低噪聲閥門設(shè)計原理及閥門噪聲控制分析

莢春龍

摘要：在流體運輸過程中，閥門是主要調(diào)節(jié)元件，具有調(diào)節(jié)流體流動方向、流通面積等作用。基于閥門的獨特作用，在使用期間易產(chǎn)生噪聲，引發(fā)噪聲污染。低噪聲閥門的設(shè)計與閥門噪聲控制措施的應(yīng)用，可有效控制閥門產(chǎn)生的噪聲，保障流體系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

關(guān)鍵詞：噪聲;閥門;閥芯

0? 引言

在閥門運行過程中，噪聲的出現(xiàn)往往伴隨著振動，會降低閥門的性能，縮短閥門的使用壽命，還會對閥門附近管路與設(shè)備造成影響，加大其疲勞值，加速管路與設(shè)備的老化，甚至?xí)a(chǎn)生安全事故?？梢?，關(guān)于低噪聲閥門的設(shè)計與噪聲控制研究，具有鮮明現(xiàn)實意義。

1? 低噪聲閥門設(shè)計原理

1.1 閥門噪聲來源

在閥門運行中，噪聲來源包括以下三類：

第一，液體動力噪聲。管路中液體流動過程中，會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，氣泡爆炸會產(chǎn)生噪聲，還會形成沖擊波，導(dǎo)致閥門及管路出現(xiàn)振動，縮短其使用壽命。該噪聲的產(chǎn)生原理如下：在流體中某點靜壓力值低于蒸汽壓力與閥縮面后，壓力降至流體蒸汽壓力時，會出現(xiàn)氣泡;當(dāng)帶有氣泡的流體通過閥門時，壓力增加，超過液體的蒸汽壓力，氣泡會破裂爆炸，出現(xiàn)噪聲。

第二，空氣動力噪聲，在氣體或蒸汽處于紊流狀態(tài)時，會產(chǎn)生一定沖擊力，與閥門后的靜止氣流形成相互作用，產(chǎn)生氣流壓強(qiáng)脈動頻率，當(dāng)頻率數(shù)值增加至人體可聽范圍時，即出現(xiàn)空氣動力噪聲。

第三，流體上方噪聲，管路內(nèi)的流體介質(zhì)具備一定聲音傳播能力，可能會傳播閥門周圍運行環(huán)境的噪音或設(shè)備產(chǎn)生的噪音，使噪聲傳播至閥門處，產(chǎn)生閥門噪聲[1]。如艦艇中配置的吸入式通海閥，會傳播海水因沖擊產(chǎn)生的噪聲，對艦艇閥門與設(shè)備造成不利影響。

1.2 低噪聲閥門設(shè)計

1.2.1 低噪聲閥門設(shè)計思路

結(jié)合閥門噪聲來源，低噪聲閥門的設(shè)計可從噪聲來源與噪聲傳播途徑兩方面入手，減弱閥門噪聲，規(guī)避其不利影響。

在基于噪聲來源的閥門設(shè)計中，設(shè)計人員可結(jié)合液體動力噪聲與空氣動力噪聲的出現(xiàn)原理，對閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少閥門噪聲的產(chǎn)生。細(xì)化來說，設(shè)計人員可從以下幾方面入手：①優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員需盡最大限度保障閥門結(jié)構(gòu)的通暢性，確保流體可順利通過閥門結(jié)構(gòu)，避免閥門內(nèi)存在過多障礙物，引發(fā)流體動力噪聲;②優(yōu)化閥門零件，設(shè)計人員可在閥門結(jié)構(gòu)中應(yīng)用帶有平行窄槽的閥籠，降低氣體紊流現(xiàn)象的出現(xiàn)概率，控制空氣動力噪聲。

