高温高压金属座全焊接球阀的研发管理

1 项目概背景及研制开发意义

1.1 金属座球阀科研开发项目概背景

国内火力发电机组单机容量和参数等级的不断提高，对发电设备的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性能提出了更高要求。电厂设备中磨损、高温腐蚀问题，给电站设备带来安全隐患和事故，增加了检修费用，降低了发电设备的利用率［1］。热喷涂技术作为材料表面强化、保护和尺寸恢复的新技术，能够提高发电设备的利用率，减少设备的检修费用，对降低发电成本有重要的意义，在设备维修、机械制造中得到广泛应用。

在高温、高压的工业条件下，高温高压疏水系统阀门的内部漏泄将造成巨大的能源浪费，且增大系统磨损。传统的截止阀、闸阀无法适应高温高压工况的要求。研制开发高温高压金属座球阀（DN40～DN60）具有技术优势，可以解决热力系统的高品质介质泄漏以及设备磨损等问题。

1.2 研制开发意义

高温高压金属座球阀（DN40～DN60）科研开发项目的重点是将超音速热喷涂技术进行引申，因为这一技术在电站汽轮机末级叶片防水蚀、大幅度提高汽轮机和锅炉等设备的关键部位防磨损能力方面具有广阔的应用前景。高温高压金属座全焊接球阀的应用可解决目前我国多数电厂存在的锅炉、汽轮机本体及管道疏放水高性能阀门的配备问题，这将有效减少高品位工质内部漏泄，并对热力系统进行有效优化，提高机组热效率。高温高压金属座球阀（DN40～DN60）在电力行业的推广应用，可替代大量进口的同类产品，提升我国高温高压阀门的技术水平，有效降低企业的设备采购成本。因此，本研究项目具有现实意义。

2 国内外相关技术发展概况和趋势

2.1 电厂的高端阀门使用情况介绍

电厂热力系统应用的高端阀门，工作在高温高压的参数环境下，这对高端阀门自动控制的可靠性要求较高。由于我国高端阀门的研究和制造还处于技术攻坚阶段，目前国内使用的高端阀门主要依赖国外进口，国内电厂每年仅高端阀门进口额度就超过100亿元人民币，因此引进、消化、吸收世界名牌阀门技术，对我国设备制造业有着重要意义。其中小型高温高压金属座球阀尤其应当率先实现国产化，该项目不但可为电厂节能方面带来可观的经济效益，而且在电力行业内有巨大的推广空间。

2.2 超音速热喷涂技术的发展

热喷涂方法可分为燃烧法和电热法。燃烧法包括火焰喷涂、爆炸喷涂；电热法包括电弧喷涂、等离子喷涂。现在已经出现了超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、激光喷涂、反应热喷涂和冷喷涂等工艺。

（1）超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂（High Velocity Oxygen Fuel，简称HVOF）法主要是采用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，将燃料（煤油、乙炔、丙烯和氢气）和氧气送入反应腔燃烧，产生高压火焰，燃烧火焰被喷射管压缩并加速喷射。喷射粉末可以用高压轴向送入或从喷射管侧面送入。另一种方法是将燃料（煤油、乙炔、丙烯和氢气）和氧气通过高压喷射，在喷嘴外燃烧，将喷射粉末用高压气体从喷嘴内轴向射入火焰中，然后通过嘴外空气罩中的压缩气体将燃烧火焰压缩、加速并将熔融的粉末喷向基板。该法的特点是：射流速度高，焰流温度比爆炸喷涂低，适合碳化物涂层。采用超音速火焰喷涂获得的涂层最高密度可达理论密度的99.9%，强度达70MPa以上；且涂层杂质少，涂层残余应力小，有些情况下可得到设计的残余应力，因此可喷涂较厚涂层，且喷涂效率高。但它也存在燃料消耗大、成本较高等缺点。

（2）超音速等离子喷涂

超音速等离子喷涂的原理是将主气（氩气，流量较小）由后枪体输入，而大量的次级气（氮气或氮气与氢气的混合气）经气体旋流环的作用后，与主气一同从拉伐尔管形的二次喷嘴射出（钨极接负极，引弧时一次喷嘴接正极），在初级气中经高频引弧，尔后，正极转接二次喷嘴，即在钨极与二次喷嘴内壁间产生电弧。在旋转的次级气的强烈作用下，电弧被压缩在喷嘴的中心并拉长至喷嘴外缘，形成高压的扩展等离子弧。大功率扩展的等离子弧有效地加热主气和次级气，从而获得从喷嘴射出的稳定的、集聚的超音速等离子射流。喷射粉末经送粉嘴加入超音速等离子流，获得很高的温度和动能，撞击在工件表面形成涂层。该方法的主要特点是具有极高的热源温度（等离子弧温度高达16000°C）和功率，因此能够在短时间内将陶瓷粉末加热到其熔点以上，得到高质量的涂层。它兼有等离子弧喷涂的加热温度高和气体爆炸喷涂及HVOF喷涂的喷涂材料飞行速度快的特点。

2.3 热喷涂技术在电力工业的实际应用情况

在机械设备制造工业中，先进的热喷涂技术应用比较广泛，如喷涂耐腐蚀涂层、喷涂耐磨涂层、喷涂耐高温涂层、喷涂功能涂层、喷涂成型等，这些技术应用可以提高设备的防泄漏和防磨能力，特别是在电力工业自动控制的可靠性、安全性以及高温高压工况要求更加严格的情况下，为热喷涂技术应用提供了广阔空间。

