3 钛阀应用及其所用材料

3.1 钛阀在航空航天领域的应用及其用材

钛及钛合金的强度高、密度小等性能为其在航空航天领域广泛应用提供了广大空间。钛合金及其阀门制品在航天领域应用较为广泛，仅就所用阀门种类而言，主要涉及调节阀、针型阀等，更多以小规格及非标设计阀门为主。在航空领域钛合金及其阀门制品的应用不仅范围广而且数量巨大。一架超大型客机-空客A380，用钛量45～65T/架;美国的亚音速波音客机用钛量占其总重的15%～17%，F18舰载歼击机用钛量占其总重的12%～13%，最先进的第四代战机F-22用钛量占其总重的41%［6］。飞机上的各种管路中大量使用了钛合金阀门，阀门种类涉及调节阀、截止阀、止回阀、针型阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等，用于阀门的钛材有纯钛(如ASTMB367C2)及钛合金Ti－6Al－4V(ASTMB381F5)、Ti－6Al－6V－2Sn、Ti－6Al－2Sn－4Zr－2Mo、Ti－6Al－2Sn－4Zr－6Mo等，但以纯钛和钛合金Ti－6Al－4V较为普遍［6～10］。航空领域用钛阀其紧固件用材美国选用Ti－6Al－4V，俄罗斯采用BT16。

3.2 钛阀在化工领域的应用及其用材

2010年国内主要钛加工材企业在化工领域销售量达19718吨，占总销售量的53.2%。由此数据不难看出，钛材在化工领域有极其广泛的用途，钛阀作为钛合金管路中流体输送控制的关键系统元件，其使用必不可少，因此钛阀在化工领域的用量不言而喻。在氯碱项目、制盐业、合成氨项目、乙烯项目、硝酸项目、醋酸项目等涉及强腐蚀介质和环境的项目中，普通金属如碳钢、不锈钢等因耐蚀性差，不能满足使用要求，必须使用耐蚀性能优良的特种金属钛合金，其介质输送管路中的控制、调节部位必须大量使用钛阀。大型精对苯二甲酸项目可作为钛阀应用的典型，因其介质主要涉及含有一定杂质的高温高浓度醋酸，环境苛刻介质特殊，必须应用高耐蚀材料。因此不同类型、不同规格的钛阀被大量应用，所用阀门种类涉及闸阀、截止阀、止回阀、安全阀、球阀、蝶阀等等。国内大型精对苯二甲酸项目所用钛阀产品长期并大量依赖进口，其阀体多选用ASTMB367C2(铸件)或ASTMB381F2(锻件);阀门内件多选用ASTMB381F5。阀门用紧固件作为阀门重要零部件，在阀门设计、制造中也非常重要。

就阀门用紧固件选材而言，国外一般分为两种，对于和介质接触部位普遍选用ASTMB381F5，而用于阀门外部不与介质直接接触的紧固件，常选用经一定表面处理的代用材料如不锈钢ASTMA194-8M等，既可降低成本，采购也相对容易。国内在大规格锻制钛阀设计、制造方面已获突破，由中国船舶重工集团第七二五所设计制造的大规格(～DN500)锻制球阀、蝶阀、止回阀等已打破国外垄断，首次实现在某大型精对苯二甲酸项目批量供货和成功应用。

钛阀在化工领域应用广泛，但必须注意其并非适于任何化学介质。其中4种无机酸:氢氟酸、盐酸、硫酸和正磷酸及4种热浓有机酸:草酸、甲酸、三氯乙酸、三氟乙酸以及腐蚀性极强的氯化铝，对钛及钛合金都有严重的腐蚀作用，因此钛阀不适应用于此类化工介质，在使用中应引起注意。

3.3 钛阀在舰船领域的应用及其用材

俄罗斯开发舰船用钛合金的工作始于20世纪60年代，是国际公认开发舰船用钛合金最早、研究最为深入、使用最为广泛的国家之一。就钛工业的发展水平以及钛合金在造船业的使用规模来看，俄罗斯远远领先于世界上其他所有国家。

20世纪60年代至80年代，俄罗斯生产了一系列的攻击型潜艇群，其中包括钛合金使用量达3000t的“阿尔法”级潜艇和用钛量达9000t的“台风”级潜艇［14～16］。其舰艇海水管系钛合金阀门的种类涉及舷侧阀、截止阀、止回阀等等，使用较普遍和成熟。俄罗斯舰船用钛合金阀门在用材上多选用3M合金和TB3合金等。

美国的泰科流体控制公司(Tyco-flowcontrol)、CLA-VAL公司、Cunico公司等与美国海军合作，为其舰船和潜艇提供阀门和控制方案，其生产的钛合金阀门产品不仅通用性强，而且体积小、性能优良。在航母、核潜艇、驱逐舰、两栖船坞直升机舰等等的海水系统均有应用。最具有代表性的如美国的LPD-17等舰艇，其海水系统中应用了大量钛合金管路及钛合金阀门。美制钛合金阀门的阀体材料等多采用ASTMB367C2，内件材料多采用ASTMB381F5［17～21］。

3.4 钛阀在核电领域的应用及其用材

钛及钛合金阀门在电站尤其是核电领域应用十分广泛。合理安全使用核能，是人类的一大进步和在新能源开发利用方面的一大方向，目前世界许多发达国家均有核电站。据统计，目前全世界共有447个核电机组正在运行，总装机容量3．8亿千瓦，约占全球发电量的16．2%。有17各国家核电装机容量占其本国总发电量的25%以上，其中法国占7%、韩国占38%、日本占36%、英国占28%，美国也占到了20%［22］。由于核电站有潜在核污染可能，电站均建于海岸沿线，核电站中许多设施涉及海水这一特殊介质，钛材有“海洋金属”美誉，其优良的耐海水腐蚀性能使得核电领域钛制品用量十分巨大，钛阀便是其中之一，另外在普通电站钛阀门也被大量应用。

