高溫高壓金屬座全焊接球閥的研發(fā)管理

1 項目概背景及研制開發(fā)意義

1.1 金屬座球閥科研開發(fā)項目概背景

國內(nèi)火力發(fā)電機組單機容量和參數(shù)等級的不斷提高，對發(fā)電設(shè)備的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等性能提出了更高要求。電廠設(shè)備中磨損、高溫腐蝕問題，給電站設(shè)備帶來安全隱患和事故，增加了檢修費用，降低了發(fā)電設(shè)備的利用率［1］。熱噴涂技術(shù)作為材料表面強化、保護和尺寸恢復(fù)的新技術(shù)，能夠提高發(fā)電設(shè)備的利用率，減少設(shè)備的檢修費用，對降低發(fā)電成本有重要的意義，在設(shè)備維修、機械制造中得到廣泛應(yīng)用。

在高溫、高壓的工業(yè)條件下，高溫高壓疏水系統(tǒng)閥門的內(nèi)部漏泄將造成巨大的能源浪費，且增大系統(tǒng)磨損。傳統(tǒng)的截止閥、閘閥無法適應(yīng)高溫高壓工況的要求。研制開發(fā)高溫高壓金屬座球閥（DN40～DN60）具有技術(shù)優(yōu)勢，可以解決熱力系統(tǒng)的高品質(zhì)介質(zhì)泄漏以及設(shè)備磨損等問題。

1.2 研制開發(fā)意義

高溫高壓金屬座球閥（DN40～DN60）科研開發(fā)項目的重點是將超音速熱噴涂技術(shù)進行引申，因為這一技術(shù)在電站汽輪機末級葉片防水蝕、大幅度提高汽輪機和鍋爐等設(shè)備的關(guān)鍵部位防磨損能力方面具有廣闊的應(yīng)用前景。高溫高壓金屬座全焊接球閥的應(yīng)用可解決目前我國多數(shù)電廠存在的鍋爐、汽輪機本體及管道疏放水高性能閥門的配備問題，這將有效減少高品位工質(zhì)內(nèi)部漏泄，并對熱力系統(tǒng)進行有效優(yōu)化，提高機組熱效率。高溫高壓金屬座球閥（DN40～DN60）在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用，可替代大量進口的同類產(chǎn)品，提升我國高溫高壓閥門的技術(shù)水平，有效降低企業(yè)的設(shè)備采購成本。因此，本研究項目具有現(xiàn)實意義。

2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況和趨勢

2.1 電廠的高端閥門使用情況介紹

電廠熱力系統(tǒng)應(yīng)用的高端閥門，工作在高溫高壓的參數(shù)環(huán)境下，這對高端閥門自動控制的可靠性要求較高。由于我國高端閥門的研究和制造還處于技術(shù)攻堅階段，目前國內(nèi)使用的高端閥門主要依賴國外進口，國內(nèi)電廠每年僅高端閥門進口額度就超過100億元人民幣，因此引進、消化、吸收世界名牌閥門技術(shù)，對我國設(shè)備制造業(yè)有著重要意義。其中小型高溫高壓金屬座球閥尤其應(yīng)當(dāng)率先實現(xiàn)國產(chǎn)化，該項目不但可為電廠節(jié)能方面帶來可觀的經(jīng)濟效益，而且在電力行業(yè)內(nèi)有巨大的推廣空間。

2.2 超音速熱噴涂技術(shù)的發(fā)展

熱噴涂方法可分為燃燒法和電熱法。燃燒法包括火焰噴涂、爆炸噴涂；電熱法包括電弧噴涂、等離子噴涂。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂、激光噴涂、反應(yīng)熱噴涂和冷噴涂等工藝。

（1）超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂（High Velocity Oxygen Fuel，簡稱HVOF）法主要是采用高壓水冷的反應(yīng)腔和細(xì)長的噴射管，將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣送入反應(yīng)腔燃燒，產(chǎn)生高壓火焰，燃燒火焰被噴射管壓縮并加速噴射。噴射粉末可以用高壓軸向送入或從噴射管側(cè)面送入。另一種方法是將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣通過高壓噴射，在噴嘴外燃燒，將噴射粉末用高壓氣體從噴嘴內(nèi)軸向射入火焰中，然后通過嘴外空氣罩中的壓縮氣體將燃燒火焰壓縮、加速并將熔融的粉末噴向基板。該法的特點是：射流速度高，焰流溫度比爆炸噴涂低，適合碳化物涂層。采用超音速火焰噴涂獲得的涂層最高密度可達(dá)理論密度的99.9%，強度達(dá)70MPa以上；且涂層雜質(zhì)少，涂層殘余應(yīng)力小，有些情況下可得到設(shè)計的殘余應(yīng)力，因此可噴涂較厚涂層，且噴涂效率高。但它也存在燃料消耗大、成本較高等缺點。

