閥門振動噪聲分析與預(yù)防措施

鄧 君

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲412000）

0 引言

閥門是流體輸送系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)元件，能夠改變流體流動方向和流通面積，具有截止、導(dǎo)流、分流、泄壓等功能，在水利、電力、制造、冶金、石油等行業(yè)應(yīng)用廣泛。隨著科技進(jìn)步，對閥門的使用要求也越來越高，振動和噪聲作為閥門最明顯的問題之一，在實(shí)際工作中會影響閥門自身以及所連接管路和設(shè)備的使用壽命，甚至直接造成損害而發(fā)生安全事故。并且閥門噪聲已經(jīng)成為許多工廠主要污染之一，對工人和附近居民造成了嚴(yán)重影響。

1 閥門振動噪聲來源以及產(chǎn)生原因

聲音是由振動而產(chǎn)生，而振動在彈性介質(zhì)中的傳播形式就是聲波，在實(shí)際工況下，閥門發(fā)出噪聲時也總是伴隨著劇烈振動，因此要綜合閥門噪聲和振動產(chǎn)生的具體原因來分析。下面從機(jī)械振動、流體動力學(xué)和水錘影響幾個方面來分析。

1.1 機(jī)械振動原因

閥門機(jī)械振動產(chǎn)生的噪聲具體可以分為閥門整體振動噪聲和閥門內(nèi)部零件振動噪聲。閥門整體振動是由閥體所在流體輸送管道或閥座產(chǎn)生振動所引起。閥門內(nèi)部零件振動與其內(nèi)部零件加工、裝配精度以及磨損程度有關(guān)，各零件之間的間隙會導(dǎo)致零件在流體沖撞時產(chǎn)生振動。特別是當(dāng)外部頻率與閥體自身固有頻率接近或相同時，會產(chǎn)生達(dá)到3 000～7 000Hz頻率的劇烈共振。這個振動頻率已經(jīng)可以產(chǎn)生嚴(yán)重的振動噪聲，并會對閥門閥體和內(nèi)部零件造成疲勞損害。

1.2 流體動力學(xué)原因

當(dāng)流體通過閥門時，流道形狀改變會導(dǎo)致流體流動狀況發(fā)生變化，產(chǎn)生湍流和渦流，從而引發(fā)閥體振動和噪聲，不過湍流噪聲一般比較小，對于液體介質(zhì)甚至可以不做考慮。

在閥芯節(jié)流口處，閥門內(nèi)部流通面積發(fā)生改變會導(dǎo)致流體流速與壓力發(fā)生劇烈變化，當(dāng)流體靜壓低于流體介質(zhì)的汽化壓力時，流體介質(zhì)就會發(fā)生汽化也就是閃蒸現(xiàn)象。而隨著管路靜壓升高，氣泡發(fā)生破裂，會產(chǎn)生汽蝕噪聲，汽蝕噪聲在大壓降調(diào)節(jié)閥中普遍存在。

渦流和汽蝕噪聲頻率相對復(fù)雜而且隨機(jī)性高，噪聲頻譜成寬帶分布，很容易引起閥門內(nèi)部傳動或?qū)蛄慵l(fā)生共振，從而帶動整個閥門發(fā)生劇烈振動。

1.3 水錘影響

水錘是指在流體輸送管道中，由于閥門或水泵突然啟閉，穩(wěn)定流動的流體介質(zhì)被快速中斷，流體壓力發(fā)生急劇變化。水壓突然升高會對閥門和管路產(chǎn)生較大沖擊，甚至造成閥門和管路破裂。而當(dāng)外排管路中放空閥門突然關(guān)閉時，閥門出口側(cè)壓力會驟然降低甚至形成高度真空，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的空化現(xiàn)象，甚至?xí)构苈钒T塌。

2 閥門振動和噪聲的預(yù)防

因?yàn)殚y門振動和噪聲產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，所以為了減少振動和噪聲，在閥門設(shè)計(jì)、加工、選用以及配套設(shè)備布置時都要進(jìn)行綜合分析。

2.1 合理設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)閥門時，要分析不同的使用工況和需求，合理設(shè)計(jì)能夠大幅減少閥門噪聲和振動。

（1）合理設(shè)計(jì)高壓差調(diào)節(jié)閥。通常可以把額定壓力PN≥16 MPa的調(diào)節(jié)閥認(rèn)為是高壓差調(diào)節(jié)閥，對高壓差調(diào)節(jié)閥影響最大的并不是高靜壓，而是調(diào)節(jié)閥前后壓差大，壓差過大很容易引起流體介質(zhì)對閥體和閥芯沖蝕和汽蝕。設(shè)計(jì)高壓差調(diào)節(jié)閥時，要盡量增長閥內(nèi)以及閥芯節(jié)流區(qū)或者采用多層節(jié)流裝置，例如采用多座式調(diào)節(jié)閥芯、迷宮式減壓閥芯、多級套筒減壓閥芯。圖1是一種常見的迷宮式調(diào)節(jié)閥閥芯，這種閥芯可以有效控制流經(jīng)閥芯內(nèi)流體流速，起到抑制汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的作用，從而明顯減少振動和噪聲產(chǎn)生。

