1序言

閥門因?yàn)榫邆淞黧w阻力小，啟閉快速、方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)適于船用管道以實(shí)現(xiàn)海水通斷的功能。現(xiàn)在，國(guó)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(dòng)汽缸的軟密封結(jié)構(gòu)。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(hù)經(jīng)常等劣勢(shì)。針對(duì)上述劣勢(shì)，作者選用鈦合金材料純化閥門，并為其設(shè)計(jì)一種新型整體式彈性補(bǔ)償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)。本文主要介紹新型船舶鈦合金聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料采用。

2閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按立方體的支撐形式，閥門可分為浮動(dòng)球止回閥和固定球止回閥。浮動(dòng)球止回閥的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略、制造便于、成本低廉、工作靠譜，但壓力較高時(shí)，操作力矩巨大；而固定球止回閥工作時(shí)，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(chǎng)合。本文所述船舶鈦合金閥門選用固定球結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1船舶鈦合金閥門結(jié)構(gòu)示意

為了方便組裝，聯(lián)軸器選用整體上裝式結(jié)構(gòu)，殼體弄成整體，在其下部設(shè)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(diào)整球軸的上下位置，同時(shí)承受作用在球軸的各類負(fù)荷，保證閥門具備良好的操作性。

3閥門主密封副的設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)方式

作者為船舶鈦合金閥門設(shè)計(jì)了一種新型整體式彈性補(bǔ)償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)（見圖2），主要由噴嘴、空心橡膠圈、浮動(dòng)支座、壓緊螺絲及O形橡膠圈組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(chǎn)生密封面，另一端弧面與實(shí)心橡膠圈貼合在一起；噴嘴本體及實(shí)心橡膠圈依次鑲嵌在浮動(dòng)支座中，并通相序緊螺絲使其固定在殼體通道中；實(shí)心橡膠圈內(nèi)部為實(shí)心，實(shí)心橡膠圈的外緣延展出一圓錐形孔槽，并且流體介質(zhì)通過孔槽流入實(shí)心橡膠圈中。

圖2整體式彈性補(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)

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(yù)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(dá)到密封的接觸型結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的新型整體式彈性補(bǔ)償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)的密封原理為：通過實(shí)心橡膠圈壓縮變型形成的預(yù)壓緊力推進(jìn)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(shí)，則通過將介質(zhì)壓力引進(jìn)實(shí)心橡膠圈內(nèi)，使其帶動(dòng)中間軸牢牢地壓在球面上，達(dá)到良好密封的療效；同時(shí)，實(shí)心橡膠圈壓縮形成的彈性力，能對(duì)墊圈的磨蝕進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)償。

3.3密封功耗剖析

在汽缸材質(zhì)和立方體表面、閥座密封面表面品質(zhì)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(dòng)方向的合力

Q=F（P，qmin，DMW，DMN，Dm，f）（2）

式中P———流體介質(zhì)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(dāng)固定球止回閥在恒定流體介質(zhì)壓力工作時(shí)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(gòu)建起特定的函數(shù)關(guān)系。

圖3是經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)及估算統(tǒng)計(jì)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(dá)到最小密封比壓時(shí)的銹蝕量fb要遠(yuǎn)小于OA曲線達(dá)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(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)的閥門使用壽命要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)彈性密封結(jié)構(gòu)閥門。其成因是：傳統(tǒng)彈性閥座結(jié)構(gòu)主要是借助彈簧壓縮形成的預(yù)緊力和流體介質(zhì)在恒定面積的斥力來提供閥門密封所需的密封比壓，當(dāng)磨蝕量降低后，其預(yù)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(zhǎng)到最小密封比壓；新型整體式彈性補(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)主要是借助實(shí)心橡膠圈壓縮形成的預(yù)緊力和流體在實(shí)心型腔面積上的斥力來提供閥門密封所需的密封比壓，當(dāng)磨蝕量降低后，其壓縮預(yù)緊力似乎只是漸漸減少，但實(shí)心橡膠圈螺孔在流體介質(zhì)壓力作用下向外膨脹量降低，實(shí)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(shì)就顯得緩慢許多，因而延長(zhǎng)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(qiáng)、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(jié)構(gòu)材料。為此，鈦合金在閥門上的應(yīng)用可有效地改進(jìn)船舶閥門的耐用性，減少靠譜性和使用性，降低修理和維護(hù)費(fèi)。通過系統(tǒng)對(duì)鈦合金材料的電學(xué)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(jīng)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(shì)。該劣勢(shì)會(huì)造成由鈦合金材料制造的球軸與噴嘴組成的對(duì)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(shù)對(duì)殼體、球軸進(jìn)行表面硬化處理（見圖4），以便增加其耐熱功耗。同時(shí)，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(rùn)滑不黏度、耐磨蝕性，磨擦系數(shù)很低，但是靜、動(dòng)磨擦系數(shù)接近。但聚四氟烯烴的機(jī)械硬度、剛性和強(qiáng)度等較多，承載能力低，且在外力作用下容易發(fā)生應(yīng)力（冷流性）；之外，它的導(dǎo)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(diǎn)將大大緩解，適于閥門噴嘴，壽命也延長(zhǎng)，密封療效也大大增強(qiáng)。

4.3實(shí)心橡膠圈材料

溴化丁腈橡膠（HNBR）是由丁腈橡膠進(jìn)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(shí)酰基丁腈橡膠還具備高硬度，高撕裂功耗、耐磨功耗優(yōu)異等特性，是綜合功耗極為強(qiáng)悍的橡膠之一。本文中選用?；‰嫦鹉z純化實(shí)心橡膠圈，以保證其能提供閥門密封所需的最小預(yù)緊力及靠譜的彈性補(bǔ)償功能。

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型船舶鈦合金閥門的密封療效和使用壽命。作者設(shè)計(jì)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(bǔ)償噴嘴的2種密封方式在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)闡明：在實(shí)驗(yàn)壓力3.0MPa，流速5.5m/s實(shí)驗(yàn)條件下球閥，聚四氟烯烴彈簧組彈性聯(lián)軸器在6000次動(dòng)作實(shí)驗(yàn)后，在0～3.0MPa壓力時(shí)都發(fā)生爆燃；而提高聚四氟烯烴整體式彈性補(bǔ)償噴嘴的鈦合金閥門在10萬次動(dòng)作后，在0～3.0MPa壓力時(shí)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(zhǎng)，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(bǔ)償?shù)能浢芊饨Y(jié)構(gòu)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(shí)間后易發(fā)生爆燃的問題，延長(zhǎng)了閥門使用壽命。

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