石化企業(yè)設(shè)備噪聲控制技術(shù)進(jìn)展*

劉 波

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

噪聲是石化企業(yè)主要職業(yè)病危害之一，呈現(xiàn)點(diǎn)多、面廣、接害人員多的特點(diǎn)，其導(dǎo)致的以聽(tīng)力系統(tǒng)為主的人體多器官系統(tǒng)損傷成為石化企業(yè)主要的健康風(fēng)險(xiǎn)。在充分調(diào)研石化企業(yè)噪聲危害現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文綜述了石化噪聲特征、總結(jié)石化企業(yè)設(shè)備降噪技術(shù)現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了部分典型設(shè)備噪聲治理措施，并對(duì)降噪新技術(shù)在石化企業(yè)噪聲治理中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 石化企業(yè)設(shè)備噪聲特征分析

1.1 石化企業(yè)噪聲特點(diǎn)

石化企業(yè)集油氣田開(kāi)采、煉油化工等為一體，輸送及處理的物料形態(tài)包括液體、氣體及固體，工藝流程中多使用高溫高壓、大流量的機(jī)械設(shè)備。按照噪聲產(chǎn)生機(jī)理分類，存在的主要噪聲源有：由于流體流動(dòng)過(guò)程中相互作用產(chǎn)生的流體噪聲，如換熱器、高壓蒸汽放空、鍋爐導(dǎo)淋口等產(chǎn)生的噪聲；由于物料或設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分摩擦、振動(dòng)、撞擊而產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，如磨煤機(jī)、機(jī)泵、物料成型、包裝及運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)生的噪聲；由于磁場(chǎng)脈動(dòng)而引起電氣部件振動(dòng)的電磁性噪聲，如柴油發(fā)電機(jī)組及羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)等產(chǎn)生的電磁噪聲。

石化企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，噪聲有著高強(qiáng)度、連續(xù)性、穩(wěn)態(tài)等特點(diǎn)，一是由于石化企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，噪聲設(shè)備分布廣泛，噪聲設(shè)備多且布置集中，聲輻射面大強(qiáng)度高；二是由于石化企業(yè)生產(chǎn)具有連續(xù)性的特點(diǎn)，噪聲也有穩(wěn)態(tài)、連續(xù)的特點(diǎn)[1]。

1.2 石化企業(yè)典型噪聲設(shè)備分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及查閱資料，石化企業(yè)典型噪聲設(shè)備分布見(jiàn)表1。

表1 石化企業(yè)典型噪聲設(shè)備分布情況 dB

2 石化企業(yè)噪聲控制技術(shù)

基于噪聲傳播機(jī)理，噪聲控制可以分為從聲源上降低噪聲、從噪聲傳播途徑降低噪聲、對(duì)接受者進(jìn)行防護(hù)3種措施，具體采取哪一種或幾種方式則應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上進(jìn)行綜合考慮，這也是噪聲控制的原則。聲源降噪及接受者防護(hù)更多偏重于低噪聲工藝和設(shè)備的替代，以及正確的個(gè)體聽(tīng)力防護(hù)用品選擇及佩戴，本文不再展開(kāi)討論。

由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工藝方面的原因，目前尚難以從噪聲源上完全控制噪聲危害，這時(shí)需要從傳播途徑上加以考慮，中石化企業(yè)應(yīng)用最成熟的是以消聲、隔聲、吸聲及隔振等為代表的被動(dòng)降噪技術(shù)。

2.1 消聲降噪

消聲技術(shù)是指采用消聲設(shè)備使噪聲強(qiáng)度減弱的技術(shù)，消聲設(shè)備是一種允許氣流通過(guò)而同時(shí)使噪聲減弱的裝置，是在噪聲控制工程中應(yīng)用廣泛的一種降噪措施[2]。消聲器一般應(yīng)用于氣流和噪聲同時(shí)存在的各種傳輸管道中，通過(guò)突變截面引起聲反射以及聲阻抗變化或者利用具有吸聲性能的內(nèi)襯吸聲材料進(jìn)行消聲[3]。消聲器按其消聲原理及結(jié)構(gòu)，可分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器等。

章奎生等[4]針對(duì)大排風(fēng)量低頻排風(fēng)機(jī)，充分考慮防水耐濕的要求，通過(guò)設(shè)計(jì)阻抗復(fù)合式排氣消聲器，以阻性降低中頻為主的寬帶噪聲，以共振性降低低頻峰值噪聲，綜合共振腔與吸聲環(huán)結(jié)構(gòu)，消聲量為15～20 dB，達(dá)到預(yù)期降噪要求。

趙傳輝等[5]通過(guò)研究阻性陣列式消聲器應(yīng)用于冷卻塔降噪，探索了阻性陣列式消聲器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)消聲性能、阻力特性及對(duì)冷卻塔循環(huán)水溫的影響，總結(jié)出阻性陣列式消聲器在保證熱力性能前提下，滿足冷卻塔的降噪要求。

