之前介紹自力式壓力調(diào)節(jié)閥在化工行業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在介紹金屬硬密封閥座球閥技術(shù)改造通過對金屬座球閥項目背景進行介紹，閱述了進行項目研制開發(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)濟效益分析，指出項目具有良好的節(jié)能效果。（金屬硬密封球閥），手動鑄鋼硬密封球閥體表面采用*噴涂技術(shù)，通過對各種不同工況條件的處理，zui高硬度可達HRC78。閥座密封面的處理，zui高硬度可達HRC72。球體和閥座進行配對研磨，球閥整個密封面的所有密封區(qū)域均經(jīng)過精密研磨。適合于高溫高壓的水、蒸汽、石油、煤炭、纖維、稠性和腐蝕性介質(zhì)，以及帶顆粒的介質(zhì)。金屬密封球閥有浮動球和固定球兩種結(jié)構(gòu)金屬閥座環(huán)與球面接觸，通過作用在閥座環(huán)上均勻的彈簧負荷使閥座環(huán)與球面形成密封。
由于彈簧負荷的作用使輔助密封膨脹，實現(xiàn)閥體與閥座之間的密封.彈簧的載荷足以提供閥座與球體間可靠密封,在低壓條件下，可以在閥座密封面與球體之間設(shè)計有密封脂注入系統(tǒng)。球閥密封面磨損破壞是球閥的主要失效形式之一,采用表面處理提高球閥密封面表面硬度和耐磨性,既能降低成本又能獲得良好的使用效果。目前溫州閥門企業(yè)對球閥密封面耐磨性研究主要是針對試樣進行的,忽略了實際工況的影響,同時也缺乏直接檢測不同表面處理工藝強化效果的方法和設(shè)施。為此本論文對比研究了滲氮、噴涂WC、噴焊Ni60和噴焊Ni60+PVD四種工藝的物理性能,并設(shè)計了一種模擬球閥實際使用工況的壽命測試裝置,在該裝置上對不同工藝的強化效果進行了檢測。由于自身工藝原因,滲氮強化層薄,其它三種工藝都可以成型較厚的強化層。噴涂WC孔隙率大,二次重熔使噴焊Ni60和噴焊Ni60+PVD工藝的孔隙率比噴涂WC減小一半。四種工藝在幾何圓度誤差上均能滿足生產(chǎn)要求。四種工藝中噴焊Ni60表面硬度低,滲氮和噴涂WC二者相近,均高于噴焊Ni60;噴焊Ni60+PVD復合工藝表面硬度,是單純噴焊Ni60的2倍。噴涂WC抗熱震性差,噴焊Ni60次之,噴焊Ni60+PVD復合工藝明顯優(yōu)于單純噴焊Ni60,但略低于滲氮工藝。滲氮工藝向不銹鋼基體滲入了N元素,引起不銹鋼貧鉻,導致耐腐蝕性下降,而其它三種工藝沒有這個問題,耐腐蝕性均優(yōu)于滲氮工藝。綜合以上結(jié)果認為:噴焊Ni60+PVD復合工藝綜合物理性能。
關(guān)鍵詞：金屬座球閥；熱噴涂技術(shù)；研發(fā)管理
1 金屬硬密封閥座球閥技術(shù)改造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)電機組單機容量和參數(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)作為材料表面強化、保護和尺寸恢復的新技術(shù)，能夠提高發(fā)電設(shè)備的利用率，減少設(shè)備的檢修費用，對降低發(fā)電成本有重要的意義，在設(shè)備維修、機械制造中得到廣泛應(yīng)用。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥在高溫、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，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。金屬硬密封球閥球體表面采用特殊表面硬化處理，閥座整體用特種硬質(zhì)材料或局部堆焊硬質(zhì)材料，確保密封圈之間有合適的硬度差，因此適合固體顆粒和磨料介質(zhì)。由于密封填料方面采用柔性石墨，金屬纏繞式墊片，能用于高溫、高壓工況，并具有耐火燒功能。
【產(chǎn)品特點】：
1、本身具有防火防靜電功能。
2、手柄與閥桿采用扁方型連接。也可根據(jù)需要加鎖定結(jié)構(gòu)，防止誤操作。
3、采用下裝式閥桿、設(shè)置倒密封結(jié)構(gòu)，確保填料處可靠密封及防止閥桿脫出。
4、閥座采用圓柱形彈簧加截的金屬硬密封結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)于較高溫度及各種粉塵與固體顆粒介質(zhì)。
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)項目的重點是將超音速熱噴涂技術(shù)進行引申，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(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(yīng)用，可替代大量進口的同類產(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)實意義。 
2 金屬硬密封閥座球閥技術(shù)改造國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況和趨勢
2.1 電廠的閥門使用情況介紹
電廠熱力系統(tǒng)應(yīng)用的閥門，工作在高溫高壓的參數(shù)環(huán)境下，這對閥門自動控制的可靠性要求較高。由于我國閥門的研究和制造還處于技術(shù)攻堅階段，目前國內(nèi)使用的閥門主要依賴國外進口，國內(nèi)電廠每年僅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)當實現(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，簡稱 HVOF）法主要是采用高壓水冷的反應(yīng)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(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(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。
（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(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(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。該方法的主要特點是具有*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(nèi)將陶瓷粉末加熱到其熔點以上，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。
2.3 熱噴涂技術(shù)在電力工業(yè)的實際應(yīng)用情況
在機械設(shè)備制造工業(yè)中，*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)電機汽缸平面尺寸的恢復；在水輪機部件上，主要應(yīng)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(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)電機轉(zhuǎn)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(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)的實際應(yīng)用十分廣泛。
3 金屬硬密封閥座球閥技術(shù)改造研發(fā)管理過程的介紹
3.1 研制開發(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(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(diào)試，以保證研發(fā)中能有效地獲取試驗數(shù)據(jù)，進行對比試驗以及評價設(shè)備質(zhì)量水平等。我們還準備先小批量生產(chǎn)，再進行現(xiàn)場實際應(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，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
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)電機組（工作介質(zhì) 30MPa、600℃）鍋爐、汽輪機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，應(yīng)把握好這些技術(shù)關(guān)鍵點以確保項日成功。
3.3 研發(fā)項目的考核管理目標
在閥后串聯(lián)節(jié)流孔，以旁路的方式接人熱力系統(tǒng)，在機組正常運行的條件下，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(shè)計
實施方式：成立課題組，建立專門組織機構(gòu)負責該項目；技術(shù)路線：采取并聯(lián)的技術(shù)路線，將難點技術(shù)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(shù)進行引申再發(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，終保證終端產(chǎn)品的技術(shù)水平。
4 技術(shù)經(jīng)濟分析和社會經(jīng)濟效益分析
4.1 技術(shù)經(jīng)濟分析
國內(nèi)火力發(fā)電的主力機組已由 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)品每年可為由于造價降低，應(yīng)用范圍將相應(yīng)擴大，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
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。在此過程中科學地進行資金預算，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，可以在運行機組上反復試驗，目前已經(jīng)取得了大量數(shù)據(jù)，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(fā)電機組鍋爐和汽輪機本體及管道疏放水系統(tǒng)，達到進口西方*同等水平、可替代進門產(chǎn)品，有巨大的節(jié)能價值。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組
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