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如何研發高溫高壓金屬座球閥分析
1 項目概背景及研制開發意義
1.1 金屬座球閥科研開發項目概背景
國內火力發電機組單機容量和參數等級的不斷提高，對發電設備的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等性能提出了更高要求。電廠設備中磨損、高溫腐蝕問題，給電站設備帶來安全隱患和事故，增加了檢修費用，降低了發電設備的利用率比。熱噴涂技術作為材料表面強化、保護和尺寸恢復的新技術，能夠提高發電設備的利用率，減少設備的檢修費用，對降低發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、高壓的工業條件下，高溫高壓疏水系統閥門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、閘閥無法適應高溫高壓工況的要求。研制開發高溫高壓金屬座球閥（DN40~DN60）具有技術優勢，可以解決熱力系統的高品質介質泄漏以及設備磨損等問題。
1.2 研制開發意義
高溫高壓金屬座球閥（DN4O~DN60）科研開發項目的重點是將超音速熱噴涂技術進行引申，因為這一技術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內部漏泄，并對熱力系統進行有效優化，提高機組熱效率。高溫高壓金屬座球閥（DN40~DN60）在電力行業的推廣應用，可替代大量進口的同類產品，提升我國高溫高壓閥門的技術水平，有效降低企業的設備采購成本。因此，本研究項目具有現實意義。
2 國內外相關技術發展概況和趨勢
2.1 電廠的高端閥門使用情況介紹
電廠熱力系統應用的高端閥門，工作在高溫高壓的參數環境下，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攻堅階段，目前國內使用的高端閥門主要依賴國外進口，國內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，對我國設備制造業有著重要意義。其中小型高溫高壓金屬座球閥尤其應當率先實現國產化，該項目不但可為電廠節能方面帶來可觀的經濟效益，而且在電力行業內有巨大的推廣空間。
2.2 超音速熱噴涂技術的發展
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。現在已經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，簡稱 HVOF）法主要是采用高壓水冷的反應腔和細長的噴射管，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理論密度的 99.9%，強度達 70MPa 以上；且涂層雜質少，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。
（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）經氣體旋流環的作用后，與主氣一同從拉伐爾管形的二次噴嘴射出（鎢極接負極，引弧時一次噴嘴接正極），在初級氣中經高頻引弧，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。噴射粉末經送粉嘴加人超音速等離子流，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 16000℃）和功率，因此能夠在短時間內將陶瓷粉末加熱到其熔點以上，得到高質量的涂層。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 熱噴涂技術在電力工業的實際應用情況
在機械設備制造工業中，先進的熱噴涂技術應用比較廣泛，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，特別是在電力工業自動控制的可靠性、安全性以及高溫高壓工況要求更加嚴格的情況下，為熱噴涂技術應用提供了廣闊空間。
熱噴涂技術在電力工業中的應用主要有下述幾個方面：發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；在風機設備及關鍵部件中的應用；火力發電廠鍋爐“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用，發電機轉子軸頸、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及強化修復；汽輪機高中壓轉子油擋軸承的噴涂等。可以看出，熱噴涂技術在電力工業的實際應用十分廣泛。
3 研發管理過程的介紹
3.1 研制開發的前期準備
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，已掌握該項目國產合金材料選用、熱加工工藝制定、磨削及研磨方法等技術。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購買、組裝、調試，以保證研發中能有效地獲取試驗數據，進行對比試驗以及評價設備質量水平等。我們還準備先小批量生產，再進行現場實際應用，通過現場應用的數據與試驗數據的對比，提出核心技術的控制點，逐步形成自己的產品核心技術，形成產品的竟爭力，從而保證產品質量，為大量進行產品制造提供保障。
3.2 研發項目技術的關鍵點
高溫高壓金屬座球閥科研開發項目主要應用于超超臨界火力發電機組（工作介質 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內部漏泄問題，達到節能、降低成本以及在國內電力行業推廣應用、創造經濟效益和社會效益的目的。在研發過程中，通過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的關鍵點，應把握好這些技術關鍵點以確保項日成功。
3.3 研發項目的考核管理目標
在閥后串聯節流孔，以旁路的方式接人熱力系統，在機組正常運行的條件下，每天開關一次閥門，連續 20 天，如果無內漏情況，表明達到要求。這一工況相當于該閥門在機組上正常服役 4 年。
3.4 項目方案的流程設計
實施方式：成立課題組，建立專門組織機構負責該項目；技術路線：采取并聯的技術路線，將難點技術問題進行分解，分別攻克，達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進行引申再發展，取得引申成果。
并聯技術路線如下：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加工技術及裝備；環形球面密封研磨及裝備；檢驗技術；總體協調等。采取并聯技術路線可以加快開發速度，提高每一個分支技術水平，最終保證終端產品的技術水平。
3.5 項目進度的控制與管理
該項目初始研發工作在 2005 年初即已經開展，投人 30 萬元資金用于樣件分解及材質分析。2006 年又投入資金 50 萬元用于核心工藝研究。2007 年是該項目關鍵技術進行實施的一年，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鑒定；樣件進行實際工業試驗，用增加開關次數來模擬 4 年期使用壽命考驗；2008 年初達到小批量生產條件。
4 技術經濟分析和社會經濟效益分析
4.1 技術經濟分析
國內火力發電的主力機組已由 200MW 提高到 300MW 和 600MW，參數等級已由超高壓、亞臨界發展為超臨界和超超臨界。國內現有技術條件下的鍋爐、汽輪機本體及管道疏水閥門存在的主要問題是內部漏泄，高品位工作介質未經做功直接到低端，造成大量熱能損失。該項目研發的金屬球閥以其優良的密封性能和特殊的結構及優良的耐用性，能夠很好地解決這一難題。
4.2 經濟效益分析
僅節約能耗一項來看，全面應用該產品每年可為遼寧華電鐵嶺發電有限公司節約標準煤折合人民幣 500 萬元；在電力行業內推廣使用，每年生產 600 臺高溫高壓金屬座球閥，可實現銷售收人 900 萬元，利潤 200 萬元；由于造價降低，應用范圍將相應擴大，可以間接為社會創造更多的效益。
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備優化改造及大量的工業對比試驗和參數測量等。在此過程中科學地進行資金預算，以保證整體資金問題的解決。
5 結束語
高溫高壓金屬座球閥是我們重點組織開發的一個節能降耗產品，該產品在本地應用以后，還有很大的推廣空間。除了研發條件的優勢外，還有一個重要優勢，就是其備方便的工業試驗條件，可以在運行機組上反復試驗，目前已經取得了大量數據，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電機組鍋爐和汽輪機本體及管道疏放水系統，達到進口西方國家產品同等水平、可替代進門產品，有巨大的節能價值。