調節閥噪音的控制方法
通過(guò)分析調節閥噪音的幾種來(lái)源，指出阻塞流引起的閃蒸和氣蝕是產(chǎn)生流體動(dòng)力學(xué)噪音的根源。利用圖形分析了阻塞流引起閃蒸和氣蝕的機理，詳述閃蒸和氣蝕工況調節閥噪音的各種控制方法。
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)。通常要求調節閥的噪音低于85dB(即在距離閥門(mén)出口下游1m的管道壁向外1m處測得的噪音值)。超過(guò)85dB的噪音嚴重影響交流，并會(huì )對聽(tīng)力造成損害。
1、調節閥的噪音來(lái)源
調節閥主要有三種噪音來(lái)源：
(1)自身振動(dòng)產(chǎn)生的噪音。介質(zhì)流過(guò)調節閥會(huì )對閥芯產(chǎn)生沖刷，使閥芯不穩定產(chǎn)生橫向運動(dòng)甚至與設備一起產(chǎn)生共振。由于調節閥使用中自身的振動(dòng)是難免的，因此這類(lèi)噪音的產(chǎn)生也不可避免。安裝時(shí)注意盡量將調節閥正立安裝于水平管道上減少由于閥芯不穩而產(chǎn)生的噪音，通常這類(lèi)噪音值很小，造成影響不大。
(2)空氣動(dòng)力學(xué)噪音。介質(zhì)在流經(jīng)調節閥的縮流斷面時(shí)，由于縮流斷面的阻擋使流路突然改變而出現紊流，同時(shí)介質(zhì)流速發(fā)生變化，液體的機械能部分轉換為聲能而產(chǎn)生的噪音稱(chēng)為空氣動(dòng)力學(xué)噪音。由于調節閥在減壓時(shí)引起液體紊流不可避免，因此空氣動(dòng)力學(xué)噪音不能完全消除。通常這類(lèi)噪音值也很小，造成影響不大。
(3)流體動(dòng)力學(xué)噪音。流體在調節閥中流速過(guò)快形成阻塞流。阻塞流是指不可壓縮或可壓縮流體在流過(guò)調節閥時(shí)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(shí)，流經(jīng)調節閥的流量會(huì )增加到一個(gè)最大極限值，再繼續降低閥后壓力，流量將不再增加，這個(gè)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(shí)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，調節閥由于自身振動(dòng)及空氣動(dòng)力學(xué)原因產(chǎn)生的噪音都很小，并且不可能完全消除，通常將調節閥的噪音控制至85dB以下，主要是針對流體動(dòng)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(huì )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)調節閥時(shí)壓力和流速的關(guān)系
液體流經(jīng)調節閥是液體勢能和動(dòng)能之間的轉化，體現在外就是壓力和流速之間的轉化，即壓力降低，流速增加;壓力增加，流速降低。此過(guò)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)調節閥時(shí)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(diǎn)處液體壓力。
圖1 液體流經(jīng)調節閥時(shí)壓力和流速間的關(guān)系
液體流經(jīng)調節閥最大流道縮頸處前由于調節閥的調壓作用壓力一直降低，流速一直增加。經(jīng)過(guò)最大流道縮頸處后，流速由于慣性不會(huì )馬上降低，會(huì )繼續升高。流束會(huì )繼續變細收縮，流束的最小斷面出現在調節閥實(shí)際縮頸的下游處，此處稱(chēng)為縮流斷面點(diǎn)，壓力為PVC�？s流斷面點(diǎn)處流速最大，壓力最低。經(jīng)過(guò)縮流斷面點(diǎn)后，隨著(zhù)流束擴展進(jìn)入更大區域，流速降低，壓力逐漸升高。由于調節閥的背壓，閥后的壓力不會(huì )恢復到閥前壓力，閥門(mén)兩側的壓損ΔP表示液體流經(jīng)調節閥時(shí)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以下并且調節閥的出口壓力P2沒(méi)有恢復到液體的飽和蒸汽壓力PV之上(即PVC
