钛合金双瓣止回阀扭簧设计及试验性能研究

张新奇，闵帅超，丁强伟，罗焱泽，高 琦

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471023）

双瓣止回阀由于流阻小，具有可水平或垂直安装于管路等特点，常用于市政、排水管网和石油石化类化工领域。此外相比不锈钢、铜或铝制阀门，钛及钛合金阀门（简称钛阀）具有优异的耐蚀性和安全可靠性，因此，钛合金双瓣止回阀已逐渐进入阀门从业者的关注领域。目前，我单位研发生产的2～20寸新型钛合金对夹式双瓣止回阀已成功应用于国内多个PTA项目，应用效果良好。

如图1所示，双瓣止回阀主要由阀体、阀瓣、挡销和扭簧等组成，依靠介质压力和扭簧作用力，2个阀瓣可完成自动开启或关闭动作，实现开启或截断介质，防止介质倒流[1]。

图1 钛合金双瓣止回阀三维示意图

PTA石化工况涉及高温醋酸、工艺浆料等介质，要求阀门产品为全钛化结构，同时扭簧是实现双瓣止回阀功能和性能的关键零件，其设计、加工效果将影响阀门整体的性能，故研制出满足产品使用要求的钛合金扭簧具有重要意义[2]。目前，关于钛合金材质扭簧的设计、生产等方面的资料较少，本文根据双瓣止回阀的工作原理和结构特点，着重介绍了钛合金扭簧的设计、加工过程，并进行性能研究。

1 结构特点及工作原理

1.1 结构特点

扭簧是实现双瓣式止回阀功能和性能的关键零件，在工作中起到存储和释放角位移的作用，基本参数如图2所示[3]。常见规格表示方式为，弹簧材料直径d×外径D2×（nt+d）×有效圈数n。

图2 扭转弹簧基本参数

扭簧的截面形状包含圆形、矩形和梯形等，工作中扭簧输出力与扭转角成正比，呈线性输出，如图3所示。

图3 扭转弹簧输出力示意图

从特性来看，确定材料的条件下扭簧输出力和有效圈数、中径成反比例关系。除基本参数外，输出力同样受到端部形状、弹簧圈间隙和销轴摩擦方式的影响。

1.2 工作原理

扭簧端部结构形式主要有外臂扭转弹簧、内臂扭转弹簧、中心臂扭转弹簧、平列双扭弹簧、直臂扭转弹簧和单臂弯曲扭转弹簧，双瓣式止回阀扭簧选用外臂式[4]。

外臂扭转弹簧的工作方式包含单臂扭转和双臂扭转2种形式如图4所示，工作时多以销轴为支撑点旋转产生扭矩。工程应用中考虑到安装空间和作用点位置等因素，3寸以上的双瓣止回阀通常采用单臂扭转式。该扭簧可依靠一端悬挂在挡销上实现定位效果，输出力更为可控，因此，本文以14寸300 Lb钛合金双瓣止回阀扭簧作为研制对象。

图4 扭转弹簧工作旋转

2 关键参数计算和校核

弹簧材料直径d和有效圈数n作为重要基本参数需进行初期设计，公式如下：

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式中：Kb为曲度系数，扭簧为顺时针旋向时取1；T为工作扭矩/N·mm；[σ]为许用弯曲应力/MPa；E为材料弹性模量/N·mm-2；φ为安装扭转角/°。

