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      控制閥噪音產生原因及處理方法

      在嚴酷工況應用中,控制閥作為流體調節的常用設備可能會出現高級別的噪聲,控制閥產生噪聲是由于控制閥在完成調節作用的過程中,產生永久性的壓力損失而導致流體湍流的結果。噪聲和振動會影響控制閥使用性能并且會造成臨近管路及設備的疲勞,降低其使用壽命,從而會產生高昂的維修費用。有時甚至會危害到操作工人的安全。美國《職業安全與健康法規》對所有企業明確了最大容許噪聲標準,所以近年來很多控制閥制造廠家對解決噪聲問題都引起了足夠的重視。

      一、控制閥噪音產生原因:

      1. 機械噪聲

      機械噪音主要來自于閥桿的振動。閥門部件的振動是由于閥體內不規則的壓力波動和流體沖擊可動的或活動零件所引起的,由于機械振動所引起的最通常的噪音源是閥芯相對于導向表面的橫向移動。這種類型的振動所產生的噪聲頻率一般小于1500Hz,常常顯示為一種金屬的響聲。

      另一種機械噪聲源是共振。如果振動的頻率與結構的固有頻率相接近或相同時, 便產生共振。共振引起一個頻率在3000~7000Hz。這種類型的振動產生高能級的應力,最后會導致振動的零部件因疲勞而損壞。

      由閥門零件振動所產生的噪聲常常是次要的,甚至是有益的。因為它能警告人們導致閥門損壞的機械振動的存在, 從而通過優化閥門設計,消除大多數閥門零件由機械振動而產生的噪聲?,F在大多數新型控制閥都采用套筒式導向結構和更小間隙的配合來消除機械振動問題。
          2 液體動力噪聲
          液體動力噪聲是由于液體流動過程中所產生的氣蝕或稱空化現象引起的, 氣蝕是主要的液體動力噪聲源。當流體通過控制閥的閥芯、閥座形成的節流端面時,流體流速突然急劇增加而靜壓力驟然下降,若節流端面后的壓力降到介質的飽和蒸汽壓以下,介質開始沸騰,出現氣泡,而當流體流經節流面后,下降的壓力在下游一側逐漸回升,節流后的壓力又恢復到飽和蒸汽壓之上時,氣泡因再次受壓而破滅,就形成氣蝕。氣蝕有極大的沖擊力,可高達幾千牛頓,嚴重的沖撞和破壞閥芯、閥籠和閥體。并且達到較高的噪聲級, 一般可達到115dBA。氣蝕的破壞性大大縮短了閥門的使用壽命。所以一般會使用專門特殊設計的防氣蝕閥門來預防或治理氣蝕現象。
          3 氣體動力噪聲

      氣體動力噪聲是氣體或蒸汽流過節流孔而產生的。氣體和蒸汽都是可壓縮流體,一般來說,可壓縮流體的流速都要高于不可壓縮流體的流速。當氣體流速比聲速低時,噪音是由于強烈的擾流產生的;當氣體的流速大于聲速時,使流體中產生沖擊波致使噪音劇增。氣體動力噪聲的主要來源是紊流流動時所形成的巨大沖擊力。而氣體流動受阻, 高速氣體的迅速膨脹和突然減速, 及流動方向的改變等都能造成紊流現象。氣體動力噪聲是調節閥最主要的噪聲問題, 其頻率一般為1000~8000Hz。由于大部分的能量能夠轉變成不損害閥門的氣體動力噪聲,在過去趨向于僅將閥門工作時的噪聲之外的噪聲當作有害的, 所以未引起人們足夠的重視。今天隨著對環境問題包括噪聲問題的重視, 大多數應用廠家對特定環境的閥門所允許發出的噪聲級做了規定。噪聲的治理是一個環境治理問題。而且OSHA 法規已經根據調節閥噪聲對環境的影響規定了最高噪聲限值。研究表明當噪聲級超過所規定的限值, 大約達到110dBA 時能導致調節閥零件以及與之相連管道的機械性破壞。

