钛合金在船用阀门上的应用

1、概述

　　钛及钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀和耐压性好等突出优点,目前已广泛应用于航空、航天、石油、化工、冶金、电力、医药卫生和仪器仪表等行业。为适应海洋工程深海容器、船舶等领域需求,在钛合金阀开发过程中,用新技术、新材料和新标准规范产品设计,符合国家高新技术产品政策的要求,是一种新兴的,又很有发展前途的材料应用技术,从而提高了阀门质量,改善了产品性能。

2、钛的耐腐蚀性能

　　钛是一种具有高度化学活性的金属,对大多数腐蚀介质都呈现出特别优异的耐腐蚀性。钛和氧有很大的亲和力,在接触于大气或任何含氧介质时,其表面立即形成一种坚固而紧密的钝性氧化薄膜。这种薄膜十分稳定,如果产生机械损伤,又会立即重新形成(只要存在一定量的氧) 。

　　金属钛有几种特殊的腐蚀形式,如高温腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀和腐蚀疲劳等,但钛应用在船舶阀门上主要是电偶腐蚀。

　　电偶腐蚀是当两种不同的金属在一电解质中构成电偶时,作阳极的金属的腐蚀可以被加速。其腐蚀量取决于材料间的电极电位差,也取决于阳极和阴极的面积比以及两者的极化特性。钛与一般材料不同,它在许多介质中是钝态的,并且显示出类似于钝态18-8不锈钢的电位。钛在海水中的电位是-0.10V (对饱和甘汞电极) 。钛与蒙乃尔合金、哈斯特洛依C、18-8不锈钢、加Ni的铝青铜管板接触时电位差很小,不会产生电偶腐蚀。但同样在海水中,钛与铝、锌、碳钢接触时,铝、锌等金属被腐蚀。然而,它们的腐蚀速度却比与不锈钢接触时所引起的腐蚀小。这些金属的腐蚀程度随钛和接触钛的金属表面积的比例而变化。接触钛的金属和钛的表面积比为1∶10(即阳极与阴极面积比为1∶10)时,被接触金属将很快腐蚀。与此相反,与钛接触的金属和钛的表面积比为10∶1时,其腐蚀率大大降低。钛与某些金属在海水中接触腐蚀量如图1。在低浓度还原性酸(如硫酸或盐酸)也存在类似海水的情况。此外,钛有强烈的极化倾向,即意味着包含钛作阴极的电偶,只产生小的电流。由于钛表面有氧化膜存在,所以,当与其他金属接触时,其腐蚀率通常不会增加。因此在船舶用钛制阀门上的其他材料应注意电偶腐蚀的对比。

图1　钛———异种金属浸泡于通气海水(2500h)的性能

3、阀门结构特点

　　(1)钛合金阀门的阀体流道采用图2形式(以截止阀为例) ,以减小介质对密封面的直接冲刷和由于通道的急剧收缩及扩张而产生涡流区。

图2　法兰钛合金截止阀

　　(2)钛材较贵,为经济、合理使用钛材,在不与腐蚀介质接触的部位,应尽量不用钛制零件。

　　(3)钛材的力学性能随温度而改变,其值较一般碳素钢或合金钢大。其强度指标随温度上升而下降,如250～300℃时的抗拉强度和屈服强度约为常温时的50%。因此,即使在设计温度不高的情况下,也应按设计温度下的强度值选取。钛的屈强比高、持久强度好,因此,设计温度在316℃以下时,决定设计强度指标的往往是该温度下的抗拉强度值。工业纯钛是不能通过热处理来提高强度指标值的。钛的热膨胀系数小,当钛和其他材料联合使用时,要注意膨胀值差引起的应力。

　　(4)工业纯钛和α - 钛合金压力加工时的塑性变形范围小,容易产生破裂。而提高变形速度或降低变形温度等都可能导致加工中的破裂。因此,最好不要设计变形量大的冷加工件。在需要翻边的地方,弯曲半径尽量取得大一些。用强度胀连接的管子与管板管孔之间的间隙公差要小,以免钛管胀裂。