（2）超音速等離子噴涂

超音速等離子噴涂的原理是將主氣（氬氣，流量較小）由后槍體輸入，而大量的次級氣（氮氣或氮氣與氫氣的混合氣）經(jīng)氣體旋流環(huán)的作用后，與主氣一同從拉伐爾管形的二次噴嘴射出（鎢極接負(fù)極，引弧時一次噴嘴接正極），在初級氣中經(jīng)高頻引弧，爾后，正極轉(zhuǎn)接二次噴嘴，即在鎢極與二次噴嘴內(nèi)壁間產(chǎn)生電弧。在旋轉(zhuǎn)的次級氣的強烈作用下，電弧被壓縮在噴嘴的中心并拉長至噴嘴外緣，形成高壓的擴展等離子弧。大功率擴展的等離子弧有效地加熱主氣和次級氣，從而獲得從噴嘴射出的穩(wěn)定的、集聚的超音速等離子射流。噴射粉末經(jīng)送粉嘴加入超音速等離子流，獲得很高的溫度和動能，撞擊在工件表面形成涂層。該方法的主要特點是具有極高的熱源溫度（等離子弧溫度高達(dá)16000°C）和功率，因此能夠在短時間內(nèi)將陶瓷粉末加熱到其熔點以上，得到高質(zhì)量的涂層。它兼有等離子弧噴涂的加熱溫度高和氣體爆炸噴涂及HVOF噴涂的噴涂材料飛行速度快的特點。

2.3 熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)的實際應(yīng)用情況

在機械設(shè)備制造工業(yè)中，先進的熱噴涂技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，如噴涂耐腐蝕涂層、噴涂耐磨涂層、噴涂耐高溫涂層、噴涂功能涂層、噴涂成型等，這些技術(shù)應(yīng)用可以提高設(shè)備的防泄漏和防磨能力，特別是在電力工業(yè)自動控制的可靠性、安全性以及高溫高壓工況要求更加嚴(yán)格的情況下，為熱噴涂技術(shù)應(yīng)用提供了廣闊空間。

熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用主要有下述幾個方面：發(fā)電機汽缸平面尺寸的恢復(fù)；在水輪機部件上，主要應(yīng)用高速火焰噴涂（HVOF）快速修復(fù)因汽蝕與泥沙磨損破壞的水電站水輪機；在風(fēng)機設(shè)備及關(guān)鍵部件中的應(yīng)用；火力發(fā)電廠鍋爐“四管”（水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管）的防腐蝕和抗沖蝕中的應(yīng)用，發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸頸、電刷、柱塞、軸套、球磨機軸頸、高溫高壓閥門的門桿和閥座等表面的噴涂修復(fù)及強化修復(fù)；汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子油擋軸承的噴涂等。可以看出，熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)的實際應(yīng)用十分廣泛。

3 研發(fā)管理過程的介紹

3.1 研制開發(fā)的前期準(zhǔn)備

為攻克這一項目，2005年年初，我們即投入人力和資金展開研究，重點用于核心工藝的研究與試驗。截至目前，已掌握該項目國產(chǎn)合金材料選用、熱加工工藝制定、磨削及研磨方法等技術(shù)。在項目全面展開過程中，我們重點對精密加工裝備（包括熱加工裝備）、檢驗裝備等進行招標(biāo)購買、組裝、調(diào)試，以保證研發(fā)中能有效地獲取試驗數(shù)據(jù)，進行對比試驗以及評價設(shè)備質(zhì)量水平等。我們還準(zhǔn)備先小批量生產(chǎn)，再進行現(xiàn)場實際應(yīng)用，通過現(xiàn)場應(yīng)用的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比，提出核心技術(shù)的控制點，逐步形成自己的產(chǎn)品核心技術(shù)，形成產(chǎn)品的競爭力，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，為大量進行產(chǎn)品制造提供保障。

3.2 研發(fā)項目技術(shù)的關(guān)鍵點

高溫高壓金屬座球閥科研開發(fā)項目主要應(yīng)用于超超臨界火力發(fā)電機組（工作介質(zhì)30MPa、600℃）鍋爐、汽輪機本體及管道疏放水系統(tǒng)，用以解決高參數(shù)條件下疏放水閥門內(nèi)部漏泄問題，達(dá)到節(jié)能、降低成本以及在國內(nèi)電力行業(yè)推廣應(yīng)用、創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會效益的目的。在研發(fā)過程中，通過設(shè)計計算與試驗數(shù)據(jù)分析，我們認(rèn)為該項目屬于小型精密機械制造業(yè)項目，金屬材料選擇和檢驗、熱加工工藝、熱噴涂和熱噴涂的后加工工藝、面密封研磨等是項目技術(shù)的關(guān)鍵點，應(yīng)把握好這些技術(shù)關(guān)鍵點以確保項目成功。

