低旁减压阀阀芯改造技术分析

1. 引言

低压旁路系统是保障再热器安全、实现机组快速启停及参与调峰的关键设施。低旁减压阀承担着将高温高压蒸汽减压降温后导入凝汽器的核心任务，工作环境极其恶劣（高温、高压差、易汽蚀冲蚀）。阀芯与阀座作为其核心调节与密封部件，长期承受严酷工况，是失效的高发区。对老化、损伤的低旁阀阀芯阀座进行针对性改造，是提升设备可靠性、保障机组安全经济运行的重要技术手段。本文聚焦于国外主流进口品牌低旁阀的核心结构对比与综合改造选型策略，并提出一种新的可行性优化方案。

2. 主流进口品牌低旁减压阀结构深度解析与性能对比

2.1 西门子（SIEMENS）- 平衡笼式结构

2.1.1 内部结构：

采用经典的“平衡式阀笼 + 阀塞（阀芯）”设计。

阀芯：通常为柱塞式或特定轮廓线型（如抛物线型），顶部与阀杆连接，底部与阀座配合。表面常堆焊司太立（Stellite）等硬质合金。

阀座：固定在阀笼底部或阀体上，为环形密封面，与阀芯底部精密配合。密封面同样堆焊硬质合金。阀笼上布满精密加工的多级降压窗口（多孔罩/ 迷宫式）。

2.1.2 工作原理：

蒸汽流经阀笼上的多级降压窗口，逐级膨胀减压、消耗能量，有效降低流速和噪声，减轻对阀芯阀座的直接冲蚀。阀芯在阀笼内上下移动，改变流通面积实现流量调节。平衡设计大幅减小所需执行机构推力。

2.1.3 优势：

优异的降压能力：多级降压显著降低流速，有效抑制汽蚀和冲蚀，延长阀芯阀座寿命。

运行平稳、低振动噪音：结构刚性好，流体动力平衡佳。

维护相对方便：阀笼、阀芯模块化设计，便于检查和更换。

2.1.4 劣势：

结构复杂，成本较高：精密阀笼加工要求高。

小开度易堵塞：狭窄流道对蒸汽洁净度要求高。

阀笼冲蚀：极端工况下，阀笼窗口边缘仍可能发生冲蚀。

2.1.5 安全性与经济性：

安全性：高可靠性，失效模式通常为渐进性（冲蚀磨损），极少突发断裂，安全性高。经济性：初始投资高，但因寿命长、维护周期长、停机损失小，长期运行经济性（LCC）通常较优。

2.2 福斯（Flowserve）- 整体硬质合金阀座 / 抗汽蚀设计

2.2.1 内部结构：

结构设计多样，包括笼式、文丘里式等。其核心竞争力在于先进的材料和抗汽蚀设计。

阀芯：常采用坚固的锥形或球形头部设计，表面广泛应用超硬材料（如碳化钨 WC、陶瓷涂层），或整体硬质合金。

阀座：关键创新点。常采用整体硬质合金（如碳化钨）阀座环，或在高抗冲蚀基体上堆焊 / 喷涂极厚硬质层。配合特殊的阀芯轮廓和流道设计（如文丘里喉部），优化流场，最大限度降低汽蚀发生几率和强度。

2.2.2 工作原理：

通过优化几何形状（流线型设计、增大曲率半径）引导流体，减少涡流和流动分离，降低局部低压区形成。利用超硬材料抵抗不可避免的微汽蚀冲击。部分设计结合多级降压原理。2.2.3 优势：

卓越的抗汽蚀冲蚀性能：硬质合金阀座是其核心亮点，显著提升极端压差工况下的耐用性。

使用寿命长：在严苛工况下，其阀芯阀座寿命往往表现突出。

大流量能力（Cv 值）：优化的流道设计通常具有较好的流通能力。

2.2.4 劣势：

成本高昂：硬质合金材料及精密加工导致初始成本最高。

脆性风险：硬质合金硬度极高但韧性相对较低，需严防异常冲击（如水击、异物

修复困难：损坏后现场修复难度大，通常需返厂或更换。

2.2.5 安全性与经济性：

安全性：极高的材料强度和耐磨性提供顶级的安全性保障，但需关注潜在的脆性失效风险（概率低）。

经济性：初始投入最大，但在频繁启停、深度调峰、高负荷变化率等极端严苛工况下，其超长寿命带来的更换周期延长和停机减少，往往能体现出最佳的全生命周期成本效益。

2.3 CCI (Control Components Inc.) - 迷宫式碟片 / 多级降压

2.3.1 内部结构：

核心技术在于多级迷宫碟片（Labyrinth Disks）。

阀芯：通常为简单的柱塞或套筒结构。

阀座：与迷宫碟片集成或独立。核心在于一系列叠加的、带有大量精密微小曲折通道的碟片。蒸汽被迫在迷宫通道内多次改变方向和收缩/ 扩张。

2.3.2 工作原理：

蒸汽流经迷宫碟片中无数微小的、曲折的通道，通过极高的摩擦阻力和频繁的动量转换（方向改变、收缩扩张）来消耗能量、降低压力和速度。将高压差分解为无数微小的压降台阶，几乎完全消除汽蚀发生的条件。

