調(diào)節(jié)閥噪音的控制方法

2015-01-09 郭進 美施威爾上海有限公司

  通過分析調(diào)節(jié)閥噪音的幾種來源,指出阻塞流引起的閃蒸和氣蝕是產(chǎn)生流體動力學(xué)噪音的根源。利用圖形分析了阻塞流引起閃蒸和氣蝕的機理,詳述閃蒸和氣蝕工況調(diào)節(jié)閥噪音的各種控制方法。

  噪音是指各種不同頻率和振幅聲波的隨機組合,單位分貝(dB)。通常要求調(diào)節(jié)閥的噪音低于85dB(即在距離閥門出口下游1m的管道壁向外1m處測得的噪音值)。超過85dB的噪音嚴重影響交流,并會對聽力造成損害。

1、調(diào)節(jié)閥的噪音來源

  調(diào)節(jié)閥主要有三種噪音來源:

  (1)自身振動產(chǎn)生的噪音。介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥會對閥芯產(chǎn)生沖刷,使閥芯不穩(wěn)定產(chǎn)生橫向運動甚至與設(shè)備一起產(chǎn)生共振。由于調(diào)節(jié)閥使用中自身的振動是難免的,因此這類噪音的產(chǎn)生也不可避免。安裝時注意盡量將調(diào)節(jié)閥正立安裝于水平管道上減少由于閥芯不穩(wěn)而產(chǎn)生的噪音,通常這類噪音值很小,造成影響不大。

  (2)空氣動力學(xué)噪音。介質(zhì)在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的縮流斷面時,由于縮流斷面的阻擋使流路突然改變而出現(xiàn)紊流,同時介質(zhì)流速發(fā)生變化,液體的機械能部分轉(zhuǎn)換為聲能而產(chǎn)生的噪音稱為空氣動力學(xué)噪音。由于調(diào)節(jié)閥在減壓時引起液體紊流不可避免,因此空氣動力學(xué)噪音不能完全消除。通常這類噪音值也很小,造成影響不大。

  (3)流體動力學(xué)噪音。流體在調(diào)節(jié)閥中流速過快形成阻塞流。阻塞流是指不可壓縮或可壓縮流體在流過調(diào)節(jié)閥時所達到的最大流量狀態(tài)。在固定的入口條件下,當閥前壓力保持一定而逐步降低閥后壓力時,流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量會增加到一個最大極限值,再繼續(xù)降低閥后壓力,流量將不再增加,這個極限流量即為阻塞流。液體阻塞流極易引起閃蒸和氣蝕,同時伴有強噪音產(chǎn)生,通常這種噪音達100dB左右,造成影響大。

  總之,調(diào)節(jié)閥由于自身振動及空氣動力學(xué)原因產(chǎn)生的噪音都很小,并且不可能完全消除,通常將調(diào)節(jié)閥的噪音控制至85dB以下,主要是針對流體動力學(xué)噪音。由于液體阻塞流極易引起閃蒸及氣蝕,閃蒸和氣蝕會產(chǎn)生噪音,所以控制噪音就需要想辦法控制阻塞流的閃蒸及氣蝕。

2、液體阻塞流的閃蒸及氣蝕

  2.1、液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時壓力和流速的關(guān)系

  液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥是液體勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化,體現(xiàn)在外就是壓力和流速之間的轉(zhuǎn)化,即壓力降低,流速增加;壓力增加,流速降低。此過程遵循能量守恒定律,即液體總能量保持不變。

  圖1為液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時壓力和流速間的關(guān)系圖示。圖中P1為閥前液體壓力,P2為閥后液體壓力,V1為閥前液體速度,V2為閥后液體速度,PVC為縮流斷面點處液體壓力。

