调节阀噪音的控制方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)美施威尔上海有限公司 作者:郭进

  通过分析调节阀噪音的几种来源,指出阻塞流引起的闪蒸和气蚀是产生流体动力学噪音的根源。利用图形分析了阻塞流引起闪蒸和气蚀的机理,详述闪蒸和气蚀工况调节阀噪音的各种控制方法。

  噪音是指各种不同频率和振幅声波的随机组合,单位分贝(dB)。通常要求调节阀的噪音低于85dB(即在距离阀门出口下游1m的管道壁向外1m处测得的噪音值)。超过85dB的噪音严重影响交流,并会对听力造成损害。

1、调节阀的噪音来源

  调节阀主要有三种噪音来源:

  (1)自身振动产生的噪音。介质流过调节阀会对阀芯产生冲刷,使阀芯不稳定产生横向运动甚至与设备一起产生共振。由于调节阀使用中自身的振动是难免的,因此这类噪音的产生也不可避免。安装时注意尽量将调节阀正立安装于水平管道上减少由于阀芯不稳而产生的噪音,通常这类噪音值很小,造成影响不大。

  (2)空气动力学噪音。介质在流经调节阀的缩流断面时,由于缩流断面的阻挡使流路突然改变而出现紊流,同时介质流速发生变化,液体的机械能部分转换为声能而产生的噪音称为空气动力学噪音。由于调节阀在减压时引起液体紊流不可避免,因此空气动力学噪音不能完全消除。通常这类噪音值也很小,造成影响不大。

  (3)流体动力学噪音。流体在调节阀中流速过快形成阻塞流。阻塞流是指不可压缩或可压缩流体在流过调节阀时所达到的最大流量状态。在固定的入口条件下,当阀前压力保持一定而逐步降低阀后压力时,流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值,再继续降低阀后压力,流量将不再增加,这个极限流量即为阻塞流。液体阻塞流极易引起闪蒸和气蚀,同时伴有强噪音产生,通常这种噪音达100dB左右,造成影响大。

  总之,调节阀由于自身振动及空气动力学原因产生的噪音都很小,并且不可能完全消除,通常将调节阀的噪音控制至85dB以下,主要是针对流体动力学噪音。由于液体阻塞流极易引起闪蒸及气蚀,闪蒸和气蚀会产生噪音,所以控制噪音就需要想办法控制阻塞流的闪蒸及气蚀。

2、液体阻塞流的闪蒸及气蚀

  2.1、液体流经调节阀时压力和流速的关系

  液体流经调节阀是液体势能和动能之间的转化,体现在外就是压力和流速之间的转化,即压力降低,流速增加;压力增加,流速降低。此过程遵循能量守恒定律,即液体总能量保持不变。

  图1为液体流经调节阀时压力和流速间的关系图示。图中P1为阀前液体压力,P2为阀后液体压力,V1为阀前液体速度,V2为阀后液体速度,PVC为缩流断面点处液体压力。

调节阀噪音的控制方法

图1 液体流经调节阀时压力和流速间的关系

  液体流经调节阀最大流道缩颈处前由于调节阀的调压作用压力一直降低,流速一直增加。经过最大流道缩颈处后,流速由于惯性不会马上降低,会继续升高。流束会继续变细收缩,流束的最小断面出现在调节阀实际缩颈的下游处,此处称为缩流断面点,压力为PVC。缩流断面点处流速最大,压力最低。经过缩流断面点后,随着流束扩展进入更大区域,流速降低,压力逐渐升高。由于调节阀的背压,阀后的压力不会恢复到阀前压力,阀门两侧的压损ΔP表示液体流经调节阀时消耗的能量ΔP=P1-P2。

  2.2、阻塞流发生闪蒸的机理

  如果缩流断面处的压力PVC降到液体的饱和蒸汽压力PV以下并且调节阀的出口压力P2没有恢复到液体的饱和蒸汽压力PV之上(即PVC

调节阀噪音的控制方法

图2 阻塞流发生闪蒸示意图

  对一固定的液体,在温度一定的情况下,其饱和蒸汽压力为一定值。当压力大于其饱和蒸汽压力时,液体为液态;当压力低于饱和蒸汽压力时,液体为汽态;当压力等于饱和蒸汽压力时,液体为汽、液共存两态。

  2.3、阻塞流发生气蚀的机理

  如果缩流断面处的压力PVC降到液体的饱和蒸汽压力以下并且调节阀的出口压力P2恢复到高于其液体的饱和蒸汽压力PV(即PVCPV),就会有大量的泡沫产生并爆炸,这种现象为气蚀。通常气蚀工况比闪蒸工况产生的噪音更大。阻塞流发生气蚀见图3。