在基于噪聲傳播的閥門設(shè)計中，設(shè)計人員可結(jié)合噪聲傳播方式，設(shè)置阻尼，減弱閥門噪聲傳播。結(jié)合閥門的運行環(huán)境可知，閥門噪聲傳播的主要途徑為閥體壁及流體。設(shè)計人員可選擇具備吸收噪音功能的材料作為閥門原材料，在閥門結(jié)構(gòu)中配置吸聲裝置與減振裝置，降低閥體壁的噪聲傳播效果。同時，在閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計中，和直管通路相比，彎管可適當(dāng)減弱噪聲。為此，設(shè)計人員可在流體管路的出口區(qū)域，將管路進(jìn)行彎折90°處理，控制噪聲傳播。

同時，在閥門設(shè)計中，部分閥門會在特定位置產(chǎn)生噪聲，需設(shè)計人員進(jìn)行針對性閥門設(shè)計優(yōu)化，如直線型截止閥、高壓空氣減壓閥等。在實際應(yīng)用中，直線型截止閥的開度在28%左右時，會產(chǎn)生離散信號，引發(fā)噪聲，設(shè)計人員可通過閥盤底部凸緣結(jié)構(gòu)的設(shè)置，預(yù)防離散振動波，防止噪聲出現(xiàn);高壓空氣減壓閥的主閥盤易產(chǎn)生噪聲，設(shè)計人員可在主閥盤位置配置彈性結(jié)構(gòu)，用于緩沖主閥盤的運動，減少噪聲的出現(xiàn)[2]。

1.2.2 低噪聲閥門設(shè)計案例

本文以高壓差調(diào)節(jié)閥為例，分析低噪聲閥門的設(shè)計要點，為相關(guān)人員提供實踐參考。

第一，高壓差調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在基于噪聲來源的低噪聲閥門設(shè)計原理指導(dǎo)下，設(shè)計人員優(yōu)化閥門內(nèi)部壁面曲線弧度、節(jié)流口與進(jìn)出口的形狀，提高閥門結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流暢度，形成良好的引流面，確保流體在閥門內(nèi)保持穩(wěn)定流動狀態(tài)，防止流體動力噪聲及空氣動力噪聲的出現(xiàn)。同時，對于高壓差調(diào)節(jié)閥而言，如果調(diào)節(jié)閥前后單級壓差過大，會引發(fā)汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致空氣動力噪聲，設(shè)計人員需擴(kuò)大閥門及閥芯內(nèi)的節(jié)流區(qū)面積，或在閥門結(jié)構(gòu)中配置多層節(jié)流裝置，如迷宮式減壓閥芯、多座式減壓閥芯等，降低流體在閥門內(nèi)的流速，實現(xiàn)低噪聲閥門的設(shè)計。

第二，高壓差調(diào)節(jié)閥的參數(shù)優(yōu)化。在高壓差調(diào)節(jié)閥運行中，如果產(chǎn)生的噪聲相對較小，技術(shù)人員要想進(jìn)一步減少閥門噪聲，可通過閥門運動零件與定位零件的剛度調(diào)節(jié)，提高閥門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少噪聲的產(chǎn)生。對于閥門結(jié)構(gòu)來說，運動零件包括傳動裝置與定位器彈簧;定位零件包括閥桿、閥芯，設(shè)計人員可重點提升這四類零件的剛度，實現(xiàn)低噪聲閥門設(shè)計。同時，在閥門結(jié)構(gòu)中，閥門壁的厚度也會影響閥門噪聲，設(shè)計人員適當(dāng)提高閥門壁的厚度，減少閥門噪聲。

第三，高壓差調(diào)節(jié)閥的材料優(yōu)化。在基于噪聲傳播的低噪聲閥門設(shè)計原理指導(dǎo)下，設(shè)計人員合理選擇高壓差調(diào)節(jié)閥的材料，提高閥門結(jié)構(gòu)的抗汽蝕能力，實現(xiàn)降低噪聲的目的。對于一般管路設(shè)備，高壓差調(diào)節(jié)閥可使用不銹鋼材料;對于特殊要求的管路設(shè)備，可采用鈷鉻硬質(zhì)合金。同時，因汽蝕現(xiàn)象通常出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)的表面，設(shè)計人員可在閥門設(shè)計環(huán)節(jié)，對閥門表面進(jìn)行硬化處理。例如，在閥門的閥芯和閥桿等位置，使用奧氏體不銹鋼或鈷鉻鎢合金等材料，進(jìn)行表面堆焊或表面噴鍍處理，避免空氣動力噪聲的出現(xiàn)與傳播。