2.2 隔聲降噪

隔聲技術(shù)就是利用隔聲材料來(lái)阻礙噪聲的傳播，使通過(guò)材料后噪聲能量減小的技術(shù)，常見(jiàn)的隔聲措施有隔聲屏障與圍擋、隔聲幕簾、隔聲罩。石化企業(yè)對(duì)高噪聲設(shè)備的傳統(tǒng)隔聲降噪技術(shù)，多是針對(duì)設(shè)備頻譜特征，組合不同隔聲材料設(shè)計(jì)，采用隔聲罩形式有針對(duì)性降噪。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段多結(jié)合ANASYS、SYSNOISE、Insul等軟件，深化設(shè)計(jì)隔聲罩表面、結(jié)構(gòu)等重點(diǎn)參數(shù)，并對(duì)隔聲性能進(jìn)行數(shù)值模擬，為隔聲罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新參考。

曹澤仁等[6]使用了輕型裝卸式隔聲罩設(shè)計(jì)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了噪聲治理。隔聲罩內(nèi)表面吸聲材料選擇了超細(xì)玻璃棉、空氣層、阻尼層及鋼板，并對(duì)縫隙加強(qiáng)密封處理，控制縫隙率在1%以下，進(jìn)排風(fēng)口加裝消聲器，實(shí)際隔聲量為20.5 dB。付常佳、陳長(zhǎng)征等[7]以隔聲罩為研究對(duì)象，通過(guò)SYSNOISE軟件建立有限元模型并分析厚度、阻尼層等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)隔聲罩降噪效果的影響，為解決實(shí)際問(wèn)題提供參考依據(jù)。劉歡等[8]人通過(guò)隔聲量公式計(jì)算聲級(jí)隔聲量和頻帶隔聲量等參數(shù)，綜合考慮工程實(shí)際存在的噪聲混響和二次噪聲等因素，使用ANASYS分析隔聲罩的降噪性能，綜合分析隔聲罩的降噪性能。

2.3 吸聲降噪

吸聲技術(shù)就是通過(guò)吸聲材料，消耗接觸到物體表面的聲音能量，使噪聲能量減少的技術(shù)。吸聲材料在降噪措施中主要用來(lái)降低聲波反射產(chǎn)生的混響[9]。吸聲材料根據(jù)原理及結(jié)構(gòu)主要分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)兩大類型。多孔吸聲材料多應(yīng)用在中高頻噪聲降噪中，在低頻段吸聲性能較差。共振吸聲結(jié)構(gòu)則可通過(guò)共振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于低頻段噪聲降噪，但存在吸聲頻帶范圍較窄的不足[10]。

吸聲材料及結(jié)構(gòu)在石化設(shè)備降噪中主要應(yīng)用在高噪聲設(shè)備廠房?jī)?nèi)部吸聲體、消聲層、消聲器中，常常與隔聲材料共同使用，作為綜合降噪手段的一個(gè)重要組成部分。

楊磊等[11]針對(duì)原油集中處理站內(nèi)壓縮機(jī)房及注水泵房高噪聲環(huán)境，選用了固化離心玻璃棉芯板、外敷PVC涂層織物的吸聲體，通過(guò)設(shè)計(jì)廠房?jī)?nèi)部懸掛位置及數(shù)量，將廠房室內(nèi)混響時(shí)間由13 s降低到0.8 s。

彭罡等[12]在壓縮機(jī)廠房的設(shè)計(jì)中，采用了新型外墻材料，并把風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)組隔離，單獨(dú)在廠房?jī)山遣贾萌忾]風(fēng)機(jī)房，以減少風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)混響噪聲；外墻采用了15%穿孔率的鋁孔板，內(nèi)部吸聲材料為降噪系數(shù)超0.95超細(xì)玻璃纖維，輔助阻尼膠及鋼板，該控制措施綜合降噪量可達(dá)到25 dB左右。

龔凡等[13]利用聲學(xué)理論，建立了雙層阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，并在某地下電站廠房降噪實(shí)踐，通過(guò)MATLAB數(shù)值計(jì)算軟件求解內(nèi)外層吸聲材料密度、穿孔板厚度、孔徑等復(fù)合函數(shù)最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)了250～4 000 Hz的寬頻帶降噪。

2.4 減振降噪

減振降噪是指通過(guò)振動(dòng)控制，限制系統(tǒng)的振動(dòng)水平，從而降低噪聲傳播的降噪技術(shù)，其主要措施是在設(shè)備基礎(chǔ)上安裝隔振器材或隔振材料，使設(shè)備和基礎(chǔ)之間的剛性連軸變成彈性支撐，防止或減弱振動(dòng)能量的傳播，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪的目的。振動(dòng)的控制方法是將需要隔離的儀器或設(shè)備安裝在隔振器材上，使大部分振動(dòng)被隔振器材所吸收。減振控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著寬頻減振必須提高系統(tǒng)質(zhì)量，阻尼材料對(duì)外部溫度環(huán)境和頻率較為敏感，及有效吸振頻帶范圍較窄且不可調(diào)節(jié)等不足。

