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如何研發(fā)高溫高壓金屬座球閥分析
1 項(xiàng)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(xiàng)目概背景
國(guó)內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和參數(shù)等級(jí)的不斷提高，對(duì)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(wèn)題，給電站設(shè)備帶來(lái)安全隱患和事故，增加了檢修費(fèi)用，降低了發(fā)電設(shè)備的利用率比。熱噴涂技術(shù)作為材料表面強(qiáng)化、保護(hù)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(fèi)用，對(duì)降低發(fā)電成本有重要的意義，在設(shè)備維修、機(jī)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(fèi)，且增大系統(tǒng)磨損。傳統(tǒng)的截止閥、閘閥無(wú)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(shì)，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(wèn)題。
1.2 研制開發(fā)意義
高溫高壓金屬座球閥（DN4O~DN60）科研開發(fā)項(xiàng)目的重點(diǎn)是將超音速熱噴涂技術(shù)進(jìn)行引申，因?yàn)檫@一技術(shù)在電站汽輪機(jī)末級(jí)葉片防水蝕、大幅度提高汽輪機(jī)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。高溫高壓金屬座球閥的應(yīng)用可解決目前我國(guó)多數(shù)電廠存在的鍋爐、汽輪機(jī)本體及管道疏放水高性能閥門的配備問(wèn)題，這將有效減少高品位工質(zhì)內(nèi)部漏泄，并對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行有效優(yōu)化，提高機(jī)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(jìn)口的同類產(chǎn)品，提升我國(guó)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(gòu)成本。因此，本研究項(xiàng)目具有現(xiàn)實(shí)意義。
2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況和趨勢(shì)
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(duì)高端閥門自動(dòng)控制的可靠性要求較高。由于我國(guó)高端閥門的研究和制造還處于技術(shù)攻堅(jiān)階段，目前國(guó)內(nèi)使用的高端閥門主要依賴國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)電廠每年僅高端閥門進(jìn)口額度就超過(guò) 100 億元人民幣，因此引進(jìn)、消化、吸收世界名牌閥門技術(shù)，對(duì)我國(guó)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(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，該項(xiàng)目不但可為電廠節(jié)能方面帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)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。
（l）超音速火焰噴涂。超音速火焰噴涂（High Velocity Oxygen Fuel，簡(jiǎn)稱 HVOF）法主要是采用高壓水冷的反應(yīng)腔和細(xì)長(zhǎng)的噴射管，將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣送人反應(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人或從噴射管側(cè)面送人。另一種方法是將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣通過(guò)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)軸向射人火焰中，然后通過(guò)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(diǎn)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(qiáng)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(jì)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(diǎn)。
（2）超音速等離子噴涂。超音速等離子噴涂的原理是將主氣（氮?dú)猓髁枯^小）由后槍體輸入，而大量的次級(jí)氣（氮?dú)饣虻獨(dú)馀c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(shí)一次噴嘴接正極），在初級(jí)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(jí)氣的強(qiáng)烈作用下，電弧被壓縮在噴嘴的中心并拉長(zhǎng)至噴嘴外緣，形成高壓的擴(kuò)展等離子弧。大功率擴(kuò)展的等離子弧有效地加熱主氣和次級(jí)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)送粉嘴加人超音速等離子流，獲得很高的溫度和動(dòng)能，撞擊在工件表面形成涂層。該方法的主要特點(diǎn)是具有極高的熱源溫度（等離子弧溫度高達(dá) 16000℃）和功率，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)將陶瓷粉末加熱到其熔點(diǎn)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(diǎn)。
2.3 熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況
在機(jī)械設(shè)備制造工業(yè)中，先進(jìn)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(dòng)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(gè)方面：發(fā)電機(jī)汽缸平面尺寸的恢復(fù)；在水輪機(jī)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(jī)；在風(fēng)機(jī)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(guò)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(jī)轉(zhuǎn)子軸頸、電刷、柱塞、軸套、球磨機(jī)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(qiáng)化修復(fù)；汽輪機(jī)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(shí)際應(yīng)用十分廣泛。
3 研發(fā)管理過(guò)程的介紹
3.1 研制開發(fā)的前期準(zhǔn)備
