超越傳統(tǒng)制造：基于3D打印與先進(jìn)表面改性技術(shù)的鈦合金閥門(mén)性能躍升與在深海油氣等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用探索

1、概述

閥門(mén)作為流體控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,其設(shè)計(jì)和制造對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。傳統(tǒng)金屬材料如碳鋼和不銹鋼等已無(wú)法滿足閥門(mén)在特定制造領(lǐng)域的使用要求。鈦和鈦合金作為一種新興的、有發(fā)展前景的金屬材料,以其高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)良的耐腐蝕性和出色的耐高溫性能而著稱。鈦合金在與各種腐蝕性介質(zhì)接觸時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性,無(wú)論是海水、酸性溶液還是堿性環(huán)境,鈦合金閥門(mén)均能保持良好的耐腐蝕性能,極大延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命。此外,鈦合金具有良好的可加工性,能夠通過(guò)各種加工手段制成復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu),為閥門(mén)的設(shè)計(jì)和制造提供了極大的靈活性。這些特性使得鈦合金在閥門(mén)制造中具有顯著優(yōu)勢(shì),目前被廣泛用于LNG船、航空航天、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋工程、石油、化工、輕工、食品加工、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生、儀器儀表等行業(yè)。本文主要介紹了鈦和鈦合金球閥的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造、部分零件的材料選用原則和表面處理工藝等。

2、鈦和鈦合金球閥的設(shè)計(jì)及制造

2.1典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)閥門(mén)的制造工藝主要有鑄造、鍛造和機(jī)械加工,過(guò)程繁瑣且成本較高,而3D打印制造技術(shù)的成熟為閥門(mén)的生產(chǎn)制造帶來(lái)了新的發(fā)展方向,為成本昂貴的鈦合金零件提供了更加經(jīng)濟(jì)的制造工藝。鈦和鈦合金球閥的閥體和閥蓋制造選用模鍛或3D打印成型,零件結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1和圖2[1]。通過(guò)3D打印的方式一體化成型復(fù)雜結(jié)構(gòu),從而減少了加工步驟,提升效率。由于鈦閥主要應(yīng)用在腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)中,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少潛在的外漏點(diǎn)。

鈦和鈦合金球閥常用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為ASMEB16.34、ISO17292和API6D等,其典型結(jié)構(gòu)包含浮動(dòng)球閥和固定球閥,如圖3所示。典型結(jié)構(gòu)鈦閥的閥門(mén)為兩片式結(jié)構(gòu),閥體和閥蓋的材料主要為工業(yè)純鈦,如TA2/F2,球體和閥桿通常為鈦合金TC4/F5等;密封形式包括軟密封和金屬密封,閥門(mén)多數(shù)為雙向密封設(shè)計(jì)。閥門(mén)的連接方式有法蘭式(圖3)、對(duì)夾式和焊接式等,其設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括閥桿防吹出、防靜電裝置、防火設(shè)計(jì)以及可鎖設(shè)計(jì)等。球閥屬于90°開(kāi)、關(guān)旋轉(zhuǎn)的閥門(mén),當(dāng)手柄與通道方向平行時(shí),閥門(mén)處于全開(kāi)位置,手柄順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°關(guān)閉閥門(mén)。圖3(a)為浮動(dòng)球閥,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、制造成本低和維修方便,但缺點(diǎn)包括高壓限制、操作扭矩大及雙向帶壓無(wú)法有效密封等;圖3(b)為固定球閥,其優(yōu)點(diǎn)是耐高壓、操作力小、雙向密封可靠,但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多、成本高和維護(hù)復(fù)雜等[2]。

2.2額定設(shè)計(jì)壓力[3]

ASMEBPVC.II.D.M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)鈦材的使用溫度進(jìn)行了限制,即鍛件溫度限定在316℃(600℉),鑄件溫度限定在260℃(500℉);此外,還規(guī)定了不同溫度下材料的機(jī)械性能。ASMEB16.34標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中列出了常規(guī)金屬材料的額定溫壓值,但對(duì)于鈦和鈦合金材料的額定溫壓值并未規(guī)定,因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)ASMEB16.34附錄B計(jì)算,設(shè)計(jì)壓力取P_ca與P_st中的較小值,其中P_ca是標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)的極限壓力,P_st是指定材料在相應(yīng)溫度下的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)額定工作壓力。當(dāng)P_st<P_ca時(shí),表達(dá)式為:

S′₁=170%×S_y(2)

S″₁=1.25×25%×S_u(3)

