改進(jìn)電動(dòng)減壓閥噪音

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 之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項(xiàng)，現(xiàn)在介紹 改進(jìn)電動(dòng)減壓閥噪音調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥門）兩部分組成[1]。調(diào)節(jié)閥工作過程中普遍存在著噪聲，這是調(diào)節(jié)閥內(nèi)在的湍流和能量吸收所引發(fā)的現(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥運(yùn)行環(huán)境中的主要噪聲為機(jī)械振動(dòng)噪聲、液體動(dòng)力噪聲和氣體動(dòng)力噪聲。現(xiàn)場介質(zhì)為435℃蒸汽，所以設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮機(jī)械振動(dòng)噪聲[2]和氣體動(dòng)力噪聲[3]即可。山東某熱電廠減壓機(jī)構(gòu)中的一臺(tái)氣動(dòng)減壓調(diào)節(jié)閥，出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲過大，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥桿的鏈接夾塊發(fā)生偏移，終導(dǎo)致定位器反饋桿脫離，閥門全開的狀況?，F(xiàn)場管道入口壓力35kg，出口壓力15kg，口徑DN200，正常流量10T/H，大30T/H，介質(zhì)為435℃蒸汽?；诂F(xiàn)場狀況，對(duì)噪聲產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，使其在滿足壓力和流量要求的前提下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造。 
    工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制?？刂崎y是過程控制中獲得優(yōu)異性的關(guān)鍵元器件。但由于高壓的存在，常使控制閥出現(xiàn)沖刷、閃蒸和空化的現(xiàn)象，這不但影響控制閥的選擇計(jì)算，還會(huì)引起噪音、振動(dòng)和材質(zhì)的損壞，大大縮短控制閥的使用壽命，使其可靠性降低，進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致整個(gè)過程控制系統(tǒng)*癱瘓，因此這是一個(gè)不可忽視的問題。本文將著重分析空化現(xiàn)象的形成機(jī)理，空化現(xiàn)象對(duì)閥門和管路的破壞作用，以及空化現(xiàn)象所帶來的噪音問題。
1 改進(jìn)電動(dòng)減壓閥噪音空化現(xiàn)象的產(chǎn)生
空化現(xiàn)象是在流體介質(zhì)為液體的情況下產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。本文通過一個(gè)簡單的流道孔板模型來展示流體通過控制閥時(shí)產(chǎn)生的壓力和速度的變化，并借此來闡述控制閥內(nèi)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象的原因。見圖1。



圖1 空化現(xiàn)象的發(fā)生
由圖1可知，流道面積在孔板處的減小會(huì)引起流體速度的增加，并且由流體的機(jī)械能守恒（伯努利方程）可知，其會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的流體壓力降低。壓力會(huì)在流束小截面處（VenaContracta，VC）降到低，其中，流束小截面的位置會(huì)發(fā)生在靠近孔板的下游處。當(dāng)閥門流束小截面處的壓力Pvc低于液體氣化壓力Pv，并且閥門下游壓力P2高于Pv時(shí)，空化現(xiàn)象就產(chǎn)生了。
空化產(chǎn)生分為兩個(gè)階段。首先，當(dāng)流體壓力減小到低于液體氣化壓力時(shí)，氣泡會(huì)在流體內(nèi)形成。然后，流體壓力在通過流束小截面后會(huì)恢復(fù)到高于液體氣化壓力，這就會(huì)造成氣泡的破裂。氣泡的破裂可以是噴射形式或是球狀形式的，兩者都會(huì)引起壓力的巨幅震動(dòng)。見圖2。