3.3 研發(fā)項目的考核管理目標(biāo)

在閥后串聯(lián)節(jié)流孔，以旁路的方式接入熱力系統(tǒng)，在機組正常運行的條件下，每天開關(guān)一次閥門，連續(xù)20天，如果無內(nèi)漏情況，表明達(dá)到要求。這一工況相當(dāng)于該閥門在機組上正常服役4年。

3.4 項目方案的流程設(shè)計

實施方式：成立課題組，建立專門組織機構(gòu)負(fù)責(zé)該項目；技術(shù)路線：采取并聯(lián)的技術(shù)路線，將難點技術(shù)問題進行分解，分別攻克，達(dá)到與國外進口高溫高壓金屬座球閥同等水平或高于進口水平，并對有價值的分支技術(shù)進行引申再發(fā)展，取得引申成果。

并聯(lián)技術(shù)路線如下：材料選擇及熱加工工藝；機加成型及工藝裝備；熱噴涂和熱噴涂的后續(xù)加工技術(shù)及裝備；環(huán)形球面密封研磨及裝備；檢驗技術(shù)；總體協(xié)調(diào)等。采取并聯(lián)技術(shù)路線可以加快開發(fā)速度，提高每一個分支技術(shù)水平，最終保證終端產(chǎn)品的技術(shù)水平。

3.5 項目進度的控制與管理

該項目初始研發(fā)工作在2005年初即已經(jīng)開展，投入30萬元資金用于樣件分解及材質(zhì)分析。2006年又投入資金50萬元用于核心工藝研究。2007年是該項目關(guān)鍵技術(shù)進行實施的一年，主要內(nèi)容為：完成該項目所配套主要硬件條件建設(shè)，同步完成樣件初步技術(shù)鑒定；樣件進行實際工業(yè)試驗，用增加開關(guān)次數(shù)來模擬4年期使用壽命考驗；2008年初達(dá)到小批量生產(chǎn)條件。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析和社會經(jīng)濟效益分析

4.1 技術(shù)經(jīng)濟分析

國內(nèi)火力發(fā)電的主力機組已由200MW提高到300MW和600MW，參數(shù)等級已由超高壓、亞臨界發(fā)展為超臨界和超超臨界。國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下的鍋爐、汽輪機本體及管道疏水閥門存在的主要問題是內(nèi)部漏泄，高品位工作介質(zhì)未經(jīng)做功直接到低端，造成大量熱能損失。該項目研發(fā)的金屬球閥以其優(yōu)良的密封性能和特殊的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的耐用性，能夠很好地解決這一難題。

4.2 經(jīng)濟效益分析

僅節(jié)約能耗一項來看，全面應(yīng)用該產(chǎn)品每年可為遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤折合人民幣500萬元；在電力行業(yè)內(nèi)推廣使用，每年生產(chǎn)600臺高溫高壓金屬座球閥，可實現(xiàn)銷售收入900萬元，利潤200萬元；由于造價降低，應(yīng)用范圍將相應(yīng)擴大，可以間接為社會創(chuàng)造更多的效益。

4.3 科研資金問題的解決

項目總體資金需求400萬元，其中自籌資金300萬元，占總體資金75%，申請專項資金100萬元，占總體資金25%。申請的專項資金主要用于熱噴涂設(shè)備優(yōu)化改造及大量的工業(yè)對比試驗和參數(shù)測量等。在此過程中科學(xué)地進行資金預(yù)算，以保證整體資金問題的解決。

5 結(jié)束語

高溫高壓金屬座球閥是我們重點組織開發(fā)的一個節(jié)能降耗產(chǎn)品，該產(chǎn)品在本地應(yīng)用以后，還有很大的推廣空間。除了研發(fā)條件的優(yōu)勢外，還有一個重要優(yōu)勢，就是具備方便的工業(yè)試驗條件，可以在運行機組上反復(fù)試驗，目前已經(jīng)取得了大量數(shù)據(jù)，少量樣品開始進行實驗。實驗表明，該項目可用于超超臨界汽輪發(fā)電機組鍋爐和汽輪機本體及管道疏放水系統(tǒng)，達(dá)到進口西方國家產(chǎn)品同等水平，可替代進口產(chǎn)品，有巨大的節(jié)能價值。