為攻克這一項(xiàng)目，2005 年年初，我們即投人人力和資金展開研究，重點(diǎn)用于核心工藝的研究與試驗(yàn)。截至目前，已掌握該項(xiàng)目國(guó)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(xiàng)目全面展開過(guò)程中，我們重點(diǎn)對(duì)精密加工裝備（包括熱加工裝備）、檢驗(yàn)裝備等進(jìn)行招標(biāo)購(gòu)買、組裝、調(diào)試，以保證研發(fā)中能有效地獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)以及評(píng)價(jià)設(shè)備質(zhì)量水平等。我們還準(zhǔn)備先小批量生產(chǎn)，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，提出核心技術(shù)的控制點(diǎn)，逐步形成自己的產(chǎn)品核心技術(shù)，形成產(chǎn)品的竟?fàn)幜Γ瑥亩ＷC產(chǎn)品質(zhì)量，為大量進(jìn)行產(chǎn)品制造提供保障。
3.2 研發(fā)項(xiàng)目技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)
高溫高壓金屬座球閥科研開發(fā)項(xiàng)目主要應(yīng)用于超超臨界火力發(fā)電機(jī)組（工作介質(zhì) 30MPa、600℃）鍋爐、汽輪機(jī)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(wèn)題，達(dá)到節(jié)能、降低成本以及在國(guó)內(nèi)電力行業(yè)推廣應(yīng)用、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的目的。在研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們認(rèn)為該項(xiàng)目屬于小型精密機(jī)械制造業(yè)項(xiàng)目，金屬材料選擇和檢驗(yàn)、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(xiàng)目技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)把握好這些技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)以確保項(xiàng)日成功。
3.3 研發(fā)項(xiàng)目的考核管理目標(biāo)
在閥后串聯(lián)節(jié)流孔，以旁路的方式接人熱力系統(tǒng)，在機(jī)組正常運(yùn)行的條件下，每天開關(guān)一次閥門，連續(xù) 20 天，如果無(wú)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(jī)組上正常服役 4 年。
3.4 項(xiàng)目方案的流程設(shè)計(jì)
實(shí)施方式：成立課題組，建立專門組織機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)該項(xiàng)目；技術(shù)路線：采取并聯(lián)的技術(shù)路線，將難點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分解，分別攻克，達(dá)到與國(guó)外進(jìn)口高溫高壓金屬座球閥同等水平或高于進(jìn)口水平，并對(duì)有價(jià)值的分支技術(shù)進(jìn)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(jī)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(yàn)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(gè)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(xiàng)目進(jìn)度的控制與管理
該項(xiàng)目初始研發(fā)工作在 2005 年初即已經(jīng)開展，投人 30 萬(wàn)元資金用于樣件分解及材質(zhì)分析。2006 年又投入資金 50 萬(wàn)元用于核心工藝研究。2007 年是該項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行實(shí)施的一年，主要內(nèi)容為：完成該項(xiàng)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(jìn)行實(shí)際工業(yè)試驗(yàn)，用增加開關(guān)次數(shù)來(lái)模擬 4 年期使用壽命考驗(yàn)；2008 年初達(dá)到小批量生產(chǎn)條件。
4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析
4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
國(guó)內(nèi)火力發(fā)電的主力機(jī)組已由 200MW 提高到 300MW 和 600MW，參數(shù)等級(jí)已由超高壓、亞臨界發(fā)展為超臨界和超超臨界。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下的鍋爐、汽輪機(jī)本體及管道疏水閥門存在的主要問(wèn)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(xiàng)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(jì)效益分析
僅節(jié)約能耗一項(xiàng)來(lái)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(wàn)元；在電力行業(yè)內(nèi)推廣使用，每年生產(chǎn) 600 臺(tái)高溫高壓金屬座球閥，可實(shí)現(xiàn)銷售收人 900 萬(wàn)元，利潤(rùn) 200 萬(wàn)元；由于造價(jià)降低，應(yīng)用范圍將相應(yīng)擴(kuò)大，可以間接為社會(huì)創(chuàng)造更多的效益。
4.3 科研資金問(wèn)題的解決
項(xiàng)目總體資金需求 400 萬(wàn)元，其中自籌資金 300 萬(wàn)元，占總體資金 75%，申請(qǐng)專項(xiàng)資金 100 萬(wàn)元，占總體資金 25%。申請(qǐng)的專項(xiàng)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(duì)比試驗(yàn)和參數(shù)測(cè)量等。在此過(guò)程中科學(xué)地進(jìn)行資金預(yù)算，以保證整體資金問(wèn)題的解決。
5 結(jié)束語(yǔ)
高溫高壓金屬座球閥是我們重點(diǎn)組織開發(fā)的一個(gè)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(shì)外，還有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，就是其備方便的工業(yè)試驗(yàn)條件，可以在運(yùn)行機(jī)組上反復(fù)試驗(yàn)，目前已經(jīng)取得了大量數(shù)據(jù)，少量樣品開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該項(xiàng)目可用于超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組鍋爐和汽輪機(jī)本體及管道疏放水系統(tǒng)，達(dá)到進(jìn)口西方國(guó)家產(chǎn)品同等水平、可替代進(jìn)門產(chǎn)品，有巨大的節(jié)能價(jià)值。