式中

C₁———單位轉(zhuǎn)換常量,單位為MPa時(shí)取C₁=10

S₁———設(shè)計(jì)許用應(yīng)力,取S′₁與S″₁中較小值

S_y———材料的屈服強(qiáng)度值[4],MPa

S_u———材料的抗拉強(qiáng)度值[4],MPa

P_r———壓力等級(jí)額定指數(shù)當(dāng)客戶規(guī)范中規(guī)定了閥門(mén)的設(shè)計(jì)溫度與壓力值時(shí),必須按照客戶規(guī)范規(guī)定的要求執(zhí)行,如挪威石油標(biāo)準(zhǔn)NORSOKL-001中對(duì)鈦材C2/F2溫壓值的相關(guān)規(guī)定見(jiàn)表1。

表1NORSOKL-001中C2/F2溫壓值[5]

2.3材料選用的基本原則

2.3.1閥體與閥蓋

與常規(guī)黑色金屬材料相比,鈦和鈦合金具有彈性模量小、屈強(qiáng)比高、比強(qiáng)度(強(qiáng)度/重量)大等特點(diǎn),典型鈦和鈦合金力學(xué)性能見(jiàn)表2。鈦和鈦合金閥門(mén)的閥體、閥蓋等承壓件的材料選用以工業(yè)純鈦F2/C2、F3/C3居多,因鈦和鈦合金鑄件價(jià)格較高,在產(chǎn)品選型或設(shè)計(jì)時(shí),需考慮所選方案的經(jīng)濟(jì)合理性。例如,鈦和鈦合金球閥應(yīng)優(yōu)先考慮鍛造結(jié)構(gòu),其閥體與閥蓋以模鍛或3D打印等高性價(jià)比的結(jié)構(gòu)為主,或選用市場(chǎng)容易購(gòu)買(mǎi)的型材等。常用鍛件鈦和鈦合金B(yǎng)381F2/F3在給定溫度下的彈性模量、泊松比和密度見(jiàn)表3。

表2國(guó)內(nèi)外典型鈦及鈦合金的力學(xué)性能[6-10]

表3B381F2/F3彈性模量?泊松比與密度[4]

2.3.2內(nèi)件材料

鈦和鈦合金閥門(mén)的球體、閥桿等內(nèi)件推薦使用強(qiáng)度較高F5/F12等合金鈦,閥門(mén)要求絕緣時(shí)閥桿表面進(jìn)行DLC處理。軟密封閥門(mén)的閥座選用PTFE、RPTFE、DEVLON、PEEK等材料,具體材料的選擇需滿足工況要求;而硬密封閥門(mén)的密封副配對(duì)材料應(yīng)選用硬度不同的鈦材,或?qū)⒚芊饷孢M(jìn)行硬化處理,如滲氮、噴涂WC/CrC等,防止閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)粘接、拉傷現(xiàn)象,從而導(dǎo)致閥門(mén)泄漏。鈦和鈦合金球閥設(shè)計(jì)推薦材料配對(duì)見(jiàn)表4。

表4推薦材料配對(duì)表

2.3.3彈簧材料

彈簧材料的選用主要分為與介質(zhì)接觸和非接觸。接觸介質(zhì)的彈簧主要為鈦合金碟形彈簧,常用材料為ASTMB348Gr.5/TC4,結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[11]。由于鈦材的彈性模量較小,當(dāng)選用鈦材彈簧時(shí),按照GB/T1972-2005和相關(guān)資料[12]中的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。若介質(zhì)腐蝕性較低,則彈簧材料可選用INCONEL合金替代。非接觸介質(zhì)的彈簧材料為17-7PH或316,當(dāng)客戶指定或使用在腐蝕性環(huán)境時(shí),選用INCONEL合金。

2.3.4緊固件與墊片材料

受管道介質(zhì)壓力的作用,鈦材在溫度較低時(shí)也會(huì)發(fā)生一定程度的蠕變,從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛。對(duì)于與介質(zhì)非直接接觸的鈦材閥門(mén)緊固件,推薦選用奧氏體不銹鋼材質(zhì),如B8M/8M。若閥門(mén)的外部環(huán)境同樣具有較強(qiáng)的耐蝕要求或客戶特殊要求,則緊固件使用INCONEL合金或客戶指定材料,但與介質(zhì)直接接觸的緊固件須使用鈦材。墊片材料選用PTFE或石墨,結(jié)構(gòu)形式主要是平墊片和纏繞墊片。平墊片材料選用純PTFE或純石墨,纏繞墊片材料選用TA2+PTFE或TA2+石墨,具體材料選擇根據(jù)實(shí)際工況及客戶要求。

2.3.5鈦材零件表面絕緣材料

在閥門(mén)絕緣保護(hù)時(shí),鈦材與非鈦材直接接觸的部位需進(jìn)行絕緣處理,處理方法如下:

(1)閥體、閥蓋接觸部位陽(yáng)極氧化或微弧氧化處理;

(2)閥桿表面DLC處理;

