1 概述
随着现代工业自动化程度的不断发展，蒸汽参数愈来愈高，如何满足高参数蒸汽减压已成为研究者的关注重点。减压阀作为流体控制设备在石油、化工、电力、军事等行业领域发挥着不可替代的作用。减压阀依据控制单元反馈的信号，通过电动、液动、气动、电-液联动等执行机构调节阀门的开度，改变其节流面积，从而实现对压力、温度、流量等工艺参数的控制，满足用户的不同需要。设计阀门时应考虑到，蒸汽控制阀在使用过程中，大开度时压差小，随着开度的减小，压差愈来愈大；对于高温、高压工况，中腔密封要求较高；套筒与阀瓣间隙应设计合理。
2 结构特性
2.1 低参数减压阀
对于低参数减压阀（一般指蒸汽工作压力≤5.4MPa，工作温度≤510℃），其蒸汽压力不高，减压幅度小，所以一般采用如图1所示的减压结构型式。低参数减压阀由阀体、阀座、密封垫、导向环、阀瓣组合件、套筒、阀盖密封垫、套筒密封垫、阀盖、阀杆、执行机构和支架组成。阀体采用合金钢铸件，平进平出结构，由于采用铸造式阀体，阀体内部设计成从进口到阀门出口的S形流道。介质从阀门进口流入，流经阀门组合式套筒上的节流口，从阀瓣节流口流出。阀门节流部分与阀盖采用法兰式密封结构。
2.2 高参数减压阀
本文所指的高参数为蒸汽工作压力≥9.81MPa，蒸汽工作温度≥540℃。高参数减压阀结构如图2所示，阀门由阀体、阀座、阀瓣、套筒、导向环、下定位环、下四开环、自密封阀盖、自密封圈、垫环、上四开环、支撑板和执行机构等组成。阀体采用合金钢整体锻件，呈平进平出结构，在阀体内部形成从进口到阀门出口的内部通道。
为了实现多次可调减压，结合蒸汽流动特性和减压机理，对高参数减压结构进行了结构优化与改进设计。介质从阀门进口流入，流经阀门组合式套筒上的节流口，从阀瓣节流口流出。节流减压过程主要利用流道的多次折弯，将大量的动能损耗在节流套筒之间，强行限制过高的介质流速和动力，从而降低动能。阀门节流部分结构与阀盖自密封结构相对独立互不干扰，确保了密封与行程互不影响。
高参数减压阀在使用过程中，大开度时压差小，随着开度减小，压差会愈来愈大。本文所设计的组合式套筒在大开度时，流体经过的套筒级数少，此时对应压差也小，随着开度减小，流体经过的套筒随之增多，可以很好地满足大开度压差小，小开度压差大的要求。
阀门的组合式节流结构如图3所示，采用高精密度配合解决多级笼罩的层面隔离，各个层面之间形成了不同折弯的节流通道，可以增大流阻，有助于消耗动能。通过轴向阀瓣升降、径向多级折弯流道，实现减压过程的平稳可调。
图3 组合式节流结构
阀门采用带主副阀瓣结构的组合式阀瓣结构，可以实现减压阀关闭时的自紧式密封，同时减小了阀门启闭时执行机构推动主阀瓣的力。在减压阀打开过程中，副阀瓣先开启，介质通过副阀瓣顶部的平衡孔进入主阀瓣组合件的上腔内，平衡了阀瓣组合件的蒸汽压力，降低了主阀瓣后续开启所需的力。当阀门关闭时，主阀瓣先行关闭，副阀瓣在阀瓣组合件上腔内蒸汽的作用下向下压紧，从而实现自紧式密封。另外与普通副阀瓣不同，采用了碟簧组合结构的主副阀瓣组合结构，碟簧组合安装在副阀瓣和主阀瓣的中间部位，利用碟簧的预紧力消除了阀门的空行程，又可以避免阀门死区，阀门的控制精度可达±0.1%，与普通副阀瓣结构的阀门相比至少可降低30%的推力。
4 电站减压阀中腔密封结构
在高温高压或更严苛的工况下，中腔密封是研究的重点。通常切断类阀门如闸阀、截止阀，多采用耐高温的非金属材料或金属与非金属组合的自紧密封件结构，但随着压力变化，阀盖位置也会有所改变。行程变化对于切断类阀门来说，影响较小，但对于调节类阀门来说却是大问题。因此，设计了一种通过自紧密封垫圈与垫环实现中法兰密封的结构，该密封圈采用弹性金属密封件。对新型中法兰自紧密封结构进行静力分析，优化其结构尺寸，保证在高温下密封可靠。通过大量密封件试验，采用斜度为23°的滑块制成自紧密封件，在一定的轴向作用力下滑块出现了弹性变形，如图4、图5所示。该密封结构就是利用了微小弹性变形的位移量，产生宝贵的密封比压，从而实现密封。通过试验得出的自紧密封圈的密封性能如表1所示。
图4 自密封结构
图5 弹性金属密封件
表1 自紧密封圈密封性能