小孔復(fù)合消音降噪裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

丁超，楊帆

小孔復(fù)合消音降噪裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

丁超1，楊帆2

（1.寶雞鋼管西安石油專用管分公司，陜西西安710201；2.陜西省電力公司物資公司，陜西西安710000）

分析了現(xiàn)場(chǎng)噪音的原因，采用抗性消音、小孔消音的消音原理，設(shè)計(jì)了一種小孔復(fù)合消音降噪裝置。從現(xiàn)場(chǎng)布局、設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝流程等方面介紹該復(fù)合消音降噪裝置的應(yīng)用情況，并對(duì)具體使用效果進(jìn)行評(píng)估。降噪筒上均勻布置Φ2 mm小孔，一端封閉；當(dāng)氣流經(jīng)過降噪筒上的小孔時(shí)，壓力和流速減小，噴氣噪聲的頻率就會(huì)移向高頻或超高頻，明顯降低頻譜中的可聽聲成分，從而達(dá)到降噪目的，使噪音從110 dB降到80 d B。

鋼管；小孔消音；抗性消音；降噪裝置；降噪工藝流程

管加工生產(chǎn)線水壓機(jī)是對(duì)鋼管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)的裝置，要求達(dá)到靜水壓試驗(yàn)壓力而不滲漏，全壓試驗(yàn)狀態(tài)保持時(shí)間應(yīng)不得少于5 s［1］。試驗(yàn)完成后，鋼管內(nèi)壁、螺紋處會(huì)有乳化液殘留。由于寶雞鋼管西安石油專用管分公司（簡(jiǎn)稱寶雞鋼管西安分公司）所在地的水質(zhì)較硬，水質(zhì)硬度過大會(huì)導(dǎo)致打壓液的防銹能力降低［2］，容易使鋼管內(nèi)部和管端螺紋處生銹。為了解決油田現(xiàn)場(chǎng)部分批量成品鋼管內(nèi)部和管端螺紋處生銹問題，在通徑對(duì)齊工位增加除水裝置，以此來解決乳化液殘留問題。

除水裝置是通過壓縮空氣對(duì)鋼管工廠端進(jìn)行吹氣，以此帶走和加速揮發(fā)鋼管螺紋和內(nèi)壁殘留的乳化液，此種除水裝置工作時(shí)將產(chǎn)生110 dB以上的噪音，嚴(yán)重影響了崗位人員的健康，甚至造成職業(yè)傷害。

因此，筆者在通徑對(duì)齊工位增設(shè)了一種小孔復(fù)合消音降噪裝置，解決了除水裝置工作時(shí)噪音大的問題，滿足生產(chǎn)線上安全生產(chǎn)的要求。本文主要對(duì)該小孔復(fù)合消音降噪裝置進(jìn)行介紹。

1 降噪裝置設(shè)計(jì)原理

1.1 鋼管除水噪音原因分析

鋼管除水時(shí)，壓縮空氣在經(jīng)過鋼管末端出口處，氣體壓力急劇減小，氣體體積迅速膨脹，通過出口時(shí)氣體微型氣團(tuán)相互擠壓、碰撞、摩擦，伴隨局部強(qiáng)烈的湍流和漩渦形成噪音；同時(shí)，氣體沖出鋼管末端形成高速氣流的激烈震蕩，也將形成強(qiáng)噪音［3］。

1.2 消音器原理介紹

根據(jù)消音器的不同原理，可以將消音器分為阻性消音器、抗性消音器、阻抗復(fù)合式消音器、小孔消音器和有源消音器等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噪音原因分析，降噪裝置設(shè)計(jì)采用抗性消音和小孔消音的復(fù)合消音原理。

1.2.1 抗性消音

抗性消音器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐氣體侵蝕［4］，分為擴(kuò)張室消音器和共振腔消音器。

（1）擴(kuò)張室消音器。膨脹腔（又稱擴(kuò)張室）是組成抗性消音器的主要元件，膨脹腔是簡(jiǎn)單的擴(kuò)張室消音器。利用截面突變形成聲傳播道的阻抗失配，使沿管道傳播的聲波朝聲源方向反射，進(jìn)而使前進(jìn)的聲波和反射的聲波在管道不同界面上的反射波之間的相位差為180°，發(fā)生干涉相互抵消，達(dá)到消音的目的［5］。

（2）共振腔消音器。當(dāng)聲波傳至共振腔與連接管交叉點(diǎn)處，由于聲阻抗發(fā)生突變，使大部分聲能反射回去，還有一部分聲能傳入連接管和共振腔，由共振腔摩擦阻尼消耗掉，只有一部分聲能通過交叉點(diǎn)繼續(xù)向前傳播，達(dá)到消音目的［6］。

