改進電動減壓閥噪音

改進電動減壓閥噪音  減壓閥噪音  改進電動蒸汽減壓閥噪音 改進電動調節閥噪音
 之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項，現在介紹 改進電動減壓閥噪音調節閥由執行機構和調節機構（閥門）兩部分組成[1]。調節閥工作過程中普遍存在著噪聲，這是調節閥內在的湍流和能量吸收所引發的現象。調節閥運行環境中的主要噪聲為機械振動噪聲、液體動力噪聲和氣體動力噪聲。現場介質為435℃蒸汽，所以設計時主要考慮機械振動噪聲[2]和氣體動力噪聲[3]即可。山東某熱電廠減壓機構中的一臺氣動減壓調節閥，出現振動和噪聲過大，導致執行機構和閥桿的鏈接夾塊發生偏移，終導致定位器反饋桿脫離，閥門全開的狀況。現場管道入口壓力35kg，出口壓力15kg，口徑DN200，正常流量10T/H，大30T/H，介質為435℃蒸汽。基于現場狀況，對噪聲產生原因進行分析，使其在滿足壓力和流量要求的前提下，對系統進行改造。 
    工業中的過程控制是指以溫度、壓力、流量等工藝參數作為被控變量的自動控制。控制閥是過程控制中獲得優異性的關鍵元器件。但由于高壓的存在，常使控制閥出現沖刷、閃蒸和空化的現象，這不但影響控制閥的選擇計算，還會引起噪音、振動和材質的損壞，大大縮短控制閥的使用壽命，使其可靠性降低，進而引起工藝系統裝置的生產效率大幅度下降，嚴重時可能導致整個過程控制系統*癱瘓，因此這是一個不可忽視的問題。本文將著重分析空化現象的形成機理，空化現象對閥門和管路的破壞作用，以及空化現象所帶來的噪音問題。
1 改進電動減壓閥噪音空化現象的產生
空化現象是在流體介質為液體的情況下產生的一種現象。本文通過一個簡單的流道孔板模型來展示流體通過控制閥時產生的壓力和速度的變化，并借此來闡述控制閥內產生的空化現象的原因。見圖1。



圖1 空化現象的發生
由圖1可知，流道面積在孔板處的減小會引起流體速度的增加，并且由流體的機械能守恒（伯努利方程）可知，其會導致相應的流體壓力降低。壓力會在流束小截面處（VenaContracta，VC）降到低，其中，流束小截面的位置會發生在靠近孔板的下游處。當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，空化現象就產生了。
空化產生分為兩個階段。首先，當流體壓力減小到低于液體氣化壓力時，氣泡會在流體內形成。然后，流體壓力在通過流束小截面后會恢復到高于液體氣化壓力，這就會造成氣泡的破裂。氣泡的破裂可以是噴射形式或是球狀形式的，兩者都會引起壓力的巨幅震動。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，破裂會以噴射的形態產生，并且會瞬間造成大約104MPa大小的壓力震動。當氣泡遠離管壁時，球狀破裂會在流體內部產生，并造成大約103MPa大小的瞬間壓力震動。如果氣泡破裂時很靠近管壁，噴射流和破裂所引起的震動波就會造成管壁材料的屈服和破損。有空化現象破壞的管壁表面通常是粗糙并且松軟的。
空化現象引起的機械破壞一直和噪音的產生密切相關。高程度的噪音通常發生在臨近閥門開始出現壅塞（choked）之前。當壅塞發生之后，氣泡破裂的位置會向下游移動。空化所造成的破壞程度通常也與閥門和下游管路所選用的材質與鍍層有關。   
 2 噪聲估計
        在把現有的噪聲預估方法進行比較分析之后，表明某公司所研究和提供的公式是比較方便的計算方法。
       減壓閥的噪聲估計與改進設計 （1）
        式中：Lp———介質動力噪聲的聲壓級，以調節閥下游1m并離管道表面1m處測量[dB（A）]
        Kv———特定流量下的流量系數
        FL———液體的壓力恢復系數
        p1，p2———入口壓力，出口壓力，kPa
        D———調節閥下游的管道直徑，mm
        η———音響效率
        H———管道壁厚，mm
        Tsh———蒸汽過熱溫度，℃
        根據p1=35kg=3500kPa，p2=15kg=1500kPa，FL≈0.90，D=200mm，η=9×10-4，Tsh=435℃，H=4.5mm，Kv11.60可計算得，Lp≈123.04dB（A）。該噪聲級別較高，必須進行降噪處理。
        調節閥出口流速過高時產生的噪聲，根據介質流速的馬赫數Ma可以判斷其程度[5]。經過計算得Ma≈0.134＜0.33。噪聲小，可忽略。


