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上海滬工閥門廠(集團(tuán))有限公司

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滬工閥門

上海滬工閥門廠(集團(tuán))有限公司

摘要:通過對金屬座球閥項目背景進(jìn)行介紹,閱述了進(jìn)行項目研制開發(fā)的意義。針對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況和趁勢,提出項目的研發(fā)管理過程。采用并聯(lián)技術(shù)路線,進(jìn)行 30MPa/600℃ 金屬座球閥研發(fā),將科研管理分解到技術(shù)要求中。通過項目的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益分析,指出項目具有良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞金屬座球閥;熱噴涂技術(shù)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(jī)組單機(jī)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(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(DN4O~DN60)科研開發(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(jī)末級葉片防水蝕、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(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(shí)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(jìn)口,國內(nèi)電廠每年僅高端閥門進(jìn)口額度就超過 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(shí)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(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,F(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),流量較小)由后槍體輸入,而大量的次級氣(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(qiáng)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(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(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。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(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(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(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場實(shí)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(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,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發(fā)項目主要應(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(jì)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(jī)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(yīng)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(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 項目方案的流程設(shè)計

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)問題進(jìn)行分解,分別攻克,達(dá)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(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)開展,投人 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(jìn)行實(shí)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(jìn)行實(shí)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(jì)分析和社會經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

國內(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(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)銷售收人 900 萬元,利潤 200 萬元;由于造價降低,應(yīng)用范圍將相應(yīng)擴(kuò)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(jìn)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(diǎn)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,就是其備方便的工業(yè)試驗條件,可以在運(yùn)行機(jī)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(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(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)能價值。


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