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图3、阻塞流发生气蚀示意图

3、调节阀的噪音控制

  3.1、闪蒸工况调节阀的噪音控制

  阻塞流流经调节阀发生闪蒸时,下游产生的气泡会对调节阀的阀芯产生冲刷,受冲刷的阀芯表面会有平滑抛光的外形,此过程伴有大的噪音产生。

  从调节阀发生闪蒸的机理(PVC

  (1)将阀座及阀芯表面进行喷涂处理,可喷涂碳化钨、碳化铬或斯泰莱等硬质合金来提高受冲刷部位的硬度。

  (2)将阀座及阀芯表面进行堆焊处理,通常堆焊斯泰莱以提高受冲刷部位的硬度。

  (3)将阀座及阀芯表面进行渗氮处理,提高其表面硬度和耐磨性、耐腐蚀性。

  通过对调节阀表面硬化处理可提高调节阀硬度,增强调节阀抗闪蒸“冲刷”的能力,相应的噪音也会降低5~10dB。为进一步降低噪音,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层。相同口径的调节阀,其管道壁厚每增加一级,测得的噪音值可降低约2dB;②管道外加隔音层实质也是增加管道壁厚减少噪音向环境传递的一种措施;③在调节阀后加装在线消音器,在线消音器可以吸收部分声音能量,并且在阀后形成背压,可有效降低噪音值约25dB。

  3.2、气蚀工况调节阀的噪音控制

  阻塞流流经调节阀发生气蚀时,产生的气泡在接触阀门的部位破裂,气泡破裂释放的能量会慢慢地撕裂材料,并在与调节阀接触的部位留下类似于煤渣的粗糙表面。此过程会产生如同砂石流过调节阀时发出的噪音。

  气蚀有两种方法来控制:第一种是完全防止气蚀发生;第二种是不能防止气蚀发生,只是有效降低其危害。

  3.2.1、完全防止气蚀发生

  有三种方法可以达到完全防止气蚀发生。

  (1)选用低恢复的调节阀。从气蚀发生的机理(PVCPV)看,如果选用的阀门PVC>PV,就可以避免气蚀的发生。通常低恢复的调节阀可以做到这点。

  恢复系数Km高的阀称为低恢复阀。恢复系数Km低的阀称为高恢复阀。每种类型的阀都有自己的Km值,恢复系数Km是用于衡量缩流断面处压力PVC和阀门出口压力P2之间的压力恢复尺度的一个值,其计算公式为:

调节阀噪音的控制方法

  由此公式可看出,(P1-P2)不变时PVC升高,则Km升高,所以合理选用高Km值(即低恢复)的调节阀使PVC>PV,可避免气蚀发生。同理高恢复阀,指恢复系数Km低的阀,不适合应用于气蚀的工况。

  通常球形阀,流开角形阀都是低恢复阀,适宜在有气蚀的工况选用;而球阀、蝶阀都是高恢复阀,不适宜应用于气蚀工况。

  (2)采用具有高压多级减压内件的调节阀。

  这种调节阀内件具有将通过阀门的压降分成数个较小的压降和确保每个较小压降上PVC>PV的作用,从而可以防止气蚀的产生。由于多级减压分散了流束功率,因此降低了声音转化的效率。

  (3)增加具有背压装置的限流孔板分压,确保阀上的PVC>PV,防止气蚀的产生。由于增加了背压装置,使声音频谱发生部分转移,达到降低噪音的目的。

  3.2.2、不能防止气蚀发生,只是有效降低其危害。

  (1)将接触气蚀气泡的阀内表面与气泡隔离开,并硬化处理会受到气蚀冲击的阀芯及阀座表面,同时在阀体出口处加衬套管来保护受气蚀冲击的部位。阀体出口处加衬套管作为补充的阀体设计防止了液体在阀体内壁上的冲撞,保护了调节阀受冲刷部位,同时减弱了部分噪音。

  (2)阀后加消音器来分压及分噪音。这种方法实质是将气蚀工况转化为闪蒸工况来处理,所以应用中需同时对阀内件做硬化处理以保护调节阀。

4、结语

  调节阀的严重噪音不仅污染工厂环境而且会使调节阀产生振动,振动会损坏调节阀的阀芯及阀座。而调节阀的损坏可能会引起调节回路故障、联锁故障以及装置产品质量不合格等一系列问题。因此,有效地控制调节阀噪音会让我们的生产更安全、环境更美好。

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