圖2 和氣泡破裂的類型
如果氣泡很靠近或者緊貼著管壁，破裂會(huì)以噴射的形態(tài)產(chǎn)生，并且會(huì)瞬間造成大約104MPa大小的壓力震動(dòng)。當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離管壁時(shí)，球狀破裂會(huì)在流體內(nèi)部產(chǎn)生，并造成大約103MPa大小的瞬間壓力震動(dòng)。如果氣泡破裂時(shí)很靠近管壁，噴射流和破裂所引起的震動(dòng)波就會(huì)造成管壁材料的屈服和破損。有空化現(xiàn)象破壞的管壁表面通常是粗糙并且松軟的。
空化現(xiàn)象引起的機(jī)械破壞一直和噪音的產(chǎn)生密切相關(guān)。高程度的噪音通常發(fā)生在臨近閥門開始出現(xiàn)壅塞（choked）之前。當(dāng)壅塞發(fā)生之后，氣泡破裂的位置會(huì)向下游移動(dòng)?？栈斐傻钠茐某潭韧ǔＲ才c閥門和下游管路所選用的材質(zhì)與鍍層有關(guān)。   
 2 噪聲估計(jì)
        在把現(xiàn)有的噪聲預(yù)估方法進(jìn)行比較分析之后，表明某公司所研究和提供的公式是比較方便的計(jì)算方法。
       減壓閥的噪聲估計(jì)與改進(jìn)設(shè)計(jì) （1）
        式中：Lp———介質(zhì)動(dòng)力噪聲的聲壓級(jí)，以調(diào)節(jié)閥下游1m并離管道表面1m處測量[dB（A）]
        Kv———特定流量下的流量系數(shù)
        FL———液體的壓力恢復(fù)系數(shù)
        p1，p2———入口壓力，出口壓力，kPa
        D———調(diào)節(jié)閥下游的管道直徑，mm
        η———音響效率
        H———管道壁厚，mm
        Tsh———蒸汽過熱溫度，℃
        根據(jù)p1=35kg=3500kPa，p2=15kg=1500kPa，F(xiàn)L≈0.90，D=200mm，η=9×10-4，Tsh=435℃，H=4.5mm，Kv11.60可計(jì)算得，Lp≈123.04dB（A）。該噪聲級(jí)別較高，必須進(jìn)行降噪處理。
        調(diào)節(jié)閥出口流速過高時(shí)產(chǎn)生的噪聲，根據(jù)介質(zhì)流速的馬赫數(shù)Ma可以判斷其程度[5]。經(jīng)過計(jì)算得Ma≈0.134＜0.33。噪聲小，可忽略。


        3 噪聲消除措施
        根據(jù)現(xiàn)場狀況，主要考慮通過管路改造[6]和閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，來消除振動(dòng)和噪聲。但是現(xiàn)場管路布置在初上生產(chǎn)線時(shí)即已確定，再添加旁路工期較長。于是閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造成為關(guān)鍵。結(jié)合閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[4][5][7]，經(jīng)過改造設(shè)計(jì)計(jì)算，主要對(duì)閥芯和套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)計(jì)采用閥門內(nèi)件換成平衡閥芯兩層降壓降噪套筒結(jié)構(gòu)，便于流速分布均勻，降低閥塞和閥座之間的壓差，改善湍流狀態(tài)，并增大磨損，消耗聲能，從而降低噪聲。在套筒調(diào)節(jié)閥中，高速介質(zhì)流經(jīng)普通套筒閥時(shí)，介質(zhì)從套筒璧四周窗口流入套筒中心，然后匯集流向閥后，在套筒中產(chǎn)生漩渦流、二次流等復(fù)雜流動(dòng)。由于突然的收縮和突然擴(kuò)大，使流場極不均勻，極易產(chǎn)生強(qiáng)大的噪聲。改善流場就能夠降低噪聲。本文中套筒采用小孔形套筒，這些小孔可使流道分散、摩擦阻力增加、流場分布均勻、不產(chǎn)生大的漩渦流，從而降低噪聲[8]。降壓套筒采用兩層結(jié)構(gòu)，較低噪音套筒調(diào)節(jié)閥的一層套筒，可大幅度降低高壓差氣體或蒸汽所產(chǎn)生的噪聲，而且特別適用于高壓差的場合。套筒設(shè)計(jì)主要是小孔的孔數(shù)的設(shè)計(jì)，為了保證閥大開度時(shí)的流通能力，小孔面積按照調(diào)節(jié)閥的閥座的面積乘上一定的系數(shù)（系數(shù)在1.2～1.5之間）。由于氣體是可壓縮性流體，壓力降低時(shí)體積急劇膨脹，因此進(jìn)行流道設(shè)計(jì)時(shí)要將套筒窗口流通截面即小孔直徑從下到上逐級(jí)放大。另外孔的列數(shù)取偶數(shù)，有利于介質(zhì)在套筒中間互相沖擊而把靜壓能量消耗掉，降低噪聲，避免振動(dòng)。套筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。


上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥減壓閥的噪聲估計(jì)與改進(jìn)設(shè)計(jì)腐蝕和磨蝕雖然空化破壞*是力學(xué)現(xiàn)象，但也和腐蝕與磨蝕相關(guān)。在空化腐蝕中，噴射流或者震動(dòng)波會(huì)破壞金屬表面的鈍化層，正是鈍化層的存在，才能使金屬有了抗腐蝕性。鈍化層被破壞后，下面的基材會(huì)被消耗來形成新的鈍化層，長此以往，會(huì)造成在空化發(fā)生處的金屬物料相當(dāng)可觀的損失。見圖3。圖3 鈍化層的破壞和修復(fù)

