1序言

閥門因為具備流體阻力小，啟閉快速、方便等特點，被廣泛應適于船用管道以實現(xiàn)海水通斷的功能?，F(xiàn)在，國外油船海水管道中的閥門通常都是選用銅合金或鋁制材料純化，密封為彈性聯(lián)軸器或浮動汽缸的軟密封結構。在使用過程中，這類閥門存在耐海水浸蝕趨緩、壽命周期短和維護經常等劣勢。針對上述劣勢，作者選用鈦合金材料純化閥門，并為其設計一種新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構。本文主要介紹新型船舶鈦合金聯(lián)軸器的結構設計、閥座密封結構設計及材料采用。

2閥門結構設計

按立方體的支撐形式，閥門可分為浮動球止回閥和固定球止回閥。浮動球止回閥的主要特點是結構簡略、制造便于、成本低廉、工作靠譜，但壓力較高時，操作力矩巨大；而固定球止回閥工作時，閥前流體壓力在立方體上所形成的斥力全部傳遞給聯(lián)軸器，操作力矩小，汽缸變型小，密封功耗穩(wěn)定，適用高壓、大通徑的場合。本文所述船舶鈦合金閥門選用固定球結構，見圖1。

圖1船舶鈦合金閥門結構示意

為了方便組裝，聯(lián)軸器選用整體上裝式結構，殼體弄成整體，在其下部設有閥蓋，球軸從閥門下部放入，球軸上下選用圓柱滾子推力聯(lián)軸器，可靈活便捷地調整球軸的上下位置，同時承受作用在球軸的各類負荷，保證閥門具備良好的操作性。

3閥門主密封副的設計

3.1結構方式

作者為船舶鈦合金閥門設計了一種新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構（見圖2），主要由噴嘴、空心橡膠圈、浮動支座、壓緊螺絲及O形橡膠圈組成。其結構特點在于：噴嘴本體兩端均為弧面，其二端弧面與立方體密切貼合產生密封面，另一端弧面與實心橡膠圈貼合在一起；噴嘴本體及實心橡膠圈依次鑲嵌在浮動支座中，并通相序緊螺絲使其固定在殼體通道中；實心橡膠圈內部為實心，實心橡膠圈的外緣延展出一圓錐形孔槽，并且流體介質通過孔槽流入實心橡膠圈中。

圖2整體式彈性補償密封結構

3.2密封原理

固定球止回閥是利用流體壓力、彈性器件斥力或預壓縮形成的密封力使密封副（圓球與噴嘴）互相靠緊、接觸、甚至嵌入，以減輕或去除密封面之間的間隙而達到密封的接觸型結構。本文設計的新型整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構的密封原理為：通過實心橡膠圈壓縮變型形成的預壓緊力推進墊圈密封面密切貼合在球面上，使閥門在低壓力下保持良好的密封功耗；在高壓時，則通過將介質壓力引進實心橡膠圈內，使其帶動中間軸牢牢地壓在球面上，達到良好密封的療效；同時，實心橡膠圈壓縮形成的彈性力，能對墊圈的磨蝕進行手動補償。

3.3密封功耗剖析

在汽缸材質和立方體表面、閥座密封面表面品質相似的條件下，固定球閥門的密封功耗主要取決于密封比壓q的大小，其估算公式為：

（1）

式中q———球閥密封比壓

DMW———閥座密封面直徑，mm

DMN———閥座密封面直徑，mm

Q———作用于汽缸密封面上的沿流體流動方向的合力

Q=F（P，qmin，DMW，DMN，Dm，f）（2）

式中P———流體介質壓力

qmin———球閥密封所需的最小密封比壓

Dm———流體作用面的最大半徑

f———閥座銹蝕量

將式（2）代入式（1），得：

（3）

當固定球止回閥在恒定流體介質壓力工作時球閥，式（3）中P、DMN、qmin均為定值，而Dm及DMW均隨銹蝕量f的變化而改變。由此可知，密封比壓q與噴嘴銹蝕量f之間能構建起特定的函數(shù)關系。

圖3是經大量實驗及估算統(tǒng)計得出的固定球閥門密封比壓與噴嘴銹蝕量之間的特性曲線。

圖3閥門密封比壓與噴嘴銹蝕量之間的特性曲線

由圖3可知，OA曲線和OB曲線均是隨著銹蝕量的提高，密封比壓隨之減少；但OB曲線達到最小密封比壓時的銹蝕量fb要遠小于OA曲線達到最小密封比壓的銹蝕量fa。該特性曲線充分說明了新型整體式彈性補償密封結構的閥門使用壽命要遠小于傳統(tǒng)彈性密封結構閥門。其成因是：傳統(tǒng)彈性閥座結構主要是借助彈簧壓縮形成的預緊力和流體介質在恒定面積的斥力來提供閥門密封所需的密封比壓，當磨蝕量降低后，其預緊力日益增大，而流體斥力不變，因而造成密封比壓較快增長到最小密封比壓；新型整體式彈性補償密封結構主要是借助實心橡膠圈壓縮形成的預緊力和流體在實心型腔面積上的斥力來提供閥門密封所需的密封比壓，當磨蝕量降低后，其壓縮預緊力似乎只是漸漸減少，但實心橡膠圈螺孔在流體介質壓力作用下向外膨脹量降低，實心橡膠圈型腔面積減小，造成流體斥力減小，二者綜合后密封比壓降低的趨勢就顯得緩慢許多，因而延長了閥門的使用壽命。