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(shí)，液體為液態(tài);當壓力低于飽和蒸汽壓力時(shí)，液體為汽態(tài);當壓力等于飽和蒸汽壓力時(shí)，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節閥的出口壓力P2恢復到高于其液體的飽和蒸汽壓力PV(即PVCPV)，就會(huì )有大量的泡沫產(chǎn)生并爆炸，這種現象為氣蝕。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(jiàn)圖3。
圖3、阻塞流發(fā)生氣蝕示意圖
3、調節閥的噪音控制
3.1、閃蒸工況調節閥的噪音控制
阻塞流流經(jīng)調節閥發(fā)生閃蒸時(shí)，下游產(chǎn)生的氣泡會(huì )對調節閥的閥芯產(chǎn)生沖刷，受沖刷的閥芯表面會(huì )有平滑拋光的外形，此過(guò)程伴有大的噪音產(chǎn)生。
從調節閥發(fā)生閃蒸的機理(PVC
(1)將閥座及閥芯表面進(jìn)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(lái)提高受沖刷部位的硬度。
(2)將閥座及閥芯表面進(jìn)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(jìn)行滲氮處理，提高其表面硬度和耐磨性、耐腐蝕性。
通過(guò)對調節閥表面硬化處理可提高調節閥硬度，增強調節閥抗閃蒸“沖刷”的能力，相應的噪音也會(huì )降低5～10dB。為進(jìn)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。相同口徑的調節閥，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(shí)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在調節閥后加裝在線(xiàn)消音器，在線(xiàn)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、氣蝕工況調節閥的噪音控制
阻塞流流經(jīng)調節閥發(fā)生氣蝕時(shí)，產(chǎn)生的氣泡在接觸閥門(mén)的部位破裂，氣泡破裂釋放的能量會(huì )慢慢地撕裂材料，并在與調節閥接觸的部位留下類(lèi)似于煤渣的粗糙表面。此過(guò)程會(huì )產(chǎn)生如同砂石流過(guò)調節閥時(shí)發(fā)出的噪音。
氣蝕有兩種方法來(lái)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)選用低恢復的調節閥。從氣蝕發(fā)生的機理(PVCPV)看，如果選用的閥門(mén)PVC>PV，就可以避免氣蝕的發(fā)生。通常低恢復的調節閥可以做到這點(diǎn)。
恢復系數Km高的閥稱(chēng)為低恢復閥�；謴拖禂礙m低的閥稱(chēng)為高恢復閥。每種類(lèi)型的閥都有自己的Km值，恢復系數Km是用于衡量縮流斷面處壓力PVC和閥門(mén)出口壓力P2之間的壓力恢復尺度的一個(gè)值，其計算公式為：
由此公式可看出，(P1-P2)不變時(shí)PVC升高，則Km升高，所以合理選用高Km值(即低恢復)的調節閥使PVC>PV，可避免氣蝕發(fā)生。同理高恢復閥，指恢復系數Km低的閥，不適合應用于氣蝕的工況。
通常球形閥，流開(kāi)角形閥都是低恢復閥，適宜在有氣蝕的工況選用;而球閥、蝶閥都是高恢復閥，不適宜應用于氣蝕工況。
(2)采用具有高壓多級減壓內件的調節閥。
這種調節閥內件具有將通過(guò)閥門(mén)的壓降分成數個(gè)較小的壓降和確保每個(gè)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表面與氣泡隔離開(kāi)，并硬化處理會(huì )受到氣蝕沖擊的閥芯及閥座表面，同時(shí)在閥體出口處加襯套管來(lái)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計防止了液體在閥體內壁上的沖撞，保護了調節閥受沖刷部位，同時(shí)減弱了部分噪音。
(2)閥后加消音器來(lái)分壓及分噪音。這種方法實(shí)質(zhì)是將氣蝕工況轉化為閃蒸工況來(lái)處理，所以應用中需同時(shí)對閥內件做硬化處理以保護調節閥。
4、結語(yǔ)
調節閥的嚴重噪音不僅污染工廠(chǎng)環(huán)境而且會(huì )使調節閥產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì )損壞調節閥的閥芯及閥座。而調節閥的損壞可能會(huì )引起調節回路故障、聯(lián)鎖故障以及裝置產(chǎn)品質(zhì)量不合格等一系列問(wèn)題。因此，有效地控制調節閥噪音會(huì )讓我們的生產(chǎn)更安全、環(huán)境更美好。
