上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司

1 項目概背景及研制開(kāi)發(fā)意義

1.1 金屬座球閥科研開(kāi)發(fā)項目概背景

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

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

1.2 研制開(kāi)發(fā)意義

高溫高壓金屬座球閥（DN4O~DN60）科研開(kāi)發(fā)項目的重點(diǎn)是將超音速熱噴涂技術(shù)進(jìn)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備的關(guān)鍵部位防磨損能力方面具有廣闊的應用前景。高溫高壓金屬座球閥的應用可解決目前我國多數電廠(chǎng)存在的鍋爐、汽輪機本體及管道疏放水高性能閥門(mén)的配備問(wèn)題，這將有效減少高品位工質(zhì)內部漏泄，并對熱力系統進(jìn)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)的推廣應用，可替代大量進(jìn)口的同類(lèi)產(chǎn)品，提升我國高溫高壓閥門(mén)的技術(shù)水平，有效降低企業(yè)的設備采購成本。因此，本研究項目具有現實(shí)意義。

2 國內外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況和趨勢

2.1 電廠(chǎng)的高端閥門(mén)使用情況介紹

電廠(chǎng)熱力系統應用的高端閥門(mén)，工作在高溫高壓的參數環(huán)境下，這對高端閥門(mén)自動(dòng)控制的可靠性要求較高。由于我國高端閥門(mén)的研究和制造還處于技術(shù)攻堅階段，目前國內使用的高端閥門(mén)主要依賴(lài)國外進(jìn)口，國內電廠(chǎng)每年僅高端閥門(mén)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(mén)技術(shù)，對我國設備制造業(yè)有著(zhù)重要意義。其中小型高溫高壓金屬座球閥尤其應當率先實(shí)現國產(chǎn)化，該項目不但可為電廠(chǎng)節能方面帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益，而且在電力行業(yè)內有巨大的推廣空間。

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�，F在已經(jīng)出現了超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂、激光噴涂、反應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(chēng) HVOF）法主要是采用高壓水冷的反應腔和細長(cháng)的噴射管，將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣送人反應腔燃燒，產(chǎn)生高壓火焰，燃燒火焰被噴射管壓縮并加速?lài)娚�。噴射粉末可以用高壓軸向送人或從噴射管側面送人。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理論密度的 99.9%，強度達 70MPa 以上；且涂層雜質(zhì)少，涂層殘余應力小，有些情況下可得到設計的殘余應力，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（氮氣，流量較�。┯珊髽岓w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（鎢極接負極，引弧時(shí)一次噴嘴接正極），在初級氣中經(jīng)高頻引弧，爾后，正極轉接二次噴嘴，即在鎢極與二次噴嘴內壁間產(chǎn)生電弧。在旋轉的次級氣的強烈作用下，電弧被壓縮在噴嘴的中心并拉長(cháng)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 16000℃）和功率，因此能夠在短時(shí)間內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)際應用情況

在機械設備制造工業(yè)中，先進(jìn)的熱噴涂技術(shù)應用比較廣泛，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)應用可以提高設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格的情況下，為熱噴涂技術(shù)應用提供了廣闊空間。

熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)中的應用主要有下述幾個(gè)方面：發(fā)電機汽缸平面尺寸的恢復；在水輪機部件上，主要應用高速火焰噴涂（HVOF）快速修復因汽蝕與泥沙磨損破壞的水電站水輪機；在風(fēng)機設備及關(guān)鍵部件中的應用；火力發(fā)電廠(chǎng)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用，發(fā)電機轉子軸頸、電刷、柱塞、軸套、球磨機軸頸、高溫高壓閥門(mén)的門(mén)桿和閥座等表面的噴涂修復及強化修復；汽輪機高中壓轉子油擋軸承的噴涂等�？梢钥闯�，熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)的實(shí)際應用十分廣泛。