4閥門純化材料的選擇

4.1閥門、球軸材料

鈦及鈦合金具備密度小、比硬度高、耐蝕功耗強、耐高低溫、可冷熱成型、焊接功耗好等優(yōu)異功耗，非常是在海水中具備優(yōu)良的耐熱性和耐沖蝕磨蝕性，它在海水中的磨蝕率近于零，是海洋環(huán)境的優(yōu)選結構材料。為此，鈦合金在閥門上的應用可有效地改進船舶閥門的耐用性，減少靠譜性和使用性，降低修理和維護費。通過系統(tǒng)對鈦合金材料的電學功耗和耐磨蝕功耗的綜合剖析，本文選用鍛造鈦合金ZTi2材料經熔模精密鍛造的方式純化閥門、采用鈦合金TC4線材純化球軸。

鈦合金材料盡管具備這些的優(yōu)異功耗，但卻存在不耐銹蝕的劣勢。該劣勢會造成由鈦合金材料制造的球軸與噴嘴組成的對偶件的耐熱功耗升高，因而影響聯(lián)軸器的密封功耗和使用壽命。本文選用微弧氧化技術對殼體、球軸進行表面硬化處理（見圖4），以便增加其耐熱功耗。同時，有效避免在使用中與鈦合金接觸的由銅、鋼、銅基合金制造的附件形成加快磨蝕現(xiàn)象。

圖4微弧氧化處理球軸示意

4.2墊圈材料

閥門墊圈通常都選用聚四氟烯烴，聚四氟烯烴有優(yōu)良的物理穩(wěn)定性、高潤滑不黏度、耐磨蝕性，磨擦系數(shù)很低，但是靜、動磨擦系數(shù)接近。但聚四氟烯烴的機械硬度、剛性和強度等較多，承載能力低，且在外力作用下容易發(fā)生應力（冷流性）；之外，它的導熱系數(shù)低，熱膨脹大以及不耐熱。為此，新型鈦合金閥門不選用純聚四氟烯烴，而是選用添加填充25%碳纖維的提高聚四氟烯烴，這些聚四氟烯烴以上的缺點將大大緩解，適于閥門噴嘴，壽命也延長，密封療效也大大增強。

4.3實心橡膠圈材料

溴化丁腈橡膠（HNBR）是由丁腈橡膠進行特殊制氫處理而得到的一種高度飽和的彈性體，它具備良好的耐蝕功耗，優(yōu)良的耐物理磨蝕功耗，優(yōu)異的耐二氧化氯功耗，較高的抗壓縮永久變型功耗；同時?；‰嫦鹉z還具備高硬度，高撕裂功耗、耐磨功耗優(yōu)異等特性，是綜合功耗極為強悍的橡膠之一。本文中選用?；‰嫦鹉z純化實心橡膠圈，以保證其能提供閥門密封所需的最小預緊力及靠譜的彈性補償功能。

5實驗驗證

為了驗證新型船舶鈦合金閥門的密封療效和使用壽命。作者設計了DN80（PN3.0MPa）船舶鈦合金閥門，并分別選用聚四氟烯烴彈簧組彈性聯(lián)軸器和提高聚四氟烯烴整體式彈性補償噴嘴的2種密封方式在實驗臺上進行對比實驗。實驗闡明：在實驗壓力3.0MPa，流速5.5m/s實驗條件下球閥，聚四氟烯烴彈簧組彈性聯(lián)軸器在6000次動作實驗后，在0～3.0MPa壓力時都發(fā)生爆燃；而提高聚四氟烯烴整體式彈性補償噴嘴的鈦合金閥門在10萬次動作后，在0～3.0MPa壓力時均無泄露發(fā)生。由此可見，新型船舶鈦合金閥門的高低壓密封功耗良好，密封壽命長，其使用壽命是普通球閥壽命的16倍之多。

6推論

（1）選用鈦合金純化船舶閥門，防止了海水浸蝕和蠕變磨蝕，增加了船舶閥門的靠譜性及使用壽命，節(jié)省了閥門的修理成本。

（2）本文提出的整體式彈性補償?shù)能浢芊饨Y構具備優(yōu)異的密封功耗，成功解決了現(xiàn)行船舶閥門使用一段時間后易發(fā)生爆燃的問題，延長了閥門使用壽命。

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當前文章標簽：密封,球閥,合金,橡膠,彈性