新型船用钛合金球阀的结构设计、阀座密封结构示意

1序言

阀门因为具备流体阻力小，启闭快速、方便等特点，被广泛应适于船用管道以实现海水通断的功能。现在，国外油船海水管道中的阀门通常都是选用铜合金或铝制材料纯化，密封为弹性联轴器或浮动汽缸的软密封结构。在使用过程中，这类阀门存在耐海水浸蚀趋缓、寿命周期短和维护经常等劣势。针对上述劣势，作者选用钛合金材料纯化阀门，并为其设计一种新型整体式弹性补偿的软密封结构。本文主要介绍新型船舶钛合金联轴器的结构设计、阀座密封结构设计及材料采用。

2阀门结构设计

按立方体的支撑形式，阀门可分为浮动球止回阀和固定球止回阀。浮动球止回阀的主要特点是结构简略、制造便于、成本低廉、工作靠谱，但压力较高时，操作力矩巨大；而固定球止回阀工作时，阀前流体压力在立方体上所形成的斥力全部传递给联轴器，操作力矩小，汽缸变型小，密封功耗稳定，适用高压、大通径的场合。本文所述船舶钛合金阀门选用固定球结构，见图1。

图1船舶钛合金阀门结构示意

为了方便组装，联轴器选用整体上装式结构，壳体弄成整体，在其下部设有阀盖，球轴从阀门下部放入，球轴上下选用圆柱滚子推力联轴器，可灵活便捷地调整球轴的上下位置，同时承受作用在球轴的各类负荷，保证阀门具备良好的操作性。

3阀门主密封副的设计

3.1结构方式

作者为船舶钛合金阀门设计了一种新型整体式弹性补偿的软密封结构（见图2），主要由喷嘴、空心橡胶圈、浮动支座、压紧螺丝及O形橡胶圈组成。其结构特点在于：喷嘴本体两端均为弧面，其二端弧面与立方体密切贴合产生密封面，另一端弧面与实心橡胶圈贴合在一起；喷嘴本体及实心橡胶圈依次镶嵌在浮动支座中，并通相序紧螺丝使其固定在壳体通道中；实心橡胶圈内部为实心，实心橡胶圈的外缘延展出一圆锥形孔槽，并且流体介质通过孔槽流入实心橡胶圈中。

图2整体式弹性补偿密封结构

3.2密封原理

固定球止回阀是利用流体压力、弹性器件斥力或预压缩形成的密封力使密封副（圆球与喷嘴）互相靠紧、接触、甚至嵌入，以减轻或去除密封面之间的间隙而达到密封的接触型结构。本文设计的新型整体式弹性补偿的软密封结构的密封原理为：通过实心橡胶圈压缩变型形成的预压紧力推进垫圈密封面密切贴合在球面上，使阀门在低压力下保持良好的密封功耗；在高压时，则通过将介质压力引进实心橡胶圈内，使其带动中间轴牢牢地压在球面上，达到良好密封的疗效；同时，实心橡胶圈压缩形成的弹性力，能对垫圈的磨蚀进行手动补偿。

3.3密封功耗剖析

在汽缸材质和立方体表面、阀座密封面表面品质相似的条件下，固定球阀门的密封功耗主要取决于密封比压q的大小，其估算公式为：

（1）

式中q———球阀密封比压

DMW———阀座密封面直径，mm

DMN———阀座密封面直径，mm

Q———作用于汽缸密封面上的沿流体流动方向的合力

Q=F（P，qmin，DMW，DMN，Dm，f）（2）

式中P———流体介质压力

qmin———球阀密封所需的最小密封比压

Dm———流体作用面的最大半径

f———阀座锈蚀量

将式（2）代入式（1），得：

（3）

当固定球止回阀在恒定流体介质压力工作时球阀，式（3）中P、DMN、qmin均为定值，而Dm及DMW均随锈蚀量f的变化而改变。由此可知，密封比压q与喷嘴锈蚀量f之间能构建起特定的函数关系。