        3 噪聲消除措施
        根據現場狀況，主要考慮通過管路改造[6]和閥門內部結構改造，來消除振動和噪聲。但是現場管路布置在初上生產線時即已確定，再添加旁路工期較長。于是閥門內部結構改造成為關鍵。結合閥門設計手冊[4][5][7]，經過改造設計計算，主要對閥芯和套筒結構進行了改進。設計采用閥門內件換成平衡閥芯兩層降壓降噪套筒結構，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，并增大磨損，消耗聲能，從而降低噪聲。在套筒調節閥中，高速介質流經普通套筒閥時，介質從套筒璧四周窗口流入套筒中心，然后匯集流向閥后，在套筒中產生漩渦流、二次流等復雜流動。由于突然的收縮和突然擴大，使流場極不均勻，極易產生強大的噪聲。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、不產生大的漩渦流，從而降低噪聲[8]。降壓套筒采用兩層結構，較低噪音套筒調節閥的一層套筒，可大幅度降低高壓差氣體或蒸汽所產生的噪聲，而且特別適用于高壓差的場合。套筒設計主要是小孔的孔數的設計，為了保證閥大開度時的流通能力，小孔面積按照調節閥的閥座的面積乘上一定的系數（系數在1.2～1.5之間）。由于氣體是可壓縮性流體，壓力降低時體積急劇膨脹，因此進行流道設計時要將套筒窗口流通截面即小孔直徑從下到上逐級放大。另外孔的列數取偶數，有利于介質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。套筒結構如圖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,可調式減壓閥,水減壓閥減壓閥的噪聲估計與改進設計腐蝕和磨蝕雖然空化破壞*是力學現象，但也和腐蝕與磨蝕相關。在空化腐蝕中，噴射流或者震動波會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，下面的基材會被消耗來形成新的鈍化層，長此以往，會造成在空化發生處的金屬物料相當可觀的損失。見圖3。圖3 鈍化層的破壞和修復

空化現象以及空化腐蝕引起的磨蝕，會使金屬材料的損耗和破壞大量增加。金屬材料會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。二者關系如下：
ε=KVn （1）
其中，ε為物料損失量；K為常數；V為流體速度；n為磨損系數。磨損系數在由空化腐蝕產生的磨蝕工況下，可選到7，而在常規磨蝕的工況下，通常為2.5左右。磨損也和材質有很大關系，不銹鋼的耐磨性能要比碳鋼好一些。在空化現象存在的工況下，需要格外注意選擇正確的閥芯類型和材質，以避免空化腐蝕引起的磨蝕。
由公式1可知：
1）通過選用多級降壓的閥芯來降低閥門內的流體速度，使流體通過閥芯時的速度降到低；
2）通過選用不銹鋼或硬化處理的材質可以減少磨損。
3 空化和噪音
空化現象發生的強度取決于閥門的型號和壓力等級，所以要簡單地給出一個不會發生空化現象的流體的界限很困難。因此，結合噪音等級和臨界壓力降來預測空化現象的發生是更為合理的方式。
空化現象造成機械損壞的取決因素很多。一些不同的參數會影響空化破壞的程度，比如，閥門選用的材料、流體特質、管路布置以及流體可能所含的固體顆粒等。發生空化現象時，閥門內的壓力降叫做是臨界壓力降。當實際的閥門內壓力降等于或大于計算得到的臨界壓力降，同時下游壓力比液體氣化壓力來得更高時，空化現象所引起的破壞便很有可能真實發生，任何防護手段都應當考慮被使用。
另一方面，圖4表明空化現象其實在臨界壓力降到達之前就已經開始發生，圖中曲線表示了一臺閥門的聲音壓力等級（soundpressurelevel，SPL）與（P1–P2）/（P1–Pv）的比率的關聯。可以看到，在層流區域，噪音等級很低，而在接下來的紊流區域，曲線會緩和地上升，當流體壓差到達一個特定值（ΔP=Z（P1-Pv））時，聲壓曲線開始快速上升。閥門初始空化壓力系數Z對應的是空化發生初期，Z是由制造商在實驗室環境下測得的流體噪音所決定的。這些參數通常會在閥門制造商的選型文件中體現。此時聲音壓力曲線上升的原因就是空化現象的發生。從實驗室的測試中可以發現聲壓曲線開始上升要早于流體中的氣泡被實際觀察到。