热喷涂技术在电力工业中的应用主要有下述几个方面：发电机汽缸平面尺寸的恢复；在水轮机部件上，主要应用高速火焰喷涂（HVOF）快速修复因汽蚀与泥沙磨损破坏的水电站水轮机；在风机设备及关键部件中的应用；火力发电厂锅炉“四管”（水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管）的防腐蚀和抗冲蚀中的应用，发电机转子轴颈、电刷、柱塞、轴套、球磨机轴颈、高温高压阀门的门杆和阀座等表面的喷涂修复及强化修复；汽轮机高中压转子油挡轴承的喷涂等。可以看出，热喷涂技术在电力工业的实际应用十分广泛。

3 研发管理过程的介绍

3.1 研制开发的前期准备

为攻克这一项目，2005年年初，我们即投入人力和资金展开研究，重点用于核心工艺的研究与试验。截至目前，已掌握该项目国产合金材料选用、热加工工艺制定、磨削及研磨方法等技术。在项目全面展开过程中，我们重点对精密加工装备（包括热加工装备）、检验装备等进行招标购买、组装、调试，以保证研发中能有效地获取试验数据，进行对比试验以及评价设备质量水平等。我们还准备先小批量生产，再进行现场实际应用，通过现场应用的数据与试验数据的对比，提出核心技术的控制点，逐步形成自己的产品核心技术，形成产品的竞争力，从而保证产品质量，为大量进行产品制造提供保障。

3.2 研发项目技术的关键点

高温高压金属座球阀科研开发项目主要应用于超超临界火力发电机组（工作介质30MPa、600℃）锅炉、汽轮机本体及管道疏放水系统，用以解决高参数条件下疏放水阀门内部漏泄问题，达到节能、降低成本以及在国内电力行业推广应用、创造经济效益和社会效益的目的。在研发过程中，通过设计计算与试验数据分析，我们认为该项目属于小型精密机械制造业项目，金属材料选择和检验、热加工工艺、热喷涂和热喷涂的后加工工艺、面密封研磨等是项目技术的关键点，应把握好这些技术关键点以确保项目成功。

3.3 研发项目的考核管理目标

在阀后串联节流孔，以旁路的方式接入热力系统，在机组正常运行的条件下，每天开关一次阀门，连续20天，如果无内漏情况，表明达到要求。这一工况相当于该阀门在机组上正常服役4年。

3.4 项目方案的流程设计

实施方式：成立课题组，建立专门组织机构负责该项目；技术路线：采取并联的技术路线，将难点技术问题进行分解，分别攻克，达到与国外进口高温高压金属座球阀同等水平或高于进口水平，并对有价值的分支技术进行引申再发展，取得引申成果。

并联技术路线如下：材料选择及热加工工艺；机加成型及工艺装备；热喷涂和热喷涂的后续加工技术及装备；环形球面密封研磨及装备；检验技术；总体协调等。采取并联技术路线可以加快开发速度，提高每一个分支技术水平，最终保证终端产品的技术水平。

3.5 项目进度的控制与管理

该项目初始研发工作在2005年初即已经开展，投入30万元资金用于样件分解及材质分析。2006年又投入资金50万元用于核心工艺研究。2007年是该项目关键技术进行实施的一年，主要内容为：完成该项目所配套主要硬件条件建设，同步完成样件初步技术鉴定；样件进行实际工业试验，用增加开关次数来模拟4年期使用寿命考验；2008年初达到小批量生产条件。

4 技术经济分析和社会经济效益分析

4.1 技术经济分析

国内火力发电的主力机组已由200MW提高到300MW和600MW，参数等级已由超高压、亚临界发展为超临界和超超临界。国内现有技术条件下的锅炉、汽轮机本体及管道疏水阀门存在的主要问题是内部漏泄，高品位工作介质未经做功直接到低端，造成大量热能损失。该项目研发的金属球阀以其优良的密封性能和特殊的结构及优良的耐用性，能够很好地解决这一难题。

4.2 经济效益分析

仅节约能耗一项来看，全面应用该产品每年可为辽宁华电铁岭发电有限公司节约标准煤折合人民币500万元；在电力行业内推广使用，每年生产600台高温高压金属座球阀，可实现销售收入900万元，利润200万元；由于造价降低，应用范围将相应扩大，可以间接为社会创造更多的效益。

4.3 科研资金问题的解决

项目总体资金需求400万元，其中自筹资金300万元，占总体资金75%，申请专项资金100万元，占总体资金25%。申请的专项资金主要用于热喷涂设备优化改造及大量的工业对比试验和参数测量等。在此过程中科学地进行资金预算，以保证整体资金问题的解决。

5 结束语

高温高压金属座球阀是我们重点组织开发的一个节能降耗产品，该产品在本地应用以后，还有很大的推广空间。除了研发条件的优势外，还有一个重要优势，就是具备方便的工业试验条件，可以在运行机组上反复试验，目前已经取得了大量数据，少量样品开始进行实验。实验表明，该项目可用于超超临界汽轮发电机组锅炉和汽轮机本体及管道疏放水系统，达到进口西方国家产品同等水平，可替代进口产品，有巨大的节能价值。