3 研發(fā)管理過(guò)程的介紹

3.1 研制開(kāi)發(fā)的前期準備

為攻克這一項目，2005 年年初，我們即投人人力和資金展開(kāi)研究，重點(diǎn)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(kāi)過(guò)程中，我們重點(diǎn)對精密加工裝備（包括熱加工裝備）、檢驗裝備等進(jìn)行招標購買(mǎi)、組裝、調試，以保證研發(fā)中能有效地獲取試驗數據，進(jìn)行對比試驗以及評價(jià)設備質(zhì)量水平等。我們還準備先小批量生產(chǎn)，再進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)際應用，通過(guò)現場(chǎng)應用的數據與試驗數據的對比，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)品的竟爭力，從而保證產(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)項目技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)

高溫高壓金屬座球閥科研開(kāi)發(fā)項目主要應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，用以解決高參數條件下疏放水閥門(mén)內部漏泄問(wèn)題，達到節能、降低成本以及在國內電力行業(yè)推廣應用、創(chuàng )造經(jīng)濟效益和社會(huì )效益的目的。在研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)設計計算與試驗數據分析，我們認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(diǎn)，應把握好這些技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)以確保項日成功。

3.3 研發(fā)項目的考核管理目標

在閥后串聯(lián)節流孔，以旁路的方式接人熱力系統，在機組正常運行的條件下，每天開(kāi)關(guān)一次閥門(mén)，連續 20 天，如果無(wú)內漏情況，表明達到要求。這一工況相當于該閥門(mén)在機組上正常服役 4 年。

3.4 項目方案的流程設計

實(shí)施方式：成立課題組，建立專(zhuān)門(mén)組織機構負責該項目；技術(shù)路線(xiàn)：采取并聯(lián)的技術(shù)路線(xiàn)，將難點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分解，分別攻克，達到與國外進(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(xiàn)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)調等。采取并聯(lián)技術(shù)路線(xiàn)可以加快開(kāi)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 項目進(jìn)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(kāi)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 年是該項目關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行實(shí)施的一年，主要內容為：完成該項目所配套主要硬件條件建設，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，用增加開(kāi)關(guān)次數來(lái)模擬 4 年期使用壽命考驗；2008 年初達到小批量生產(chǎn)條件。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析和社會(huì )經(jīng)濟效益分析

4.1 技術(shù)經(jīng)濟分析

國內火力發(fā)電的主力機組已由 200MW 提高到 300MW 和 600MW，參數等級已由超高壓、亞臨界發(fā)展為超臨界和超超臨界。國內現有技術(shù)條件下的鍋爐、汽輪機本體及管道疏水閥門(mén)存在的主要問(wèn)題是內部漏泄，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構及優(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

僅節約能耗一項來(lái)看，全面應用該產(chǎn)品每年可為遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司節約標準煤折合人民幣 500 萬(wàn)元；在電力行業(yè)內推廣使用，每年生產(chǎn) 600 臺高溫高壓金屬座球閥，可實(shí)現銷(xiāo)售收人 900 萬(wàn)元，利潤 200 萬(wàn)元；由于造價(jià)降低，應用范圍將相應擴大，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%，申請專(zhuān)項資金 100 萬(wàn)元，占總體資金 25%。申請的專(zhuān)項資金主要用于熱噴涂設備優(yōu)化改造及大量的工業(yè)對比試驗和參數測量等。在此過(guò)程中科學(xué)地進(jìn)行資金預算，以保證整體資金問(wèn)題的解決。

5 結束語(yǔ)

高溫高壓金屬座球閥是我們重點(diǎn)組織開(kāi)發(fā)的一個(gè)節能降耗產(chǎn)品，該產(chǎn)品在本地應用以后，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(gè)重要優(yōu)勢，就是其備方便的工業(yè)試驗條件，可以在運行機組上反復試驗，目前已經(jīng)取得了大量數據，少量樣品開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)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，達到進(jìn)口西方國家產(chǎn)品同等水平、可替代進(jìn)門(mén)產(chǎn)品，有巨大的節能價(jià)值。