鈦合金雙瓣止回閥扭簧設計及試驗性能研究

張新奇，閔帥超，丁強偉，羅焱澤，高 琦

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

雙瓣止回閥由于流阻小，具有可水平或垂直安裝于管路等特點，常用于市政、排水管網和石油石化類化工領域。此外相比不銹鋼、銅或鋁制閥門，鈦及鈦合金閥門（簡稱鈦閥）具有優異的耐蝕性和安全可靠性，因此，鈦合金雙瓣止回閥已逐漸進入閥門從業者的關注領域。目前，我單位研發生產的2～20寸新型鈦合金對夾式雙瓣止回閥已成功應用于國內多個PTA項目，應用效果良好。

如圖1所示，雙瓣止回閥主要由閥體、閥瓣、擋銷和扭簧等組成，依靠介質壓力和扭簧作用力，2個閥瓣可完成自動開啟或關閉動作，實現開啟或截斷介質，防止介質倒流[1]。

圖1 鈦合金雙瓣止回閥三維示意圖

PTA石化工況涉及高溫醋酸、工藝漿料等介質，要求閥門產品為全鈦化結構，同時扭簧是實現雙瓣止回閥功能和性能的關鍵零件，其設計、加工效果將影響閥門整體的性能，故研制出滿足產品使用要求的鈦合金扭簧具有重要意義[2]。目前，關于鈦合金材質扭簧的設計、生產等方面的資料較少，本文根據雙瓣止回閥的工作原理和結構特點，著重介紹了鈦合金扭簧的設計、加工過程，并進行性能研究。

1 結構特點及工作原理

1.1 結構特點

扭簧是實現雙瓣式止回閥功能和性能的關鍵零件，在工作中起到存儲和釋放角位移的作用，基本參數如圖2所示[3]。常見規格表示方式為，彈簧材料直徑d×外徑D2×（nt+d）×有效圈數n。

圖2 扭轉彈簧基本參數

扭簧的截面形狀包含圓形、矩形和梯形等，工作中扭簧輸出力與扭轉角成正比，呈線性輸出，如圖3所示。

圖3 扭轉彈簧輸出力示意圖

從特性來看，確定材料的條件下扭簧輸出力和有效圈數、中徑成反比例關系。除基本參數外，輸出力同樣受到端部形狀、彈簧圈間隙和銷軸摩擦方式的影響。

1.2 工作原理

扭簧端部結構形式主要有外臂扭轉彈簧、內臂扭轉彈簧、中心臂扭轉彈簧、平列雙扭彈簧、直臂扭轉彈簧和單臂彎曲扭轉彈簧，雙瓣式止回閥扭簧選用外臂式[4]。

外臂扭轉彈簧的工作方式包含單臂扭轉和雙臂扭轉2種形式如圖4所示，工作時多以銷軸為支撐點旋轉產生扭矩。工程應用中考慮到安裝空間和作用點位置等因素，3寸以上的雙瓣止回閥通常采用單臂扭轉式。該扭簧可依靠一端懸掛在擋銷上實現定位效果，輸出力更為可控，因此，本文以14寸300 Lb鈦合金雙瓣止回閥扭簧作為研制對象。

圖4 扭轉彈簧工作旋轉

2 關鍵參數計算和校核

彈簧材料直徑d和有效圈數n作為重要基本參數需進行初期設計，公式如下：

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式中：Kb為曲度系數，扭簧為順時針旋向時取1；T為工作扭矩/N·mm；[σ]為許用彎曲應力/MPa；E為材料彈性模量/N·mm-2；φ為安裝扭轉角/°。