      控制閥噪音處理方法:

      二、控制閥噪音處理方法

      控制閥噪音控制可以利用聲源處理法和途徑處理法或兩者并用,在這里主要介紹一下聲源處理方法和聲路處理法。

      1. 聲源處理法

      聲源處理法主要是針對控制閥本身的幾何形狀和結構在設計上進行考慮,設計低噪音閥有兩個因素:流體流速和噪音頻率,在節流件總流通面積相同的情況下,節流孔的數量和形狀對噪聲級影響很大,在低于音速時,噪音的能量級是以流速的8次方增加的,這就說明在同樣能量級時,增加平均頻率是有好處的,因為較高的頻率通過閥體和下游管壁有較大的衰減。

      現在國內外各個控制閥廠家也有許多不同的低噪音閥門結構,常用的結構主要有:開槽型、曲折通道型和多孔型。

      圖1  開槽型閥籠結構

      如圖1所示,開槽型閥籠是指具有長或窄的槽布置在全部直徑周圍,當流體通過槽孔流動時,使得湍流度最小和在膨脹區域內提供一個良好的速度分布,當壓差ΔP 與入口壓力P1 的比值即ΔP/ P1 ≤0.65 時, 或是下游最大流速等于或小于聲速的1/2時,這種孔縫式套筒是最有效的噪聲治理方法, 其所產生的噪聲級要比一般調節件減小約15dBA,出口流速限制低于0.5馬赫。如果當ΔP/P1 > 0.65 時, 孔縫式套筒便失去了作用。在這種高壓差情況下可以采用擴容器與孔縫式套筒調節件組合法 , 將總壓差分成2 級調節, 能提高流通能力并且改善噪聲的性能。這種情況與其它低噪音的閥門結構相比,成本也是較低的。

      圖2曲折通道型閥籠結構

      如圖2所示,曲折通道型閥籠,實質把許多環形圓盤堆積起來形成了閥門節流裝置,用蝕刻或沖孔的方式使環形盤形成流體通路,采用的是分級壓力降的方法,當流體經過狹窄的槽流動并通過一系列90°轉角時,流體必須沿著曲折通道而行,從而增加了摩擦損失,進行分級壓力衰減,此外因每一級槽逐漸變寬,為可壓縮流體提供了一個有力的速度分布,使得出口流速降低。由于壓力和流速的降低,使得閥門噪音顯著降低,最多可減少噪音30 dBA,必須指出,此種結構在使用過程中很容易由于氣流中的固體顆粒(臟氣體)引起堵塞。

      圖3  多孔型閥籠結構

      如圖3所示,多孔型閥籠采用一個或多個圓柱體,也叫做級,在圓柱體上帶有幾組按一定規律排列的小孔,小孔射流能夠把大的湍流被破裂為許多較小的渦流,而且可以將聲音的頻率移到人耳不敏感的超聲范圍,從而達到降低噪音的目的。而且閥籠上所有小孔的位置都是經過仔細計算的,適當的隔開和排列,使聲波在進入小孔之前就相互撞擊,消耗能量。當壓差變化率(△P/P1)很大時,一般采用多層諸多小孔節流的調節件,將總壓差分成一步或多步降壓,介質從下部流入閥籠再從閥籠側面上的許多小孔流出,閥籠的性能與這些小孔的孔距、孔徑和分布有著密切的關系,因此設計時要計算好節流孔尺寸和間距,保證單孔射流的獨立性,而且得到高壓差比場合下降低噪聲的效果。這種多孔節流的閥籠最大能降低調節閥噪聲約為30dBA,當最大出口流速達到或小于0.3馬赫時,這種多孔節流的設計是最為行之有效的降噪聲方法。