圖1 迷宮式調(diào)節(jié)閥閥芯

但是在大壓差、高流速的工況中，調(diào)節(jié)閥難以完全消除汽蝕，而閥芯和閥桿又較容易受到汽蝕破壞，從而導(dǎo)致傳動和導(dǎo)向間隙變大、閥芯偏心和不平衡等后果，進(jìn)而引發(fā)不必要的振動。為了提高抗汽蝕能力，可以為易受汽蝕影響的關(guān)鍵零件選用抗汽蝕能力強(qiáng)的材料。一般情況下，可以選用綜合性能好的不銹鋼，當(dāng)汽蝕特別嚴(yán)重時，可以選用硬度更高、具有良好抗汽蝕能力的鈷鉻硬質(zhì)合金，但其成本高、加工性較差，所以使用范圍受到限制。由于汽蝕一般都發(fā)生在零件金屬表面，所以可對易受汽蝕影響的零件表面做表面硬化處理，比如在閥芯和閥桿表面噴鍍或堆焊，可采用材料主要有司特立合金、奧氏體不銹鋼和低碳馬氏體不銹鋼等［1］。表面處理后，該零件抗汽蝕和沖蝕能力可提高10倍以上。

（2）當(dāng)振動和噪聲較小時，可以提高閥桿、閥芯、傳動裝置和定位器彈簧等運(yùn)動和定位機(jī)構(gòu)的剛度，運(yùn)動、定位結(jié)構(gòu)剛度提高可明顯提高其穩(wěn)定性，從而明顯減少振動。

（3）合理設(shè)計(jì)閥門內(nèi)部壁面曲線弧度及節(jié)流口、進(jìn)出口形狀。閥內(nèi)不合理的引流面形狀會導(dǎo)致紊流和渦流產(chǎn)生，嚴(yán)重時會加重汽蝕影響。在設(shè)計(jì)時盡量避免突兀過渡和非流線造型，良好的引流面可使流體流動狀態(tài)保持平穩(wěn)，而且對節(jié)流件形狀尺寸做較小程度改變就可以有效改變流體流動引起的振動頻率，在共振不太強(qiáng)烈時，可起到明顯的抑制作用。

（4）增加閥門壁厚和流體管路壁厚，可明顯減少閥門振動和噪聲的產(chǎn)生及傳播。在不方便更換閥門和流體管路時，可在其表面覆蓋隔音材料，能有效吸收大部分噪音。

2.2 提高加工和裝配精度

適當(dāng)提高閥門內(nèi)部零件的加工精度，降低閥門內(nèi)壁面粗糙度以及減少閥門內(nèi)部流道壁面毛刺，可減少因壁面粗糙引起的流阻損失和紊流。提高傳動、導(dǎo)向零件裝配精度，減小不必要的配合間隙，避免因零件不同心和不平衡引起的振動。

2.3 合理選用、布置閥門及其配套流體輸送管路設(shè)備

閥門及其配套流體輸送管路設(shè)備選擇不當(dāng)，會造成閥門及管路產(chǎn)生振動和噪聲，嚴(yán)重時甚至?xí)斐砷y門和管路損壞而發(fā)生安全事故。

選擇閥門時，在工況特殊或有額外要求時，例如，高溫高壓的工作條件、流體介質(zhì)中含有雜質(zhì)或有腐蝕性、低噪音工作要求等，要綜合各方面因素來考慮設(shè)計(jì)是否合理。在大壓差、大流速場合下，一般要選擇多級套筒式調(diào)節(jié)閥或迷宮式調(diào)節(jié)閥來抑制汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。在高溫環(huán)境下，因?yàn)椴牧狭W(xué)性能降低且傳動、導(dǎo)向間隙變小，會加速閥門磨損從而引起振動甚至失效，所以必須要考慮選用合適的高溫調(diào)節(jié)閥［2］。

在布置流體輸送管路時，為避免產(chǎn)生水錘而引起閥門和管路振動噪聲，可采取以下措施：（1）水泵出口處的止回閥應(yīng)選擇緩閉止回閥，防止止回閥快速關(guān)閉而產(chǎn)生水錘；（2）在泵和止回閥之間布置自動排氣閥，可排出管道內(nèi)空氣，保證開啟水泵前管道內(nèi)能充滿水；（3）安裝泄壓保護(hù)閥或水錘消除器，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定保護(hù)值時，排水口會自動打開泄壓；（4）布置輸水管路時盡量保證管路平緩，盡量避免出現(xiàn)突峰或大角度突變；（5）安裝安全氣壓罐，安全氣壓罐可隨著管路中壓力變化向管道補(bǔ)水或吸收管路中過高壓力，從而保證供水管路水壓平穩(wěn)；（6）管路設(shè)計(jì)流速不宜過大，設(shè)計(jì)管徑大小時要結(jié)合預(yù)防水錘、管路和水泵鋪設(shè)的工程造價(jià)來綜合考慮。

2.4 注意閥門日常使用和維護(hù)

在日常使用中，正確使用和維護(hù)，使閥門處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，不僅關(guān)系閥門及整個系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，還影響閥門使用壽命及其工作可靠性［3］。主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）開、關(guān)閥門的動作應(yīng)緩慢而勻速，適當(dāng)延長閥門開啟和關(guān)閉時間可有效避免汽蝕振動和水錘；（2）在開啟水泵時，水泵出口處閥門不能全開，否則會產(chǎn)生較大的水沖擊；（3）閥體、閥芯、閥座密封面以及閥芯節(jié)流孔都要定期清理，防止因腐蝕和堵塞而導(dǎo)致閥門工作失效；（4）定期檢查和更換密封盤根或密封圈，保證閥門密封良好；（5）傳動和導(dǎo)向裝置定期加注潤滑油，保證傳動裝置可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

閥門振動和噪聲產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，很難做到完全消除。但可以通過合理設(shè)計(jì)和選型、提高加工裝配精度以及正確使用和維護(hù)來保證閥門正常穩(wěn)定運(yùn)行，從而有效減少振動和噪聲。

［1］陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］宋虎堂.閥門選用手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］明賜東.調(diào)節(jié)閥應(yīng)用1000 問［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.