在計算出彈簧材料直徑后，中徑D將由設計人員給定，其他計算和校核如下。

2.1 銷軸直徑計算

扭簧承受扭矩時，將圍繞銷軸的中心線纏繞變形，為避免內徑減小所造成的抱緊現象，需計算內徑變形量并以此作為銷軸外徑設計依據，如公式（3）。

式中：ΔD為扭矩作用下，扭簧直徑減小值/mm。

銷軸直徑一般取扭簧在最大工作扭矩狀態下，對應內徑的90%，計算方式如下[5]：

式中：D″為計算銷軸直徑/mm。

實際銷軸直徑計算中，將對計算銷軸直徑取整，并作適當尺寸優化。

2.2 扭簧安裝空間計算（外徑方向）

外徑方向的空間尺寸將影響扭簧能否安裝，同時避免扭簧與閥瓣之間產生運動摩擦，提升閥門實用性。計算方式如下：

要求D2≤d"，兩者之間的尺寸要保持足夠差值，便于放入扭簧。

2.3 扭簧安裝空間計算（自由長度方向）

在此需要計算扭簧軸線上的自由長度，預留足夠的安裝空間，保證雙閥瓣協同裝配后，所預留的空間滿足2個扭簧的安裝，避免閥瓣和扭簧之間產生非工作性質的擠壓摩擦。

式中：δ為彈簧圈間隙/mm；l為兩側扭臂在軸線上的長度/mm；L"為安裝空間（自由長度方向）/mm。

要求2H0≤L"，避免在軸線方向彈簧與閥瓣之間產生運動摩擦。

2.4 扭簧彎曲應力校核

計算扭簧的許用彎曲應力，保證扭簧在工作變形角范圍內產生的彎曲應力滿足要求，避免產生彎曲變形、折斷等失效。

考慮到鈦合金屈服強度較高、屈強比大與具有清脆特質的特點，為了保證扭簧工作安全性，許用彎曲應力的計算將參照特性相近的不銹鋼絲，取值見表1。

表1 扭轉彈簧的許用彎曲應力取值/MPa

綜合考慮該配套閥門的工作環境及開關次數，選取許用彎曲應力為(0.55-0.65)σb。應力校核要求分別計算扭簧的最小彎曲應力和最大彎曲應力，驗證產品可靠性。

式中：k為彈簧剛度/N·mm/（°）；φ1為初始安裝角/°；T1為始安裝扭矩/N·mm；σmin為最小彎曲應力/MPa；σmax為最大彎曲應力/MPa。

材料彈性模量E，從《ASME鍋爐及壓力容器規范》D篇性能（公制）中參考材料級別/UNS選取。扭簧彎曲應力校核要求σmax≤[σ]，避免因受力過大導致的變形。

為了保證扭簧在初始安裝角和安裝扭轉角時工作狀態，要求扭簧輸出扭矩處于20%~80%壓縮量時的扭矩，即工作扭矩在試驗扭矩的20%~80%。

式中：σs為試驗變形角下的彎曲應力/MPa。

2.5 扭簧疲勞壽命校核

雙瓣式止回閥工作中，扭簧作為主要受力零部件，將不斷經歷受變載荷，需進行疲勞壽命校核。其中下限應力系數為σmin/σb，上限應力系數為σmax/σb，特性參數依次為φ1/φs和φ/φs，循環特性參數計算方式：

式中：γ為循環特征系數；Ts為試驗扭矩/N·mm；φs為試驗扭矩下的扭轉變形角/°。

查詢扭簧的疲勞壽命圖，判斷應力系數所查的點與循環特性參數和N=10x作用線之間交點的關系。

2.6 設計依據

扭簧選用ASTM B863 Grade 5（R56400）退火狀態鈦合金絲材制作，選取較常見的圓形截面，根據實際工況，設定初始安裝角為8°，安裝扭轉角最大為90°。扭簧設計為非密卷彈簧，彈簧圈間隙為0.5 mm。綜合考慮扭簧安裝空間、工作特性、受力狀況，通過計算14寸300 Lb鈦合金雙瓣止回閥單臂扭轉式扭簧：基本參數為彈簧材料直徑d=6 mm，中徑D=33 mm，有效圈數n=10，其工作參數具體如下：旋繞比C=5.5，曲度系數Kb=1，中徑D=33 mm，自由長度H0=72 mm，扭轉剛度k=116.74 N·mm/°，展開長度L=100 mm。

3 加工與試驗驗證

扭簧采用冷軋鈦線絲卷制加工，加工完成后，對成品進行抽樣檢查，主要檢驗項目為表面質量、外徑或內徑、總圈數、自由高度和彈簧特性等。確認滿足設計要求后，將對成品抽樣檢驗扭簧輸出扭矩，實際加工效果如圖5所示。

圖5 成品加工效果

在試驗驗證中，抽樣標準和接收質量水平參考GB/T 2828.1-2003，判定標準參考GB/T 1239.3-2009，測量設備為扭力機。分別設置5°、55°和100°作為試驗驗證的扭轉角度，對每批次產品分別抽檢10個，記錄生產批號以及輸出力，平均數據見表2。

表2 成品抽樣檢驗數據

如圖6所示，分別將試驗數據和理論計算的輸出力矩差值比較，得到在不同角度下差值處于13.2%~15.8%，實際的輸出力矩略小。這主要與鈦合金絲材料實際性能差異、扭簧成型精度和試驗誤差等因素有關。

圖6 扭轉角-輸出力矩折線圖

通過實際產品檢測，扭簧安裝后與閥瓣配合良好，鈦合金雙瓣止回閥產品啟閉靈活、止回迅速，隨產品完成了功能試驗、強度試驗和高壓密封試驗等，各項檢驗結果滿足設計要求。14寸鈦合金止回閥產品實物如圖7所示。

圖7 14寸鈦合金止回閥產品實物

4 結束語

研制的鈦合金扭簧解決了PTA石化工況下止回閥產品耐蝕性問題，通過試驗測試且現場服役效果良好，有效地提高了所配套鈦閥的安全可靠性。文中所述扭簧設計、加工和試驗過程可為鈦合金扭簧的推廣應用提供一定參考。

附錄：本文所涉及主要符號，均在本表中注明