空化現(xiàn)象以及空化腐蝕引起的磨蝕，會(huì)使金屬材料的損耗和破壞大量增加。金屬材料會(huì)被空化和空化腐蝕的合力軟化，這就造成了磨蝕性磨損。磨蝕的程度通常由流體速度決定。二者關(guān)系如下：
ε=KVn （1）
其中，ε為物料損失量；K為常數(shù)；V為流體速度；n為磨損系數(shù)。磨損系數(shù)在由空化腐蝕產(chǎn)生的磨蝕工況下，可選到7，而在常規(guī)磨蝕的工況下，通常為2.5左右。磨損也和材質(zhì)有很大關(guān)系，不銹鋼的耐磨性能要比碳鋼好一些。在空化現(xiàn)象存在的工況下，需要格外注意選擇正確的閥芯類型和材質(zhì)，以避免空化腐蝕引起的磨蝕。
由公式1可知：
1）通過選用多級(jí)降壓的閥芯來降低閥門內(nèi)的流體速度，使流體通過閥芯時(shí)的速度降到低；
2）通過選用不銹鋼或硬化處理的材質(zhì)可以減少磨損。
3 空化和噪音
空化現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度取決于閥門的型號(hào)和壓力等級(jí)，所以要簡單地給出一個(gè)不會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象的流體的界限很困難。因此，結(jié)合噪音等級(jí)和臨界壓力降來預(yù)測空化現(xiàn)象的發(fā)生是更為合理的方式。
空化現(xiàn)象造成機(jī)械損壞的取決因素很多。一些不同的參數(shù)會(huì)影響空化破壞的程度，比如，閥門選用的材料、流體特質(zhì)、管路布置以及流體可能所含的固體顆粒等。發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)，閥門內(nèi)的壓力降叫做是臨界壓力降。當(dāng)實(shí)際的閥門內(nèi)壓力降等于或大于計(jì)算得到的臨界壓力降，同時(shí)下游壓力比液體氣化壓力來得更高時(shí)，空化現(xiàn)象所引起的破壞便很有可能真實(shí)發(fā)生，任何防護(hù)手段都應(yīng)當(dāng)考慮被使用。
另一方面，圖4表明空化現(xiàn)象其實(shí)在臨界壓力降到達(dá)之前就已經(jīng)開始發(fā)生，圖中曲線表示了一臺(tái)閥門的聲音壓力等級(jí)（soundpressurelevel，SPL）與（P1–P2）/（P1–Pv）的比率的關(guān)聯(lián)?？梢钥吹剑趯恿鲄^(qū)域，噪音等級(jí)很低，而在接下來的紊流區(qū)域，曲線會(huì)緩和地上升，當(dāng)流體壓差到達(dá)一個(gè)特定值（ΔP=Z（P1-Pv））時(shí)，聲壓曲線開始快速上升。閥門初始空化壓力系數(shù)Z對(duì)應(yīng)的是空化發(fā)生初期，Z是由制造商在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測得的流體噪音所決定的。這些參數(shù)通常會(huì)在閥門制造商的選型文件中體現(xiàn)。此時(shí)聲音壓力曲線上升的原因就是空化現(xiàn)象的發(fā)生。從實(shí)驗(yàn)室的測試中可以發(fā)現(xiàn)聲壓曲線開始上升要早于流體中的氣泡被實(shí)際觀察到。