(3)非鈦材外部緊固件表面NYLOK涂膠處理。

3、鈦和鈦合金閥門(mén)零件的表面處理

3.1超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂HVOF(HighVelocityOxy-Fuel)是指利用丙烷、丙烯等碳?xì)湎等細(xì)饣驓錃馀c高壓氧氣在燃燒室內(nèi)或在特殊的噴嘴中燃燒,使其產(chǎn)生高溫、高速(燃燒焰流速度達(dá)到5馬赫(1500m/s)以上)的工藝手段[13]。HVOF工藝的涂層厚度可以達(dá)到350μm~500μm,加工后保留的涂層厚度≥150μm。為防止外形不規(guī)則的零件噴涂后涂層開(kāi)裂,在噴涂后需在溫控箱中均勻緩慢冷卻。采用HVOF工藝制備的Cr3C2-25NiCr和WC-25Co涂層均具有較好的耐腐蝕和耐磨性能,適用于鈦合金閥門(mén)硬密封表面。

3.2物理氣相沉積

物理氣相沉積PVD(PhysicalVaporDeposition)是指利用物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移,將原子或分子由源轉(zhuǎn)移到基材表面上的過(guò)程,將某些有特殊性能(強(qiáng)度高、耐磨性、散熱性、耐腐性等)的微粒噴涂在性能較低的母體上,使母體具有更好的性能[14]。

PVD的基本方法包括真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍,鈦和鈦合金常用的PVD涂層為DLC(Diamond-likeCarbon)類金剛石膜和TiN(Titaniumnitride,氮化鈦)。

DLC膜不僅具有諸多與金剛石相似的性能,如硬度高、摩擦系數(shù)低、電阻率高、電絕緣強(qiáng)度和熱導(dǎo)率高,還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕能力,因此DLC膜是鈦閥門(mén)零件最常用的表面改性材料。鈦閥的閥桿、滑動(dòng)軸承、閥桿螺母均可使用DLC膜提高其耐磨性,且磨損較輕的密封面也可使用DLC膜,如平面密封的截止閥和軟密封球閥的球體。

TiN是第一個(gè)產(chǎn)業(yè)化的薄膜材料,其涂層厚度一般為3μm~10μm。較薄的涂層有較好的結(jié)合強(qiáng)度,不易產(chǎn)生剝落,可作為承受沖擊載荷的零件涂層。零件在承受摩擦和擠壓的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的內(nèi)部壓應(yīng)力,易在接觸面引起過(guò)載,而較厚的涂層會(huì)使涂層與基材之間發(fā)生剪切斷裂,因此對(duì)于易發(fā)生磨損的零件,將其涂層厚度限制為5μm。TiN膜具有硬度高、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低和不粘性好等特點(diǎn),可大幅改善鈦和鈦合金的使用性能,故TiN是鈦合金閥門(mén)零件常用的表面硬化材料,主要應(yīng)用于有磨損的零件處,例如截止閥的密封面和三偏心蝶閥的密封面等。

3.3離子滲氮

離子滲氮是鈦和鈦合金最常用的表面處理工藝之一,離子氮化可使純鈦材料的表面硬度提高6~8倍,可使鈦合金材料的硬度提高4倍[14]。鈦和鈦合金的離子滲氮工藝溫度通常在850℃以上,此時(shí)零件易產(chǎn)生變形,且離子滲氮后工件的表面粗糙度降低。當(dāng)閥門(mén)密封件采用離子滲氮時(shí),為避免上述問(wèn)題,需制作特殊的工裝以限制或減少零件的變形,從而保證離子滲氮后零件的變形不會(huì)影響閥門(mén)的密封性能。

3.4氧化處理

雖然鈦材在空氣中自然產(chǎn)生的氧化膜具有一定的抗腐蝕性,但其耐磨、硬度、厚度等方面的綜合性能并沒(méi)有達(dá)到閥門(mén)的實(shí)際應(yīng)用需求,因此需要對(duì)其進(jìn)行表面氧化改性。最常用的氧化處理工藝是陽(yáng)極氧化和微弧氧化[15,16]。陽(yáng)極氧化是在相應(yīng)的電解溶液中和特定的工藝條件下施加外加電流,而在鈦及鈦合金表面上形成一層氧化膜的過(guò)程被稱為電化學(xué)氧化,該過(guò)程可顯著提高工件的耐磨和耐蝕性能,絕緣性能較好。微弧氧化是指把基材放在電解質(zhì)溶液中,利用微弧放電在金屬表面原位生長(zhǎng)氧化膜的技術(shù),又稱微等離子體氧化;其優(yōu)點(diǎn)在于氧化處理后的工件表面不僅具有良好的韌性、耐腐蝕、耐磨特性,還具有部分陶瓷材料的功能特性,如磁電屏蔽能力、生物醫(yī)學(xué)性能及良好的絕緣性。