2? 閥門噪聲控制措施

在閥門運行中，噪聲產(chǎn)生與傳播機(jī)制較為復(fù)雜，影響因素過多。即使使用低噪聲閥門，也可能在閥門運行期間產(chǎn)生噪音。針對該現(xiàn)象，企業(yè)需結(jié)合閥門噪聲狀況，采取針對性控制措施，盡最大限度減少閥門噪聲，保障閥門、管路、設(shè)備穩(wěn)定運行。

2.1 優(yōu)化管路與設(shè)備配置

在閥門、管路與設(shè)備配置中，三種設(shè)備零件的質(zhì)量與參數(shù)規(guī)格，均會影響流體流動效果，進(jìn)而影響閥門噪聲。嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)安全事故，對企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。就此，在閥門噪聲控制中，企業(yè)需進(jìn)一步優(yōu)化閥門、管路與設(shè)備的配置工作，具體可從以下兩方面入手：

①在閥門優(yōu)化配置中，部分企業(yè)的流體流動條件較為特殊，提高閥門運行工況的復(fù)雜性，對閥門結(jié)構(gòu)有特殊要求。針對該現(xiàn)象，企業(yè)技術(shù)人員需在選擇低噪聲閥門的基礎(chǔ)上，對閥門進(jìn)行優(yōu)化處理，實現(xiàn)閥門噪聲的全面管控。常見的閥門復(fù)雜運行工況包括高溫高壓的運行環(huán)境、流體介質(zhì)中帶有雜質(zhì)或腐蝕性物質(zhì)、對閥門噪音有明確要求等，技術(shù)人員需從多角度入手，分析選擇的閥門是否滿足特殊工況的安全運行要求。例如，在大壓差、大流速運行工況下，技術(shù)人員可在流體系統(tǒng)中優(yōu)先選擇多級套筒式調(diào)節(jié)閥門或迷宮式調(diào)節(jié)閥門，避免流體流動時產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，控制空氣動力噪聲;在高溫高壓運行工況下，閥門的材料力學(xué)性能會降低，且閥門中的傳動結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)空隙縮小，間隙變小，導(dǎo)致閥門出現(xiàn)磨損現(xiàn)象、振動現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致閥門失效，技術(shù)人員需在該工況下優(yōu)先選擇高溫調(diào)節(jié)閥。

②在管路、設(shè)備優(yōu)化配置中，結(jié)合閥門噪聲來源，企業(yè)技術(shù)人員可從以下幾方面入手，控制閥門噪聲：

1）在水泵出口位置，將傳統(tǒng)止回閥更換為緩閉止回閥，控制閥門關(guān)閉的速度，避免止回閥快速關(guān)閉引發(fā)噪聲;

2）在管路中配置泄壓保護(hù)閥，該閥門可在管路壓力超過額定保護(hù)值的情況下，自動開啟排水口，進(jìn)行泄壓處理，降低管路壓力，保障流體穩(wěn)定流動，控制閥門噪聲;

3）技術(shù)人員可在水泵和止回閥間安裝自動排氣閥，該閥門可自動排出管路內(nèi)的空氣，確保水泵開啟前，管路內(nèi)充滿流體，提高流體流動穩(wěn)定性，避免空氣動力噪聲的出現(xiàn);

4）在管路設(shè)計時，結(jié)合相關(guān)規(guī)范與流體特征，設(shè)置管路流速，并根據(jù)工程造價與管路運行環(huán)境，設(shè)置管徑，通過管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，防控閥門噪聲;