圖4 聲壓曲線
當(dāng)閥門壓差ΔP接近于臨界壓力降ΔPT時(shí)，聲音壓力曲線會(huì)達(dá)到大值。從圖中可知，此時(shí)，如果繼續(xù)增加（P1–P2）/（P1–Pv）的比率，將會(huì)使聲壓曲線再次降低。關(guān)于這點(diǎn)，可參見VDMA24422（1979）的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的測定點(diǎn)在于閥門下游1米處，其他標(biāo)準(zhǔn)也有類似規(guī)定。當(dāng)閥門空化現(xiàn)象發(fā)生嚴(yán)重時(shí)，空化產(chǎn)生的氣泡會(huì)在遠(yuǎn)離閥門的下游管路中發(fā)生破裂。這就是為什么VDMA24422（1979）說聲壓曲線會(huì)降低的原因。噪音不會(huì)消失，只是移動(dòng)到了另一個(gè)地方（下游管路）中。所以即便氣泡的數(shù)量是增加的，但氣泡破裂發(fā)生的區(qū)域距離越長，噪音的強(qiáng)度也就越弱。從另一方面講，當(dāng)閥門壓差越大，流體會(huì)越接近于氣液混合的形態(tài)。
一臺(tái)在流體為液態(tài)工況下工作的閥門產(chǎn)生噪音，通常是發(fā)生了空化現(xiàn)象?？栈a(chǎn)生的氣泡破裂引起了令人煩惱的噪音，而噪音的等級(jí)和空化現(xiàn)象的強(qiáng)度直接相關(guān)。在空化現(xiàn)象早期階段，噪音的聲響就像沙子通過閥門。當(dāng)通過閥門的壓差增大時(shí)，空化強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增加，嚴(yán)重的空化伴隨著劇烈的噪音也就產(chǎn)生了?？栈胍艨梢员坏仡A(yù)估，因此，噪音等級(jí)便是空化引起的機(jī)械破壞的一個(gè)很好的指標(biāo)。引起使閥門或管路受損的機(jī)械破壞的壓力降取決于閥門類型、尺寸以及材質(zhì)。大量的研究表明壓力恢復(fù)系數(shù)越低的閥門，越接近于達(dá)到臨界壓力降，同時(shí)不引起空化破壞現(xiàn)象。也就是說壓力恢復(fù)系數(shù)越低的閥門更可能達(dá)到臨界壓力降。當(dāng)然，當(dāng)ΔP>ΔPT時(shí)，并不總意味著破壞的產(chǎn)生。當(dāng)閥門上下游壓差很小時(shí)，空化現(xiàn)象可能來不及發(fā)生。腐蝕當(dāng)然也是一個(gè)重要系數(shù)，這取決于所選用的閥門材質(zhì)以及流體介質(zhì)。所以，當(dāng)預(yù)估空化現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度時(shí)，有兩個(gè)系數(shù)需要被考慮。
1）通過閥門的壓力降不能超過臨界壓力降（如果ΔP很小，ΔPT可以被超過，但管路和閥門的材質(zhì)選擇很重要）；
2）閥門的噪音等級(jí)不能超過表1中所給定的值。
表1 噪音等級(jí)值



有一點(diǎn)需要特別指出，即使聲壓等級(jí)低于表1中所的值，但閥門上下游的壓差過大以至于超過臨界壓力降時(shí)，閥門依然有可能發(fā)生嚴(yán)重的空化現(xiàn)象。圖1 套筒結(jié)構(gòu)圖閥芯結(jié)構(gòu)采用平衡式。平衡閥芯和非平衡閥芯相比，可以減少介質(zhì)作用在閥塞上的不平衡力[9]。閥芯用固定在兩層套筒上的緊定螺釘，配合閥芯上的導(dǎo)向槽，來控制閥芯徑向旋轉(zhuǎn)并對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行限位，具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

減壓閥的噪聲估計(jì)與改進(jìn)設(shè)計(jì)


圖2 套筒和閥芯裝配圖

        4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
        空化現(xiàn)象的爆破力足以使閥內(nèi)部件（特別是閥芯）遭到極其嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重的空化作用只需幾小時(shí)調(diào)節(jié)閥就損壞了，以致于調(diào)節(jié)過程失控，產(chǎn)生重大安全事故。因此，在進(jìn)行控制工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到防止空化現(xiàn)象的出現(xiàn)。特別對(duì)高壓力降工況、低揮發(fā)性介質(zhì)控制的場合，在防止空化作用方面要給予足夠的重視。按照GB/T12245-2006減壓閥性能試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，出廠試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括殼體強(qiáng)度、密封性能和調(diào)壓性能[10]。經(jīng)過100-110kg冷水打壓實(shí)驗(yàn)，閥門開度和流量特性曲線滿足等百分比關(guān)系?？紤]到閥門在啟閉和小流量開度時(shí)，高壓差全部集中在閥芯和閥座的密封面上，高速流體會(huì)對(duì)密封面造成嚴(yán)重沖刷，甚至產(chǎn)生空化氣蝕。為了保護(hù)閥內(nèi)件不受損壞，延長閥門的使用壽命，特設(shè)計(jì)5%以下的行程為空行程。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：波紋管減壓閥波紋管材料