新型船用钛合金球阀的设计与研制
1 前言
球阀由于具有流体阻力小，启闭迅速、方便等优点，被广泛应用于船舶管路以实现海水通断的功能。目前，国内船舶海水管路中的球阀一般都是采用铜合金或不锈钢材料制备，密封为弹性阀座或浮动阀座的软密封结构。在使用过程中，这类球阀存在耐海水腐蚀偏弱、寿命周期短和维护频繁等缺点。针对上述缺点，作者采用钛合金材料制备球阀，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用钛合金球阀的结构设计、阀座密封结构设计及材料选用。
2 球阀结构设计
按球体的支撑方式，球阀可分为浮动球球阀和固定球球阀。浮动球球阀的主要优点是结构简单、制造方便、成本低廉、工作可靠，但压力较高时，操作转矩很大；而固定球球阀工作时，阀前流体压力在球体上所产生的作用力全部传递给轴承，操作转矩小，阀座变形小，密封性能稳定，适用高压、大通径的场合。本文所述船用钛合金球阀采用固定球结构，见图1。
图1 船用钛合金球阀结构示意
为了便于装配，球阀采用整体上装式结构，阀体做成整体，在其上部设有阀盖，球轴从阀体上部装入，球轴上下采用圆锥滚子推力轴承，可灵活方便地调整球轴的上下位置，同时承受作用在球轴的各种负荷，保证球阀具有良好的操作性。
3 球阀主密封副的设计
3.1 结构形式
作者为船用钛合金球阀设计了一种新型整体式弹性补偿的软密封结构（见图2），主要由阀座、空心橡胶圈、浮动支座、压紧螺母及O形橡胶圈组成。其结构特征在于：阀座本体两端均为弧面，其一端弧面与球体紧密贴合形成密封面，另一端弧面与空心橡胶圈贴合在一起；阀座本体及空心橡胶圈依次镶嵌在浮动支座中，并通过压紧螺母使其固定在阀体通道中；空心橡胶圈内部为空心，空心橡胶圈的外侧延伸出一圆柱形孔槽，使得流体介质通过孔槽流入空心橡胶圈中。
图2 整体式弹性补偿密封结构
3.2 密封原理
固定球球阀是借助流体压力、弹性元件作用力或预压缩产生的密封力使密封副（球体与阀座）相互靠紧、接触、甚至嵌入，以减少或消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：通过空心橡胶圈压缩变形产生的预压紧力推动阀座密封面紧密贴合在球面上，使球阀在低压力下保持良好的密封性能；在高压时，则通过将介质压力引入空心橡胶圈内，使其推动阀座紧紧地压在球面上，达到良好密封的效果；同时，空心橡胶圈压缩产生的弹性力，能对阀座的磨损进行自动补偿。
3.3 密封性能分析
在阀座材质和球体表面、阀座密封面表面质量相同的条件下，固定球球阀的密封性能主要取决于密封比压q的大小，其计算公式为：
（1）
式中 q———球阀密封比压
DMW———阀座密封面外径，mm
DMN———阀座密封面内径，mm
Q———作用于阀座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———流体作用面的最大直径
f———阀座磨损量
将式（2）代入式（1），得：
（3）
当固定球球阀在恒定流体介质压力工作时，式（3）中P、DMN、qmin均为定值，而Dm及DMW均随磨损量f的变化而改变。由此可知，密封比压q与阀座磨损量f之间能建立起特定的函数关系。
图3是经大量试验及计算统计得出的固定球球阀密封比压与阀座磨损量之间的特征曲线。
图3 球阀密封比压与阀座磨损量之间的特征曲线