設(shè)計(jì)選用內(nèi)插進(jìn)、出口管膨脹腔，使膨脹腔的消音特性和共振的吸聲特性相互疊加，由于內(nèi)插進(jìn)，可以產(chǎn)生消音的共振峰，消音效果在共振頻率附近明顯增強(qiáng)，可以保證并明顯改善整個(gè)頻率的消音效果。

1.2.2 小孔消音

小孔消音器的原理以噴氣噪聲消音器的頻譜為依據(jù)，當(dāng)氣流經(jīng)過小孔，噴氣噪聲的頻譜就會(huì)移向高頻或超高頻，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，減少對(duì)人的干擾和傷害［7］。

垂直噴注方向，距離噴口1 m處干擾聲壓LA的計(jì)算公式為：

式中Mo——空氣分子量，為28.8；

其中，fA為A聲級(jí)的上線頻率，取11 200 Hz；a為噴注速度，m/s；c是噴注聲速，m/s；co是環(huán)境聲速，為340 m/s。當(dāng)噴注阻塞時(shí)，a=c。

當(dāng)排放氣體性質(zhì)確定后，公式（1）前兩項(xiàng)為常數(shù)；當(dāng)排放面積、小孔總數(shù)一定時(shí)，公式（1）中第3項(xiàng)和第5項(xiàng)的結(jié)果是一個(gè)常數(shù)。因此，小孔消音的干擾聲壓級(jí)為第4項(xiàng)和第5項(xiàng)的函數(shù)，小孔直徑與消音量的關(guān)系如圖1所示。

M——噴注氣流介質(zhì)的分子量，為18；

Pm——消音器小孔噴注前的氣體絕對(duì)壓力，MPa；

Po——環(huán)境大氣絕對(duì)壓力，MPa；

Dm——小孔直徑，mm；

Do——單位小孔直徑，取1 mm；

XA——中間變量，通過公式（2）得出；

n——小孔總數(shù)。

圖1 小孔直徑與消音量的關(guān)系

根據(jù)公式（1）可以推斷：當(dāng)排放面積一定，小孔總數(shù)是定值的情況下，小孔消音量隨著小孔直徑的縮小而增加。當(dāng)小孔直徑大于20 mm，其消音量?jī)H為2 dB；若小孔直徑減半，消音量則增加7～9 d B；當(dāng)小孔直徑小于0.8 mm，消音量可大于30 dB。縮小小孔直徑雖可增大消音量，但實(shí)際工程中存在小孔容易被堵塞以及加工困難等具體問題［8］。綜合考慮，將小孔的直徑設(shè)計(jì)為2 mm。

1.3 消音器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種降噪筒，其上有均勻布置的直徑2 mm小孔，一端封閉。當(dāng)氣流經(jīng)過降噪筒上的小孔，壓力減小，流速減慢，噴氣噪聲的頻率就會(huì)移向高頻或超高頻，明顯降低頻譜中的可聽聲成分，從而達(dá)到降噪目的。

將布有小孔的降噪筒嵌入膨脹腔內(nèi)，鋼管尾部開直徑30 mm的圓孔，使通過管道的聲波在截面突變處（膨脹腔）發(fā)出反射衰減噪聲［9］，降噪筒上的小孔產(chǎn)生消音的共振峰，消音效果在共振頻率附近明顯增強(qiáng)，可以明顯改善整個(gè)頻率的消音效果。

降噪筒設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 降噪裝置布局

降噪裝置布局如圖3所示。靜水壓試驗(yàn)完成后，鋼管滾到臺(tái)架上，取料裝置對(duì)鋼管進(jìn)行取料，鋼管進(jìn)入除水降噪工位，鋼管除水完成后，惠斯頓機(jī)構(gòu)取料，將鋼管取至下一個(gè)工位。

圖2 降噪筒設(shè)計(jì)示意

圖3 降噪裝置布局示意

3 降噪裝置組成

降噪裝置主視圖如圖4所示，俯視圖如圖5所示。降噪裝置分為消音器部分和規(guī)格調(diào)整部分。

圖4 降噪裝置（主視圖）

圖5 降噪裝置（俯視圖）

3.1 消音器部分

消音器包括工裝頭、彈簧、導(dǎo)軌、機(jī)架、氣缸和降噪筒。

工裝頭為喇叭口，喇叭口上包裹聚氨酯，對(duì)鋼管起到導(dǎo)向和密封的作用，此種設(shè)計(jì)能有效防止鋼管尾部壓縮空氣的泄漏，消除壓縮空氣通過鋼管尾部產(chǎn)生的噪音，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)生產(chǎn)的要求。