通過(guò)對(duì)鈦材零件進(jìn)行不同的表面處理工藝,可有效改善其表面的耐磨、耐蝕和硬度等特性。不同的工藝方法可使零件表面處理后的性能參數(shù)存在差異,鈦和鈦合金表面處理后性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5鈦和鈦合金表面處理后性能參數(shù)

4、鈦和鈦合金閥門(mén)的應(yīng)用

鈦和鈦合金閥門(mén)主要是利用鈦金屬材料具有的優(yōu)異抗海水和液態(tài)介質(zhì)腐蝕能力。由于其高性價(jià)比能抵抗多種腐蝕介質(zhì)的侵蝕,在民用耐腐蝕工業(yè)輸送管線中可解決不銹鋼、銅或合金鋼閥門(mén)難以解決的腐蝕問(wèn)題,具有安全、可靠,使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于氯堿工業(yè)、純堿工業(yè)、制藥工業(yè)、化肥工業(yè)、精細(xì)化工業(yè)、紡織纖維合成和漂染工業(yè)、基本有機(jī)酸和無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn),以及硝酸工業(yè)等。雖然鈦閥在化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但必須注意其并非適于任何化學(xué)介質(zhì)。例如,4種無(wú)機(jī)酸(氫氟酸、鹽酸、硫酸和正磷酸)、4種熱濃有機(jī)酸(草酸、甲酸、三氯乙酸和三氟乙酸)和腐蝕性極強(qiáng)的氯化鋁均會(huì)對(duì)鈦及鈦合金產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用,因此鈦閥不適用于此類化工介質(zhì),使用中應(yīng)格外注意[17]。

鈦和鈦合金閥門(mén)憑借其卓越的性能和可靠性,在深海油氣開(kāi)采這一極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。深海油氣開(kāi)采作為當(dāng)代能源產(chǎn)業(yè)的前沿領(lǐng)域,其開(kāi)采環(huán)境具有高壓、低溫、高鹽腐蝕性等特點(diǎn),對(duì)所使用的設(shè)備材料提出了極為嚴(yán)苛的要求,鈦和鈦合金閥門(mén)以其高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)良的耐腐蝕性和出色的耐低溫性能,在這一環(huán)境中正發(fā)揮著重要作用。

在實(shí)際應(yīng)用中,鈦和鈦合金閥門(mén)在深海油氣開(kāi)采中主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面:

(1)油氣輸送管道系統(tǒng)

鈦和鈦合金閥門(mén)被廣泛應(yīng)用于深海油氣輸送管道系統(tǒng),用于控制和調(diào)節(jié)油氣的流量和壓力。鈦和鈦合金閥門(mén)的優(yōu)良耐腐蝕性和密封性能確保了油氣輸送的安全性和高效性。

(2)海底生產(chǎn)平臺(tái)

在海底生產(chǎn)平臺(tái),鈦和鈦合金閥門(mén)用于控制和調(diào)節(jié)各種設(shè)備和系統(tǒng)的流體流動(dòng)。因其輕質(zhì)高強(qiáng)和耐腐蝕性能,致使設(shè)備更加緊湊、可靠,從而降低了

維護(hù)成本。

(3)深海鉆井設(shè)備

鈦和鈦合金閥門(mén)還被應(yīng)用于深海鉆井設(shè)備中,用于控制和調(diào)節(jié)鉆井液的流動(dòng)。鈦和鈦合金閥門(mén)優(yōu)異的耐高溫和耐腐蝕性能確保了鉆井設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和鉆井作業(yè)的安全。

5、結(jié)語(yǔ)

本文參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),列出了鈦和鈦合金球閥的典型結(jié)構(gòu),對(duì)鈦和鈦合金閥門(mén)額定穩(wěn)壓值的設(shè)計(jì)選取以及材料選用原則提供了參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)比不同表面處理工藝,總結(jié)出鈦和鈦合金閥門(mén)零件表面處理后的性能參數(shù),以及鈦和鈦合金閥門(mén)在石油化工等行業(yè)中的應(yīng)用。雖然鈦和鈦合金閥門(mén)已在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,但實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn),需要采取相應(yīng)的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷變化,鈦合金閥門(mén)將在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破和發(fā)展。首先,新型鈦合金材料的推出將進(jìn)一步優(yōu)化閥門(mén)性能,提高其耐腐蝕性、強(qiáng)度和韌性,以適應(yīng)更為極端的工作條件。其次,在制造工藝上,先進(jìn)的加工技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用將提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性,降低成本,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。相信在未來(lái)的發(fā)展中,鈦合金閥門(mén)將朝著智能化、綠色環(huán)保、高性能化和定制化服務(wù)的方向發(fā)展,為各行各業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)、高效的服務(wù),為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出

更大的貢獻(xiàn)。

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（注：原文標(biāo)題：鈦和鈦合金在閥門(mén)行業(yè)中的應(yīng)用）