      下面主要通過我單位生產的GTQ系列兩級多孔式閥籠的設計原理,壓降分配圖(圖4)來分析一下設計結構的可行性。設計參數是閥前10MPa,閥后1MPa,通過FLOWWORKS模擬壓降如圖4所示。

       

      圖4  GTQ系列兩級多孔式籠式閥壓降分部圖

      從圖4中可以看出GTQ系列兩級多孔式閥籠的設計關鍵是它在應用中的突然膨脹和收縮,當氣體通過閥座進入第一層閥籠時,由于第一層閥籠為階梯孔設計,流體進行一次收縮,一次膨脹,降低了一部分壓力,而當氣體流出階梯孔時,由于2層閥籠之間設計一定的間隙,又使流體進行一次膨脹,降低了一部分壓力;當流體最后由外層閥門噴射時,經歷了一次壓縮過程,降低了部分壓力,因此,此種設計方法,在每一級處都發生部分的壓力降,總壓降很大,在降壓的同時消耗能量,能夠做到在多級降壓的同時降低噪音。

      由于噴射流的沖擊力與流速的平方成正比,要降低噪音的必要手段之一就是限制流體的出口流速,在本山工程手冊上提出,在要求低噪聲的場合,控制閥的出口流速應低于0.3馬赫。(如果出口流速大于0.3馬赫,來自閥出口與管道的噪聲將會增大,從而失去低噪聲閥的降噪效果)。圖6為閥門出口流速測定示意圖

      圖5  閥門出口流速測定示意圖

      聲路處理法就是增加聲路阻抗力以減小傳播到環境中的聲音能量。

      其普遍的處理法包括使用厚壁管道、隔音材料、低噪聲板和消音器等,這幾種方法可以單獨使用,也可以組合使用。1)只要增加管壁厚度,就能降低噪聲。例如,將控制閥下游的管壁加厚,管壁號由40改為80,能降低噪聲大約4-8dbA。但是聲路中的噪聲一旦產生,就不會因為管道中傳送距離的遠近而變弱,也就是說,下游的管道必須具有同樣的厚度,才能夠降低這種噪聲,如果管道壁厚恢復原來的厚度,噪聲也恢復到原來的水平。2)在管道上使用吸聲絕緣材料,可以將噪聲降低14dBA左右,隔音材料能吸收大部分即將傳播到空氣當中的噪聲。但是, 不能吸收任何通往下游的噪聲。每英寸隔音厚度能減小3~5dBA 的噪聲, 最大可達12~15dBA。每英寸的覆蓋面能減小8~10dBA 噪聲, 最大可達24~27dBA。厚壁管道或外部隔音的聲路處理法是一種經濟有效的消除局部噪聲技術, 但它只對局部噪聲減小有效。因為僅僅靠覆蓋物的方法并不能減小流動過程中的噪聲。3)低噪聲板和消聲器是不同于前兩種的聲路處理方法,它確實能吸收一部分聲能。所以,能減小環境和管道的噪聲強度。在控制閥出口安裝低噪聲板,由于在低噪聲板上帶有許多特殊的小孔,能夠起到減壓和消音的作用,一般可以衰減噪音10 dBA左右;另外可以在控制閥下游串聯一個消聲器,消聲器能夠有效的消除流體內部的噪聲并抑制傳送到固體邊界層的噪聲級,消聲器能夠起到擴散、減速、降壓的作用,能夠有效的把噪音降低下來,安裝這種消聲器后,可以降低噪聲25dBA左右。

      現在隨著人們對環境意識的增強,低噪音閥門的需求是必然的趨勢,一些歐、美、日的閥門公司如Masoneilan、Fisher、Koso、CCI等閥門公司很早就已經開始了低噪音閥門的研發設計工作,并且達到了一定的水平,而我國雖然也已經在閥門噪聲方面進行了一定的研究,但是在一定程度上對控制閥噪音的重視度不足,因此我認為作為設計者應首先重視噪音問題,在控制閥設計過程中加以運用,這樣才能開發出滿足市場需求的產品。

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