工裝頭裝有彈簧，彈簧長度Ho為650 mm，設(shè)計(jì)時(shí)可以適應(yīng)鋼管100 mm內(nèi)長度的偏差，同時(shí)起到降噪裝置前進(jìn)到位的緩沖和促使工裝頭喇叭口壓緊的作用。

安裝降噪裝置時(shí)應(yīng)找平，底座的平面標(biāo)高允許偏差±1 mm，平面位置偏差±2 mm［10］，超出偏差會(huì)使工裝頭上的喇叭口中心線與鋼管中心線不一致，導(dǎo)致密封效果不好，產(chǎn)生新的噪音源。

氣缸推動(dòng)降噪筒在導(dǎo)軌上前進(jìn)和后退，降噪筒的摩擦力Fm的計(jì)算公式為：

式中m——降噪筒質(zhì)量，kg；

μ——摩擦因數(shù)，取0.003；

g——重力系數(shù)，N/kg。

當(dāng)m=100 kg、g=10 N/kg時(shí)，F(xiàn)m=30 N。

彈簧的最大彈力Ftmax的計(jì)算公式為：

式中F′——彈簧剛度，N/mm；

lo——彈簧的最大壓縮量，mm。

當(dāng)lo=100 mm、F′=14 N/mm［11］，通過計(jì)算Ftmax=1 400 N。

因此，氣缸的拉力和推力要克服Fm和Ftmax才能滿足使用要求。

氣缸選用型號(hào)為SC80×1000，用公式（5）～（6）可計(jì)算出理論拉力Fo與理論推力F1［12］：

式中D——缸筒直徑，mm；

d——活塞桿直徑，mm；

P——工作壓力，Pa。

壓縮空氣的工作壓力P為400～600 Pa，氣缸D為80 mm、d為25 mm；因此，氣缸的理論拉力Fo為1 813～2 720 N，理論推力F1為2 010～3 015 N。

由此可見，F(xiàn)o∧Fm+Ftmax，F(xiàn)1∧Fm+Ftmax。因此，所選用的SC80×1000氣缸滿足使用要求。

3.2 規(guī)格調(diào)整部分

規(guī)格調(diào)整部分包括工裝頭、立柱、螺旋升降裝置、機(jī)架、導(dǎo)軌、定位裝置和底座。

調(diào)節(jié)機(jī)架高度，使降噪裝置中心線與鋼管的中心線一致，機(jī)架的調(diào)節(jié)通過螺旋升降裝置和緊固定位裝置的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。螺旋升降機(jī)行程和定位裝置上兩個(gè)銷孔之間的距離為100 mm，滿足Φ60.3～177.8 mm鋼管的換道調(diào)整，滿足生產(chǎn)要求。

工裝頭的規(guī)格分3種，分別滿足Φ60.3～88.9 mm、Φ101.6～139.7 mm、Φ168.3～177.8 mm規(guī)格鋼管的換道調(diào)整。

銷孔定位裝置以100 mm的間距均布在底座上，降噪裝置可以沿導(dǎo)軌自由移動(dòng)，銷孔定位裝置和工裝頭彈簧配合使用，可以滿足增加6～12 m的生產(chǎn)要求。

4 降噪裝置工藝流程

除水降噪裝置工位如圖6所示。

圖6 除水降噪工位示意

4.1 工藝過程

靜水壓試驗(yàn)完成后，鋼管滾到臺(tái)架上，當(dāng)有料傳感器感應(yīng)到除水降噪工位沒有鋼管時(shí)，翻料裝置進(jìn)行翻料，鋼管進(jìn)入除水降噪工位。

當(dāng)?shù)轿粋鞲衅鞲袘?yīng)到鋼管信號(hào)，鋼管對(duì)齊到位，降噪裝置在初始位置。當(dāng)原位傳感器感應(yīng)到鋼管信號(hào)，氣缸開始推動(dòng)降噪筒沿著機(jī)架上的導(dǎo)軌前進(jìn)，當(dāng)?shù)轿粋鞲衅鞲袘?yīng)到降噪筒信號(hào)，降噪筒前進(jìn)到位，同時(shí)工裝頭伸出并與鋼管管尾緊密接觸，當(dāng)?shù)轿粋鞲衅鞲袘?yīng)不到信號(hào)，電磁閥打開，除水管路開始對(duì)鋼管螺紋和內(nèi)壁進(jìn)行吹氣。經(jīng)過設(shè)定時(shí)間（根據(jù)水壓機(jī)35 s一根鋼管的生產(chǎn)節(jié)奏，設(shè)定除水的時(shí)間為5 s），電磁閥關(guān)閉，吹氣結(jié)束。吹氣結(jié)束后降噪筒在氣缸的帶動(dòng)下開始回退。為了加快節(jié)奏，增加中間傳感器，感應(yīng)到鋼管信號(hào)時(shí)，惠斯頓機(jī)構(gòu)將鋼管取到下一工位，完成下料，降噪筒也到達(dá)初始位置，原位傳感器感應(yīng)到信號(hào)，完成一個(gè)鋼管除水和降噪的整體過程。

