調(diào)節(jié)閥噪音的控制方法

郭 進美施威爾(上海)有限公司 上海200070

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。

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＜PV及P2＜PV)，那么就會產(chǎn)生大量泡沫并保持在閥門的下游，這種現(xiàn)象為閃蒸。閃蒸工況伴有較大噪音產(chǎn)生。阻塞流發(fā)生閃蒸見圖2。圖中PV為流體的飽和蒸氣壓力。

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PVC＜PV及P2＞PV)，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。

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＜PV及P2＜PV)看，閃蒸是不能消除的，只能想辦法降低閃蒸對調(diào)節(jié)閥的危害，從而降低噪音。常用的方法是對被沖刷區(qū)域的材質(zhì)進行表面硬化處理，表面硬化處理的方法包括三種:

(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(PVC＜PV及P2＞PV)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。恢復(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:

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。

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