图3是经大量实验及估算统计得出的固定球阀门密封比压与喷嘴锈蚀量之间的特性曲线。

图3阀门密封比压与喷嘴锈蚀量之间的特性曲线

由图3可知，OA曲线和OB曲线均是随着锈蚀量的提高，密封比压随之减少；但OB曲线达到最小密封比压时的锈蚀量fb要远小于OA曲线达到最小密封比压的锈蚀量fa。该特性曲线充分说明了新型整体式弹性补偿密封结构的阀门使用寿命要远小于传统弹性密封结构阀门。其成因是：传统弹性阀座结构主要是借助弹簧压缩形成的预紧力和流体介质在恒定面积的斥力来提供阀门密封所需的密封比压，当磨蚀量降低后，其预紧力日益增大，而流体斥力不变，因而造成密封比压较快增长到最小密封比压；新型整体式弹性补偿密封结构主要是借助实心橡胶圈压缩形成的预紧力和流体在实心型腔面积上的斥力来提供阀门密封所需的密封比压，当磨蚀量降低后，其压缩预紧力似乎只是渐渐减少，但实心橡胶圈螺孔在流体介质压力作用下向外膨胀量降低，实心橡胶圈型腔面积减小，造成流体斥力减小，二者综合后密封比压降低的趋势就显得缓慢许多，因而延长了阀门的使用寿命。

4阀门纯化材料的选择

4.1阀门、球轴材料

钛及钛合金具备密度小、比硬度高、耐蚀功耗强、耐高低温、可冷热成型、焊接功耗好等优异功耗，非常是在海水中具备优良的耐热性和耐冲蚀磨蚀性，它在海水中的磨蚀率近于零，是海洋环境的优选结构材料。为此，钛合金在阀门上的应用可有效地改进船舶阀门的耐用性，减少靠谱性和使用性，降低修理和维护费。通过系统对钛合金材料的电学功耗和耐磨蚀功耗的综合剖析，本文选用锻造钛合金ZTi2材料经熔模精密锻造的方式纯化阀门、采用钛合金TC4线材纯化球轴。

钛合金材料尽管具备这些的优异功耗，但却存在不耐锈蚀的劣势。该劣势会造成由钛合金材料制造的球轴与喷嘴组成的对偶件的耐热功耗升高，因而影响联轴器的密封功耗和使用寿命。本文选用微弧氧化技术对壳体、球轴进行表面硬化处理（见图4），以便增加其耐热功耗。同时，有效避免在使用中与钛合金接触的由铜、钢、铜基合金制造的附件形成加快磨蚀现象。

图4微弧氧化处理球轴示意

4.2垫圈材料

阀门垫圈通常都选用聚四氟烯烃，聚四氟烯烃有优良的物理稳定性、高润滑不黏度、耐磨蚀性，磨擦系数很低，但是静、动磨擦系数接近。但聚四氟烯烃的机械硬度、刚性和强度等较多，承载能力低，且在外力作用下容易发生应力（冷流性）；之外，它的导热系数低，热膨胀大以及不耐热。为此，新型钛合金阀门不选用纯聚四氟烯烃，而是选用添加填充25%碳纤维的提高聚四氟烯烃，这些聚四氟烯烃以上的缺点将大大缓解，适于阀门喷嘴，寿命也延长，密封疗效也大大增强。

4.3实心橡胶圈材料

溴化丁腈橡胶（HNBR）是由丁腈橡胶进行特殊制氢处理而得到的一种高度饱和的弹性体，它具备良好的耐蚀功耗，优良的耐物理磨蚀功耗，优异的耐二氧化氯功耗，较高的抗压缩永久变型功耗；同时酰基丁腈橡胶还具备高硬度，高撕裂功耗、耐磨功耗优异等特性，是综合功耗极为强悍的橡胶之一。本文中选用酰基丁腈橡胶纯化实心橡胶圈，以保证其能提供阀门密封所需的最小预紧力及靠谱的弹性补偿功能。

5实验验证

为了验证新型船舶钛合金阀门的密封疗效和使用寿命。作者设计了DN80（PN3.0MPa）船舶钛合金阀门，并分别选用聚四氟烯烃弹簧组弹性联轴器和提高聚四氟烯烃整体式弹性补偿喷嘴的2种密封方式在实验台上进行对比实验。实验阐明：在实验压力3.0MPa，流速5.5m/s实验条件下球阀，聚四氟烯烃弹簧组弹性联轴器在6000次动作实验后，在0～3.0MPa压力时都发生爆燃；而提高聚四氟烯烃整体式弹性补偿喷嘴的钛合金阀门在10万次动作后，在0～3.0MPa压力时均无泄露发生。由此可见，新型船舶钛合金阀门的高低压密封功耗良好，密封寿命长，其使用寿命是普通球阀寿命的16倍之多。

6推论

（1）选用钛合金纯化船舶阀门，防止了海水浸蚀和蠕变磨蚀，增加了船舶阀门的靠谱性及使用寿命，节省了阀门的修理成本。

（2）本文提出的整体式弹性补偿的软密封结构具备优异的密封功耗，成功解决了现行船舶阀门使用一段时间后易发生爆燃的问题，延长了阀门使用寿命。

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