2.3.3 优势：

无与伦比的消音降噪效果：噪声控制性能最优。

极低的汽蚀和冲蚀：迷宫设计本质上消除了汽蚀，对阀芯阀座的冲蚀也降至最低。

超长的使用寿命：在有效避免汽蚀的前提下，阀芯阀座寿命通常极长。

2.3.4 劣势：

结构极其复杂精密：制造成本高，对制造和装配精度要求极高

易堵塞：微小通道对蒸汽品质（杂质、水滴）极其敏感。

压降恢复能力有限/ 流通能力（Cv）相对较低：结构导致其单位尺寸的流通能力通常不如笼式或文丘里式。

维护复杂：碟片堆叠结构拆装、检查、清理相对繁琐。

2.3.5 安全性与经济性：

安全性：汽蚀风险最低，磨损缓慢，安全性极高。主要风险在于堵塞可能导致调节失灵。经济性：初始成本高，在蒸汽品质好（如超超临界机组给水品质高）的工况下，其超长

免维护期带来优异的经济性。但在蒸汽品质一般的机组，堵塞风险会增加维护成本和潜在停机风险，需权衡。

3. 改造选型的关键考量因素与建议

阀芯阀座改造选型绝非简单的品牌替换，需进行系统性评估：

3.1 深入分析原阀失效模式：

根据解体后观察到的是严重汽蚀坑、均匀冲蚀磨损、局部冲蚀穿孔、裂纹等现象，分析主导失效原因。

明确主因是设计缺陷、材料不足、还是运行工况 ( 蒸汽品质、频繁启停、深度调峰、负荷快速变化) 超出预期。

3.2 审视改造目标与约束：

3.2.1 否要求可在线维护，这种选择会排除掉部分主流品牌。

3.2.2 需考虑是否存在现场空间与安装的限制，是否允许阀体整体更换，还是仅限于内件改造。

3.3 品牌影响之外，材料与工艺的关键作用：

材料升级：无论选择何种结构，阀芯阀座密封面材料是寿命的核心。司太立（Stellite6, 21）堆焊是基础，碳化钨（WC）整体或厚涂层、先进陶瓷（如氧化锆）在极端工况下性能飞跃。必须根据工况选择匹配的材料等级和工艺（激光熔覆、HVOF 喷涂、整体烧结）。

表面工程：渗氮、PVD/CVD 涂层等可进一步提升表面硬度和耐磨性。

精密制造与质量控制：阀芯型线精度、阀座密封面光洁度、配合公差是保证密封性和调节性的基础。

3.4 改造实施要点：

精确测绘与设计：必须对原阀进行精确测绘，确保改造内件与阀体完美匹配，特别是流道衔接和密封面位置。

4. 结论

低压旁路减压阀阀芯阀座的改造是提升火电厂关键设备可靠性、保障机组安全经济运行的重要技术措施。西门子、福斯、CCI 等主流进口品牌在低旁阀技术上各具特色：

西门子凭借成熟的多级平衡笼式设计，在通用性、可靠性和综合经济性上表现优异。

福斯依托整体硬质合金阀座等超硬材料技术，在应对极端严苛工况（超高差压、强冲蚀）时展现出卓越的耐用性和安全性，是追求极限寿命和安全的首选。

CCI 的迷宫碟片技术近乎完美地消除了汽蚀风险并实现顶级静音，但其成功应用极度依赖超高的蒸汽洁净度。

但改造选型的核心在于“对症下药”与“量体裁衣”。电厂汽机专业人员必须：

a. 深入剖析原阀失效的根本原因；

b. 精确掌握实际的运行工况参数和特点

c. 明确改造的具体目标与资源限制；

d. 深刻理解各品牌技术的核心优势与适用边

在此基础上，结合针对性的材料升级（如碳化钨、先进陶瓷）和精密制造工艺，才能制定出最优的阀芯阀座改造方案。

5. 可行性研究方向

当前火力发电依旧作为主流，但随着新能源的大力倡导，越来越多的电厂参与深度调峰，在多番调研后发现：多数电厂低旁阀采用角式结构，使得阀芯正对着入口，不可避免在机组起机时受到湿蒸汽冲刷，对阀芯损伤较大，影响阀门密封。可以考虑在阀芯外圈增加纯司太立硬质合金的保护圈，具体结构如下：

当然，以上研究方向将涉及其他技术问题，具体选型或改进方法应结合生产现场实际及其他多方因素决定。

参考文献：

[1] 西门子能源. 蒸汽阀门技术手册. [ 内部资料或公开白皮书]

[2]Flowserve Corporation. Severe Service Solutions for Power Industry. [ 产 品技术手册]

[3]Control Components Inc. (CCI). Noise Control and Pressure Reducing Valves Technical Bulletin. [ 技术公报 ]

作者声明：本文基于公开技术资料及行业经验总结，具体选型决策应结合电厂实际情况咨询专业工程师并进行详细技术论证。