5）在管路中配置安全氣壓罐，該設(shè)備可根據(jù)管路壓力數(shù)值，進(jìn)行管路高壓的吸收與管路低壓的補(bǔ)水處理，保障管路內(nèi)水壓的穩(wěn)定，避免噪聲的出現(xiàn)。

2.2 加強(qiáng)閥門運維管理

在閥門應(yīng)用過程中，企業(yè)開展的閥門運維保養(yǎng)與日常管理工作，會影響閥門的運行狀態(tài)與質(zhì)量，進(jìn)而影響閥門噪聲。為有效防控閥門噪聲，企業(yè)在管理閥門時，需做到以下幾點：

①技術(shù)人員在對閥門進(jìn)行開、關(guān)等操作時，需控制閥門操作的速度與力度，以均勻的速度緩慢操作閥門，適當(dāng)延長閥門操作的時間，可控制閥門產(chǎn)生的汽蝕現(xiàn)象或振動現(xiàn)象，進(jìn)而實現(xiàn)控制噪聲的目的。

②技術(shù)人員在開啟水泵時，需控制水泵出口區(qū)域閥門的開度，要求閥門不可全部開啟，避免閥門開度過大，水泵傳輸?shù)乃w產(chǎn)生較大沖擊力，引發(fā)噪聲。

③定期進(jìn)行設(shè)備清理工作，清理范圍包括閥門的閥體、閥芯、閥座密封面及閥芯節(jié)流孔等，確保閥門結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流通性，避免閥門結(jié)構(gòu)出現(xiàn)堵塞或腐蝕等現(xiàn)象，影響閥門正常運行，導(dǎo)致閥門出現(xiàn)噪聲。

④在閥門日常檢查中，需將閥門密封盤根及密封圈納入檢查范圍，確保閥門保持良好的密封性。如果檢查中發(fā)現(xiàn)閥門的密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞，需立即更換零件。

⑤在閥門運行過程中，技術(shù)人員需定期向閥門的傳動裝置及導(dǎo)向裝置添加潤滑油，保障閥門運動結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運行，提高閥門整體運行的穩(wěn)定性，防止流體動力噪聲的出現(xiàn)[3]。

另外，在閥門使用中，閥門供應(yīng)商的零件加工精度，也會對閥門噪聲產(chǎn)生影響?；陂y門噪聲來源，閥門結(jié)構(gòu)內(nèi)的粗糙度與流道壁面存在的毛刺現(xiàn)象，會引發(fā)紊流現(xiàn)象，引發(fā)空氣動力噪聲。就此，供應(yīng)商在進(jìn)行閥門加工時，需提高加工精度;企業(yè)在采購閥門零件時，需做好質(zhì)量檢驗工作，對閥門內(nèi)部粗糙度較高或流道壁面存在毛刺的零件，進(jìn)行返廠處理，避免不合格閥門用于管路，實現(xiàn)閥門噪聲的有效控制。

3? 結(jié)論

綜上所述，閥門噪聲包括液體動力噪聲、空氣動力噪聲、流體上方噪聲三部分。結(jié)合噪聲來源，設(shè)計人員可從噪聲來源和噪聲傳播途徑兩方面入手，設(shè)計低噪聲閥門。在閥門噪聲控制中，企業(yè)可從管路與設(shè)備配置優(yōu)化、閥門運維管理兩方面入手，減少閥門產(chǎn)生的不利影響，保障閥門與管路、設(shè)備的長期穩(wěn)定可靠運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐號鐘，唐科范.閥門流動噪聲源識別與控制研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯），2019，34（05）：559-570.

[2]方超，馬士虎，蔡標(biāo)華，等.高壓差流量調(diào)節(jié)閥流道低噪聲優(yōu)化設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（07）：147-151.

[3]方超，蔡標(biāo)華，馬士虎，等.基于系統(tǒng)配置的船舶注水系統(tǒng)噪聲控制研究[J].船舶工程，2018，40（03）：41-44，61.