圖4 聲壓曲線
當閥門壓差ΔP接近于臨界壓力降ΔPT時，聲音壓力曲線會達到大值。從圖中可知，此時，如果繼續增加（P1–P2）/（P1–Pv）的比率，將會使聲壓曲線再次降低。關于這點，可參見VDMA24422（1979）的標準，該標準的測定點在于閥門下游1米處，其他標準也有類似規定。當閥門空化現象發生嚴重時，空化產生的氣泡會在遠離閥門的下游管路中發生破裂。這就是為什么VDMA24422（1979）說聲壓曲線會降低的原因。噪音不會消失，只是移動到了另一個地方（下游管路）中。所以即便氣泡的數量是增加的，但氣泡破裂發生的區域距離越長，噪音的強度也就越弱。從另一方面講，當閥門壓差越大，流體會越接近于氣液混合的形態。
一臺在流體為液態工況下工作的閥門產生噪音，通常是發生了空化現象。空化產生的氣泡破裂引起了令人煩惱的噪音，而噪音的等級和空化現象的強度直接相關。在空化現象早期階段，噪音的聲響就像沙子通過閥門。當通過閥門的壓差增大時，空化強度也會相應增加，嚴重的空化伴隨著劇烈的噪音也就產生了。空化噪音可以被地預估，因此，噪音等級便是空化引起的機械破壞的一個很好的指標。引起使閥門或管路受損的機械破壞的壓力降取決于閥門類型、尺寸以及材質。大量的研究表明壓力恢復系數越低的閥門，越接近于達到臨界壓力降，同時不引起空化破壞現象。也就是說壓力恢復系數越低的閥門更可能達到臨界壓力降。當然，當ΔP>ΔPT時，并不總意味著破壞的產生。當閥門上下游壓差很小時，空化現象可能來不及發生。腐蝕當然也是一個重要系數，這取決于所選用的閥門材質以及流體介質。所以，當預估空化現象發生的強度時，有兩個系數需要被考慮。
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選擇很重要）；
2）閥門的噪音等級不能超過表1中所給定的值。
表1 噪音等級值



有一點需要特別指出，即使聲壓等級低于表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，閥門依然有可能發生嚴重的空化現象。圖1 套筒結構圖閥芯結構采用平衡式。平衡閥芯和非平衡閥芯相比，可以減少介質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，配合閥芯上的導向槽，來控制閥芯徑向旋轉并對軸向運動行程進行限位，具體結構圖如圖2所示。

減壓閥的噪聲估計與改進設計


圖2 套筒和閥芯裝配圖

        4 實驗與結論
        空化現象的爆破力足以使閥內部件（特別是閥芯）遭到極其嚴重的破壞，嚴重的空化作用只需幾小時調節閥就損壞了，以致于調節過程失控，產生重大安全事故。因此，在進行控制工程設計時，應充分考慮到防止空化現象的出現。特別對高壓力降工況、低揮發性介質控制的場合，在防止空化作用方面要給予足夠的重視。按照GB/T12245-2006減壓閥性能試驗方法進行試驗，出廠試驗項目主要包括殼體強度、密封性能和調壓性能[10]。經過100-110kg冷水打壓實驗，閥門開度和流量特性曲線滿足等百分比關系。考慮到閥門在啟閉和小流量開度時，高壓差全部集中在閥芯和閥座的密封面上，高速流體會對密封面造成嚴重沖刷，甚至產生空化氣蝕。為了保護閥內件不受損壞，延長閥門的使用壽命，特設計5%以下的行程為空行程。與本產品相關論文：波紋管減壓閥波紋管材料