調(diào)節(jié)閥噪音的控制方法

圖1 液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時壓力和流速間的關(guān)系

  液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥最大流道縮頸處前由于調(diào)節(jié)閥的調(diào)壓作用壓力一直降低,流速一直增加。經(jīng)過最大流道縮頸處后,流速由于慣性不會馬上降低,會繼續(xù)升高。流束會繼續(xù)變細收縮,流束的最小斷面出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥實際縮頸的下游處,此處稱為縮流斷面點,壓力為PVC。縮流斷面點處流速最大,壓力最低。經(jīng)過縮流斷面點后,隨著流束擴展進入更大區(qū)域,流速降低,壓力逐漸升高。由于調(diào)節(jié)閥的背壓,閥后的壓力不會恢復(fù)到閥前壓力,閥門兩側(cè)的壓損ΔP表示液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時消耗的能量ΔP=P1-P2。

  2.2、阻塞流發(fā)生閃蒸的機理

  如果縮流斷面處的壓力PVC降到液體的飽和蒸汽壓力PV以下并且調(diào)節(jié)閥的出口壓力P2沒有恢復(fù)到液體的飽和蒸汽壓力PV之上(即PVC

調(diào)節(jié)閥噪音的控制方法

圖2 阻塞流發(fā)生閃蒸示意圖

  對一固定的液體,在溫度一定的情況下,其飽和蒸汽壓力為一定值。當壓力大于其飽和蒸汽壓力時,液體為液態(tài);當壓力低于飽和蒸汽壓力時,液體為汽態(tài);當壓力等于飽和蒸汽壓力時,液體為汽、液共存兩態(tài)。

  2.3、阻塞流發(fā)生氣蝕的機理

  如果縮流斷面處的壓力PVC降到液體的飽和蒸汽壓力以下并且調(diào)節(jié)閥的出口壓力P2恢復(fù)到高于其液體的飽和蒸汽壓力PV(即PVCPV),就會有大量的泡沫產(chǎn)生并爆炸,這種現(xiàn)象為氣蝕。通常氣蝕工況比閃蒸工況產(chǎn)生的噪音更大。阻塞流發(fā)生氣蝕見圖3。

調(diào)節(jié)閥噪音的控制方法

圖3、阻塞流發(fā)生氣蝕示意圖

3、調(diào)節(jié)閥的噪音控制

  3.1、閃蒸工況調(diào)節(jié)閥的噪音控制

  阻塞流流經(jīng)調(diào)節(jié)閥發(fā)生閃蒸時,下游產(chǎn)生的氣泡會對調(diào)節(jié)閥的閥芯產(chǎn)生沖刷,受沖刷的閥芯表面會有平滑拋光的外形,此過程伴有大的噪音產(chǎn)生。

  從調(diào)節(jié)閥發(fā)生閃蒸的機理(PVC

  (1)將閥座及閥芯表面進行噴涂處理,可噴涂碳化鎢、碳化鉻或斯泰萊等硬質(zhì)合金來提高受沖刷部位的硬度。

  (2)將閥座及閥芯表面進行堆焊處理,通常堆焊斯泰萊以提高受沖刷部位的硬度。

  (3)將閥座及閥芯表面進行滲氮處理,提高其表面硬度和耐磨性、耐腐蝕性。

  通過對調(diào)節(jié)閥表面硬化處理可提高調(diào)節(jié)閥硬度,增強調(diào)節(jié)閥抗閃蒸“沖刷”的能力,相應(yīng)的噪音也會降低5~10dB。為進一步降低噪音,可以配合使用的方法有:①提高管道壁厚或在管道壁加隔音層。相同口徑的調(diào)節(jié)閥,其管道壁厚每增加一級,測得的噪音值可降低約2dB;②管道外加隔音層實質(zhì)也是增加管道壁厚減少噪音向環(huán)境傳遞的一種措施;③在調(diào)節(jié)閥后加裝在線消音器,在線消音器可以吸收部分聲音能量,并且在閥后形成背壓,可有效降低噪音值約25dB。