就电站用阀门而言，我国电站的建设正向大型化方向发展，所以需用大口径及高压的安全阀、减压阀、截止阀、闸阀、蝶阀、紧急切断阀及流量控制阀、球面密封仪表截止阀等等。随着我国核电站建设从试验性、补偿性转向战略性和进取性发展，给核电阀门带来了广阔的市场前景。核电用阀门在核电站中是使用数量较多的介质输送控制设备，是核电站安全运行中必不可少的重要组成部分，在核电站中的投资比例占核电站建成总价的1．6%左右。以阀门配置情况看，截止阀占33．6%，隔膜阀占26．2%、球阀占12．8%。如此庞大的阀门用量中，钛阀门占有相当比例，钛阀用材主要以经过防辐照试验验证的钛材为主。

核电用阀门加工制造领域，目前国内已有19个企业获得了国家核安全局颁发的民用核承压设备设计和生产资格许可证，可设计和生产核阀的种类包括闸阀、截止阀、调节阀等。其中，具备设计生产核Ⅰ级阀门的企业有5家(中核苏阀、沈阳盛世、大连大高、上海阀门、上海良工)。3．5钛阀在其它领域的应用及其用材钛及钛合金阀门在海洋平台、造纸工业、食品医药等领域的应用十分普遍。海洋钻井平台其环境主要涉及到海水等介质，钛阀已成为必须产品被大量应用。近年海上油田开采进入快速发展期，海洋平台用钛合金阀门需求量逐年增加，主要有关断球阀、止回阀、多路阀等，其阀门用材多选用纯钛。造纸工业是我国的传统工业之一，造纸业环境污染较为严重，涉及强碱介质，介质腐蚀性能极强。造纸行业的管道、泵、阀、风机、搅拌器等均常采用钛合金制造，大量用到钛合金［3］。

就管道阀门而言，纯钛制球阀、截止阀等应用量较大。食品及医药制造领域，直接关乎人的健康。众所周知，钛及钛合金的一大特性就是其生物惰性，即对人体或其他生物无任何毒害作用，所以，钛及钛合金在食品加工、制药领域应用十分广泛，高端食品加工企业及制药厂均应用到钛设备、管线、阀门。该领域所用钛阀门主要有纯钛制球阀、蝶阀等［23］。

4  钛阀应用前景展望

经过20 多年来特别是近几年的科研、设计、制造和用户相结合的共同努力，我国的阀门行业已取得快速发展。2008年，国务院在下达《关于加快振兴装备制造业的若干意见》后，带动了装备制造业的全面振兴。为此国家发改委同中国机械工业联合会、中国通协等有关部门提出争取在“十一五”期间逐步实现重大装备阀门国产化的计划，其中包括实现百万千瓦级核电站关键阀门、百万吨级大型乙烯成套设备阀门国产化等。通过不断引进关键技术和自主研发，并给予法规和政策上的诸多优惠，相关阀门企业抓住机遇，上下形成共识，阀门行业取得了可喜进展。阀门行业始终保持良好的发展态势，2010年1～5月，实现累计产品销售收入557亿元，比上年同期增长24．7%;实现累计利润37亿元，比上年同期增长了35．33%。2010年较上年度销售收入增长超过21%;2011年较上年度销售收入增长超过19%。

根据美国Mciivaine公司统计数据及预测，到2015年中国阀门市场将超过美国成为世界第一，2010～2015年间，平均年增长率11%左右。在整个高端阀门市场中中高端阀门约占30%，其中钛合金阀门占一定比例。随着我国国民经济的飞速发展，2010－2015年，钛阀应用量较大的石化、PTA、LNG行业阀门市场预测年增长13%，由2010年的12亿美元增至2015年的约18．8亿美元;电力行业将保持6%年增长率，由2010年的20亿美元增至2015年的约25亿美元［20］。因此，钛阀在此领域应用前景十分看好。近几年我国航空航天事业发展迅猛，大飞机制造、奔月及太空站建设已成重大国策。因此，鉴于钛合金的优良特性及发达国家钛阀门在此领域的成功应用经验，钛阀在该领域的应用量将会大幅度增加。

另外，随着我国经济实力的不断增强，加强海军建设及加大海洋资源开发利用力度，未来舰船建造及海洋钻井平台领域用钛阀的需求量将大大增加。谁拥有了能源谁就拥有未来，海洋石油开采是我国未来油田开采的重点，钛合金阀门在海洋钻井平台等方面的应用前景将十分广阔。食品卫生及医疗保健越来越被国人及国家相关部门所重视，钛合金是用于食品加工和医药制造领域的最好金属，中国有13亿人口，占世界总人口的1/6，所以，钛阀在此领域未来的市场及应用前景同样将十分广阔。

5 结语

钛阀门作为一种特种介质及环境下的流体控制必需品，在国外发达国家，其加工制造及应用已有多年历史，其阀门的应用领域及所用材料类型、牌号等对我国设计、加工制造高端阀门有巨大帮助。随着我国国民经济高速发展，未来我国将成为国家第一大阀门市场，钛阀门应用前景十分广阔。研究和掌握国内外钛阀应用现状及设计选材规律，有益于我国钛阀门产业尽快壮大和健康发展。

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作者简介

张永强(1963－)，男，学士，高级工程师，长期从事有色金属压力加工工艺研究及阀门研制，通讯地址:471039河南洛阳市中船重工七二五所八室。