當(dāng)限位傳感器感應(yīng)到鋼管信號(hào)，整個(gè)除水降噪工位不動(dòng)作，崗位人員進(jìn)行人工干預(yù)降噪裝置的位置。限位傳感器為安全保護(hù)傳感器，防止過長鋼管對(duì)降噪裝置的破壞。

4.2 自動(dòng)控制

降噪裝置的控制程序嵌入到原水壓機(jī)PLC程序，監(jiān)控的是數(shù)字量信號(hào)，利用原水壓機(jī)電器柜內(nèi)數(shù)字量模塊富余的I/O點(diǎn)與PLC進(jìn)行通信。組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，崗位人員通過對(duì)傳感器狀態(tài)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控降噪裝置的運(yùn)行狀態(tài)［13-14］。

PLC編程使用梯形圖語言，按照順序動(dòng)作的邏輯控制方式，與前后工位的聯(lián)動(dòng)，滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

該小孔復(fù)合消音降噪裝置的使用，降低了管內(nèi)除水時(shí)產(chǎn)生的噪音，噪音從110 dB降到80 dB，低于國家85 dB的規(guī)范要求［15］，滿足安全生產(chǎn)需要。

該小孔復(fù)合消音除水降噪裝置為自主設(shè)計(jì)，自主編程，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，以較少的投資解決了生產(chǎn)線上的環(huán)保問題，達(dá)到了預(yù)期目的。

寶雞鋼管西安分公司于2015年4月完成了3臺(tái)水壓機(jī)降噪裝置的安裝、調(diào)試和使用。截至目前，運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)節(jié)奏和適用規(guī)格滿足使用要求。

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●信息

“超深復(fù)雜井用鉆桿關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”等項(xiàng)目榮獲2016年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、中國金屬學(xué)會(huì)冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)

2016年8月20日，2016年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、中國金屬學(xué)會(huì)冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目公布，有62個(gè)項(xiàng)目獲獎(jiǎng)。其中，寶山鋼鐵股份有限公司的“超深復(fù)雜井用鉆桿關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲一等獎(jiǎng)；天津鋼管集團(tuán)股份有限公司、燕山大學(xué)的“高品質(zhì)高強(qiáng)度抗硫化氫應(yīng)力腐蝕油井管制造關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”，東北大學(xué)、寶鋼特鋼有限公司、甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司、青島元鼎高合金管業(yè)有限公司的“高品質(zhì)特殊鋼高溫輥底式熱處理爐成套裝備技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲二等獎(jiǎng)；江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司、永興特種不銹鋼股份有限公司的“石化加氫裝置用大口徑奧氏體合金無縫管關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)”項(xiàng)目榮獲三等獎(jiǎng)。

（本刊）

Design and Application of Small Hole Composite Muffler Noise Reduction Device

DING Chao1，YANG Fan2
（1.Xi’an OCTG Company of BSG Group，Xi’an 710201，China；2.Shaanxi Electric Power Company Materials Company，Xi’an 710000，China）

A type of small hole composite muffler is designed，basing on the analysis of the causes for the noise on field，as well as the muffling principles of reactive muffler and small-hole muffler.Introduced are the application conditions of the said muffler such as the field arrangement，the device design and the process flow.The performance of the application is also evaluated.The noise reduction cylinder is evenly covered withΦ2 mm holes and sealed up on one end.When air passes by the holes on the cylinder，its pressure and flow rate is reduced，so the jet noise will shift to high or ultrahigh frequency range and its audible frequency part will be significantly reduced.In this way the noise is reduced from 110 dB to 80 dB.

steeltube；smallhole muffling；reactive muffling；noise reduction device；noise reduction process

TG155.4

B

1001-2311（2016）05-0029-05

2016-03-07；修定日期：2016-05-17）

丁超（1987-），男，工程師，從事鋼管設(shè)備維護(hù)工作。