合物中有優(yōu)異的耐蝕性。鈦在干氯氣中能發(fā)生劇烈反應生成TiCl4，并有著火的危險，但鈦在濕氯（含水量在013～115%）中具有很好的耐蝕性。鈦在20～160℃干燥的HCl中是穩(wěn)定的，但在濕氯化氫中鹽酸對鈦造成腐蝕。鈦在氯化物溶液中的點蝕電位較不銹鋼高，鈦抗氯離子的點蝕性能比不銹鋼好，因而鈦在氯化物溶液中獲得了廣泛的應用。在溫度≤80℃時鈦一般不會產(chǎn)生點蝕，但在高溫中等濃度的氯化物溶液（如100℃的25%氯化鋁溶液、175℃的70%氯化鈣溶液、200℃的25%氯化鎂溶液和200℃的75%氯化鋅溶液）中較易發(fā)生點蝕。

4、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型的應用
4.1、航空航天工程

鈦及鈦合金的強度高、密度小等性能使其在航空航天工程中得到廣泛應用。如飛機的各種管路上大量使用了鈦合金閥門，閥門種類涉及調(diào)節(jié)閥、截止閥、止回閥、針型閥、旋塞閥、球閥和蝶閥等。用于閥門的鈦材有純鈦(ASTMB367C2)及鈦合金(Ti-6Al-4V(ASTMB381F5)、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-13V-11Cr-3Al和Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al和Ti-11.5Mo-8V-6Al-4.5Sn等)，但純鈦和鈦合金Ti-6Al-4V使用較為普遍。航空工程用鈦閥其緊固件用材美國選用Ti-6Al-4V，俄羅斯采用BT16。

4.2、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型化工工程

鈦閥作為鈦合金管路中流體輸送控制的關鍵系統(tǒng)元件，在化工工程中有極其廣泛的用途。如氯堿項目、制鹽業(yè)、合成氨項目、乙烯項目、硝酸項目和醋酸項目等涉及強腐蝕介質(zhì)和環(huán)境的項目中，必須使用耐蝕性能優(yōu)良的鈦合金，其介質(zhì)輸送管路中的控制和調(diào)節(jié)部位必須大量使用鈦閥。大型精對苯二甲酸項目可作為鈦閥應用的典型，因其介質(zhì)主要涉及含有一定雜質(zhì)的高溫高濃度醋酸，環(huán)境苛刻，介質(zhì)特殊，必須應用高耐蝕材料。因此大量應用不同類型、不同規(guī)格的鈦閥，所用閥門種類涉及閘閥、截止閥、止回閥、安全閥、球閥和蝶閥等。國內(nèi)大型精對苯二甲酸項目所用鈦閥閥體選用ASTMB367C2(鑄件)或ASTMB381F2(鍛件)，閥門內(nèi)件多選用ASTMB381F5。

閥門用緊固件作為閥門重要零部件，在閥門設計、制造中也非常重要。國外一般分為兩種，對于和介質(zhì)接觸部位選用ASTMB381F5，而用于閥門外部不與介質(zhì)直接接觸的緊固件，常選用經(jīng)一定表面處理的代用材料，如不銹鋼ASTMA194-8M等，既可降低成本，采購也相對容易。

國內(nèi)已設計制造了大規(guī)格(DN500)鈦閥，如鍛制球閥、蝶閥和止回閥等，實現(xiàn)了在某大型精對苯二甲酸項目批量供貨和成功應用。鈦閥在化工行業(yè)應用廣泛，但必須注意其并非適于任何化學介質(zhì)。其中氫氟酸、鹽酸、硫酸和正磷酸及熱濃的草酸、甲酸以及腐蝕性*的氯化鋁，對鈦及鈦合金都有嚴重的腐蝕作用，因此鈦閥不適應用于此類化工介質(zhì)，在使用中應注意。

4.3、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型核電工程

由于核電站均建于海岸沿線，核電站中許多設施涉及海水這一特殊介質(zhì)，鈦及鈦合金閥門其優(yōu)良的耐海水腐蝕性能，使其在核電工程中用量巨大。核電用閥門在核電站中是使用數(shù)量較多的介質(zhì)輸送控制設備，是核電站安全運行中的重要組成部分。以閥門配置情況看，截止閥占33.6%，隔膜閥占26.2%、球閥占12.8%。在龐大的閥門用量中，鈦閥門占有相當比例，鈦閥用材主要以經(jīng)過防輻照試驗驗證的鈦材為主。

4.4、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型其他工程

鈦及鈦合金閥門在海洋平臺、造紙、食品、醫(yī)藥等工程中的應用十分普遍。近年海上油田開采進入快速發(fā)展期，海洋平臺用鈦合金閥門需求量逐年增加，主要有關斷球閥、止回閥、多路閥等，其閥門用材多選用純鈦。造紙工程涉及強堿介質(zhì)，介質(zhì)腐蝕性能*。造紙行業(yè)的管道、泵、閥、風機和攪拌器等常采用鈦合金制造，其中純鈦制球閥和截止閥等應用量較大。由于鈦及鈦合金具有生物惰性，即對人體或其他生物無任何毒害作用，所以，鈦及鈦合金裝置在食品加工和制藥工程中應用廣泛。食品加工企業(yè)及制藥廠均應用到鈦設備、管線和閥門，所用鈦閥門主要有純鈦制球閥和蝶閥等。

5、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型應用前景
經(jīng)過多年科研、設計、制造和用戶相結(jié)合的共同努力，我國的閥門行業(yè)已取得快速發(fā)展。逐步實現(xiàn)了重大裝備閥門國產(chǎn)化的計劃，其中包括百萬千瓦級核電站關鍵閥門和百萬噸級大型乙烯成套設備閥門國產(chǎn)化等。隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增強，近幾年我國航空航天工程、電力工程、海洋資源開發(fā)利用工程、石油化工工程、食品及醫(yī)療工程等發(fā)展力度的加大，鈦閥的市場及應用前景十分廣闊。以上是腐蝕工況下的幾種閥門材料，下面再簡單介紹一下非腐蝕工況閥門材料。閥門工作介質(zhì)為水、蒸汽、空氣和油品等非腐蝕性物質(zhì)時，一般采用碳素鋼。閥門用碳素鋼系指ASTMA216標準中的WCB、WCC鑄鋼和ASTM A105鍛鋼。閥門用碳素鋼適宜工作溫度為-29～425℃。但是為了安全，考慮到介質(zhì)的工作溫度有可能波動，因此，一般碳素鋼的使用溫度不應超過400℃。

6、工業(yè)鈦及鈦合金閥門設計選型結(jié)語
鈦和鈦合金閥門作為一種特殊介質(zhì)及環(huán)境下的流體控制必需品，在國外發(fā)達國家，其加工制造及應用已有多年歷史，其閥門的應用領域及所用材料類型、牌號等對我國設計、加工制造閥門有很大幫助。隨著我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展，未來鈦閥門應用前景十分廣闊。研究和掌握國內(nèi)外鈦閥應用現(xiàn)狀及設計選材規(guī)律，有益于我國鈦閥門產(chǎn)業(yè)盡快發(fā)展。