  3.2、氣蝕工況調(diào)節(jié)閥的噪音控制

  阻塞流流經(jīng)調(diào)節(jié)閥發(fā)生氣蝕時,產(chǎn)生的氣泡在接觸閥門的部位破裂,氣泡破裂釋放的能量會慢慢地撕裂材料,并在與調(diào)節(jié)閥接觸的部位留下類似于煤渣的粗糙表面。此過程會產(chǎn)生如同砂石流過調(diào)節(jié)閥時發(fā)出的噪音。

  氣蝕有兩種方法來控制:第一種是完全防止氣蝕發(fā)生;第二種是不能防止氣蝕發(fā)生,只是有效降低其危害。

  3.2.1、完全防止氣蝕發(fā)生

  有三種方法可以達到完全防止氣蝕發(fā)生。

  (1)選用低恢復(fù)的調(diào)節(jié)閥。從氣蝕發(fā)生的機理(PVCPV)看,如果選用的閥門PVC>PV,就可以避免氣蝕的發(fā)生。通常低恢復(fù)的調(diào)節(jié)閥可以做到這點。

  恢復(fù)系數(shù)Km高的閥稱為低恢復(fù)閥;謴(fù)系數(shù)Km低的閥稱為高恢復(fù)閥。每種類型的閥都有自己的Km值,恢復(fù)系數(shù)Km是用于衡量縮流斷面處壓力PVC和閥門出口壓力P2之間的壓力恢復(fù)尺度的一個值,其計算公式為:

調(diào)節(jié)閥噪音的控制方法

  由此公式可看出,(P1-P2)不變時PVC升高,則Km升高,所以合理選用高Km值(即低恢復(fù))的調(diào)節(jié)閥使PVC>PV,可避免氣蝕發(fā)生。同理高恢復(fù)閥,指恢復(fù)系數(shù)Km低的閥,不適合應(yīng)用于氣蝕的工況。

  通常球形閥,流開角形閥都是低恢復(fù)閥,適宜在有氣蝕的工況選用;而球閥、蝶閥都是高恢復(fù)閥,不適宜應(yīng)用于氣蝕工況。

  (2)采用具有高壓多級減壓內(nèi)件的調(diào)節(jié)閥。

  這種調(diào)節(jié)閥內(nèi)件具有將通過閥門的壓降分成數(shù)個較小的壓降和確保每個較小壓降上PVC>PV的作用,從而可以防止氣蝕的產(chǎn)生。由于多級減壓分散了流束功率,因此降低了聲音轉(zhuǎn)化的效率。

  (3)增加具有背壓裝置的限流孔板分壓,確保閥上的PVC>PV,防止氣蝕的產(chǎn)生。由于增加了背壓裝置,使聲音頻譜發(fā)生部分轉(zhuǎn)移,達到降低噪音的目的。

  3.2.2、不能防止氣蝕發(fā)生,只是有效降低其危害。

  (1)將接觸氣蝕氣泡的閥內(nèi)表面與氣泡隔離開,并硬化處理會受到氣蝕沖擊的閥芯及閥座表面,同時在閥體出口處加襯套管來保護受氣蝕沖擊的部位。閥體出口處加襯套管作為補充的閥體設(shè)計防止了液體在閥體內(nèi)壁上的沖撞,保護了調(diào)節(jié)閥受沖刷部位,同時減弱了部分噪音。

  (2)閥后加消音器來分壓及分噪音。這種方法實質(zhì)是將氣蝕工況轉(zhuǎn)化為閃蒸工況來處理,所以應(yīng)用中需同時對閥內(nèi)件做硬化處理以保護調(diào)節(jié)閥。

4、結(jié)語

  調(diào)節(jié)閥的嚴重噪音不僅污染工廠環(huán)境而且會使調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生振動,振動會損壞調(diào)節(jié)閥的閥芯及閥座。而調(diào)節(jié)閥的損壞可能會引起調(diào)節(jié)回路故障、聯(lián)鎖故障以及裝置產(chǎn)品質(zhì)量不合格等一系列問題。因此,有效地控制調(diào)節(jié)閥噪音會讓我們的生產(chǎn)更安全、環(huán)境更美好。