由图3可知，OA曲线和OB曲线均是随着磨损量的增加，密封比压逐渐减小；但OB曲线达到最小密封比压时的磨损量fb要远大于OA曲线达到最小密封比压的磨损量fa。该特征曲线充分说明了新型整体式弹性补偿密封结构的球阀使用寿命要远大于传统弹性密封结构球阀。其原因是：传统弹性阀座结构主要是依靠弹簧压缩产生的预紧力和流体介质在恒定面积的作用力来提供球阀密封所需的密封比压，当磨损量增加后，其预紧力逐渐减小，而流体作用力不变，从而导致密封比压较快下降到最小密封比压；新型整体式弹性补偿密封结构主要是依靠空心橡胶圈压缩产生的预紧力和流体在空心内腔面积上的作用力来提供球阀密封所需的密封比压，当磨损量增加后，其压缩预紧力虽然也是逐渐减小，但空心橡胶圈内腔在流体介质压力作用下向外膨胀量增加，空心橡胶圈内腔面积增大，导致流体作用力增大，两者综合后密封比压减小的趋势就变得平缓许多，从而延长了球阀的使用寿命。
4 球阀制备材料的选择
4.1 阀体、球轴材料
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能强、耐高低温、可冷热成形、焊接性能好等优异性能，特别是在海水中具有优良的耐蚀性和耐冲刷腐蚀性，它在海水中的腐蚀率近于零，是海洋环境的优选结构材料。因此，钛合金在球阀上的应用可有效地改进船用球阀的耐用性，提高可靠性和使用性，减少维修和维护费。通过系统对钛合金材料的力学性能和耐腐蚀性能的综合分析，本文采用铸造钛合金ZTi2材料经熔模精密铸造的方法制备阀体、采用钛合金TC4棒材制备球轴。
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。
图4 微弧氧化处理球轴示意
4.2 阀座材料
球阀阀座一般都采用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯有优良的化学稳定性、高润滑不粘性、耐腐蚀性，摩擦系数很低，而且静、动摩擦系数接近。但聚四氟乙烯的机械强度、刚性和硬度等较差，承载能力低，且在外力作用下容易发生蠕变（冷流性）；此外，它的导热系数低，热膨胀大以及不耐磨。因此，新型钛合金球阀不采用纯聚四氟乙烯，而是采用添加填充25%碳纤维的增强聚四氟乙烯，这种聚四氟乙烯以上的缺点将大大改善，用于球阀阀座，寿命也延长，密封效果也大大提高。
4.3 空心橡胶圈材料
氢化丁腈橡胶（HNBR）是由丁腈橡胶进行特殊加氢处理而得到的一种高度饱和的弹性体，它具有良好的耐热性能，优良的耐化学腐蚀性能，优异的耐臭氧性能，较高的抗压缩永久变形性能；同时氢化丁腈橡胶还具有高强度，高撕裂性能、耐磨性能优异等特点，是综合性能极为出色的橡胶之一。本文中采用氢化丁腈橡胶制备空心橡胶圈，以保证其能提供球阀密封所需的最小预紧力及可靠的弹性补偿功能。
5 试验验证
为了验证新型船用钛合金球阀的密封效果和使用寿命。作者设计了DN80（PN3.0MPa）船用钛合金球阀，并分别采用聚四氟乙烯弹簧组弹性阀座和增强聚四氟乙烯整体式弹性补偿阀座的2种密封形式在试验台上进行对比试验。试验表明：在试验压力3.0MPa，流速5.5m/s试验条件下，聚四氟乙烯弹簧组弹性阀座在6000次动作试验后，在0～3.0MPa压力时都发生泄漏；而增强聚四氟乙烯整体式弹性补偿阀座的钛合金球阀在10万次动作后，在0～3.0MPa压力时均无泄漏发生。由此可见，新型船用钛合金球阀的高低压密封性能良好，密封寿命长，其使用寿命是普通球阀寿命的16倍之多。
6 结论
（1）采用钛合金制备船用球阀，避免了海水腐蚀和冲蚀腐蚀，提高了船用球阀的可靠性及使用寿命，节约了球阀的维修费用。
（2）本文提出的整体式弹性补偿的软密封结构具有优异的密封性能，成功解决了现行船用球阀使用一段时间后易发生泄漏的问题，延长了球阀使用寿命。
作者：倪世丰 ， 罗颖 ， 伍来智 ， 魏兴乔
来源：《流体机械》 , 2016 , 44 (8) :51-53