在计算出弹簧材料直径后，中径D将由设计人员给定，其他计算和校核如下。

2.1 销轴直径计算

扭簧承受扭矩时，将围绕销轴的中心线缠绕变形，为避免内径减小所造成的抱紧现象，需计算内径变形量并以此作为销轴外径设计依据，如公式（3）。

式中：ΔD为扭矩作用下，扭簧直径减小值/mm。

销轴直径一般取扭簧在最大工作扭矩状态下，对应内径的90%，计算方式如下[5]：

式中：D″为计算销轴直径/mm。

实际销轴直径计算中，将对计算销轴直径取整，并作适当尺寸优化。

2.2 扭簧安装空间计算（外径方向）

外径方向的空间尺寸将影响扭簧能否安装，同时避免扭簧与阀瓣之间产生运动摩擦，提升阀门实用性。计算方式如下：

要求D2≤d"，两者之间的尺寸要保持足够差值，便于放入扭簧。

2.3 扭簧安装空间计算（自由长度方向）

在此需要计算扭簧轴线上的自由长度，预留足够的安装空间，保证双阀瓣协同装配后，所预留的空间满足2个扭簧的安装，避免阀瓣和扭簧之间产生非工作性质的挤压摩擦。

式中：δ为弹簧圈间隙/mm；l为两侧扭臂在轴线上的长度/mm；L"为安装空间（自由长度方向）/mm。

要求2H0≤L"，避免在轴线方向弹簧与阀瓣之间产生运动摩擦。

2.4 扭簧弯曲应力校核

计算扭簧的许用弯曲应力，保证扭簧在工作变形角范围内产生的弯曲应力满足要求，避免产生弯曲变形、折断等失效。

考虑到钛合金屈服强度较高、屈强比大与具有清脆特质的特点，为了保证扭簧工作安全性，许用弯曲应力的计算将参照特性相近的不锈钢丝，取值见表1。

表1 扭转弹簧的许用弯曲应力取值/MPa

综合考虑该配套阀门的工作环境及开关次数，选取许用弯曲应力为(0.55-0.65)σb。应力校核要求分别计算扭簧的最小弯曲应力和最大弯曲应力，验证产品可靠性。

式中：k为弹簧刚度/N·mm/（°）；φ1为初始安装角/°；T1为始安装扭矩/N·mm；σmin为最小弯曲应力/MPa；σmax为最大弯曲应力/MPa。

材料弹性模量E，从《ASME锅炉及压力容器规范》D篇性能（公制）中参考材料级别/UNS选取。扭簧弯曲应力校核要求σmax≤[σ]，避免因受力过大导致的变形。

为了保证扭簧在初始安装角和安装扭转角时工作状态，要求扭簧输出扭矩处于20%~80%压缩量时的扭矩，即工作扭矩在试验扭矩的20%~80%。

式中：σs为试验变形角下的弯曲应力/MPa。

2.5 扭簧疲劳寿命校核

双瓣式止回阀工作中，扭簧作为主要受力零部件，将不断经历受变载荷，需进行疲劳寿命校核。其中下限应力系数为σmin/σb，上限应力系数为σmax/σb，特性参数依次为φ1/φs和φ/φs，循环特性参数计算方式：

式中：γ为循环特征系数；Ts为试验扭矩/N·mm；φs为试验扭矩下的扭转变形角/°。

查询扭簧的疲劳寿命图，判断应力系数所查的点与循环特性参数和N=10x作用线之间交点的关系。

2.6 设计依据

扭簧选用ASTM B863 Grade 5（R56400）退火状态钛合金丝材制作，选取较常见的圆形截面，根据实际工况，设定初始安装角为8°，安装扭转角最大为90°。扭簧设计为非密卷弹簧，弹簧圈间隙为0.5 mm。综合考虑扭簧安装空间、工作特性、受力状况，通过计算14寸300 Lb钛合金双瓣止回阀单臂扭转式扭簧：基本参数为弹簧材料直径d=6 mm，中径D=33 mm，有效圈数n=10，其工作参数具体如下：旋绕比C=5.5，曲度系数Kb=1，中径D=33 mm，自由长度H0=72 mm，扭转刚度k=116.74 N·mm/°，展开长度L=100 mm。

3 加工与试验验证

扭簧采用冷轧钛线丝卷制加工，加工完成后，对成品进行抽样检查，主要检验项目为表面质量、外径或内径、总圈数、自由高度和弹簧特性等。确认满足设计要求后，将对成品抽样检验扭簧输出扭矩，实际加工效果如图5所示。

图5 成品加工效果

在试验验证中，抽样标准和接收质量水平参考GB/T 2828.1-2003，判定标准参考GB/T 1239.3-2009，测量设备为扭力机。分别设置5°、55°和100°作为试验验证的扭转角度，对每批次产品分别抽检10个，记录生产批号以及输出力，平均数据见表2。

表2 成品抽样检验数据

如图6所示，分别将试验数据和理论计算的输出力矩差值比较，得到在不同角度下差值处于13.2%~15.8%，实际的输出力矩略小。这主要与钛合金丝材料实际性能差异、扭簧成型精度和试验误差等因素有关。

图6 扭转角-输出力矩折线图

通过实际产品检测，扭簧安装后与阀瓣配合良好，钛合金双瓣止回阀产品启闭灵活、止回迅速，随产品完成了功能试验、强度试验和高压密封试验等，各项检验结果满足设计要求。14寸钛合金止回阀产品实物如图7所示。

图7 14寸钛合金止回阀产品实物

4 结束语

研制的钛合金扭簧解决了PTA石化工况下止回阀产品耐蚀性问题，通过试验测试且现场服役效果良好，有效地提高了所配套钛阀的安全可靠性。文中所述扭簧设计、加工和试验过程可为钛合金扭簧的推广应用提供一定参考。

附录：本文所涉及主要符号，均在本表中注明