石化企業(yè)設(shè)備多涉及大型設(shè)備，采取的減振措施為被動(dòng)阻尼減振、振動(dòng)隔振和動(dòng)力吸振3種主要技術(shù)手段。袁麗等[14]人經(jīng)過(guò)計(jì)算預(yù)壓載荷、固有頻率等關(guān)鍵參數(shù)，采用雙層減振體系，對(duì)離心風(fēng)機(jī)加裝阻尼彈簧減振器，減振效率可達(dá)到85%，滿足減振器的設(shè)計(jì)條件。

3 石化企業(yè)重點(diǎn)噪聲設(shè)備降噪措施

經(jīng)過(guò)資料收集與統(tǒng)計(jì)，綜合油氣田開(kāi)采、煉化及銷售等各個(gè)業(yè)務(wù)板塊，石化裝置中比較典型的高噪聲設(shè)備有泵、發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)、磨煤機(jī)等，其中壓縮機(jī)和磨煤機(jī)是石化工藝生產(chǎn)中常見(jiàn)的強(qiáng)度較大的噪聲設(shè)備，崗位作業(yè)人員接觸頻次較高，暴露程度較重。

3.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是石化企業(yè)物料集輸過(guò)程增壓的核心設(shè)備，在石油化工行業(yè)中主要用于物料輸送、氣體分離等環(huán)節(jié)，其噪聲部位主要為產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲的進(jìn)、出氣口，產(chǎn)生機(jī)械噪聲的結(jié)構(gòu)件，以及產(chǎn)生電磁噪聲的驅(qū)動(dòng)機(jī)。

針對(duì)離心壓縮機(jī)機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，譚龍龍等[15]人聯(lián)合頻譜分析、聲成像分析和模態(tài)分析3種方法，在空間上定位了主要噪聲源分布為排氣管口、進(jìn)氣管口、齒輪箱，通過(guò)整體加裝吸隔聲罩降低機(jī)械噪聲，在進(jìn)排風(fēng)口加裝阻抗復(fù)合型消聲器降低空氣動(dòng)力性噪聲等綜合降噪措施，達(dá)到了降噪量21.5 dB的效果。

天然氣壓縮機(jī)噪聲主要由天然氣壓縮至高壓后產(chǎn)生的動(dòng)力性噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)活塞柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖機(jī)械性噪聲以及管道振動(dòng)噪聲，針對(duì)氣動(dòng)性噪聲問(wèn)題，鄒麗蓉等[16]人通過(guò)對(duì)天然氣壓縮機(jī)空冷區(qū)進(jìn)排風(fēng)口加裝消聲器等降噪措施，降噪量達(dá)20.1 dB。

3.2 磨煤機(jī)

磨煤機(jī)是將煤塊破碎并磨成煤粉的機(jī)械，其噪聲是由機(jī)械性噪聲、機(jī)械嚙合噪聲、電機(jī)噪聲和排風(fēng)噪聲構(gòu)成。磨煤機(jī)的治理措施主要有兩種途徑，一是振動(dòng)源與噪聲源控制，如加裝橡膠、磁性等襯板，優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)，使用非球形研磨介質(zhì)等，不同的降噪量在8～25 dB之間，是一種從根本上解決磨煤機(jī)振動(dòng)與噪聲的有效途徑，但也存在著單一的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施降噪量有限的不足，墊層易引入額外共振等問(wèn)題限制工程應(yīng)用；二是傳播途徑控制，如隔聲屏、隔聲罩和隔聲間、阻尼包裹、隔聲簾幕等，不同措施的降噪量在15～40 dB之間，具有中高頻降噪效果明顯、應(yīng)用成熟等優(yōu)點(diǎn)，但也存在低頻降噪效果差、不利于散熱及日常檢修不便等不足。目前我國(guó)對(duì)磨煤機(jī)的噪聲控制主要通過(guò)減振和降噪技術(shù)在噪聲傳播途徑上控制，如采用隔聲罩和隔聲間等[17]。

在振動(dòng)源與噪聲源控制方面，成鵬[17]在傳統(tǒng)數(shù)值理論計(jì)算方法基礎(chǔ)上，對(duì)磨煤機(jī)彈性墊層改進(jìn)后的筒體進(jìn)行有限元軟件分析，研究復(fù)合彈性墊層在球磨機(jī)減振與降噪技術(shù)中應(yīng)用的可行性。

針對(duì)電機(jī)噪聲，劉歡等[8]人以磨煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)和減速器為研究對(duì)象，提出了在電動(dòng)機(jī)外安裝隔聲罩的降噪方案，并采用ANASYS有限元軟件模擬分析效果，并對(duì)降噪效果不足區(qū)域改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)修正，為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供了思路參考。

牛慶堂等[18]人測(cè)量煤磨機(jī)的噪聲強(qiáng)度和頻譜數(shù)據(jù)，對(duì)照各種材料的隔聲吸聲指數(shù)，通過(guò)選擇隔聲吸聲材料，設(shè)計(jì)建成可拆卸的方形局部式隔聲罩。隔聲罩面板由波浪型穿孔板、隔聲板、吸聲材料、隔聲網(wǎng)、玻璃絲布、阻尼漆、油漆等復(fù)合而成，實(shí)際綜合降噪量達(dá)到15～18 dB。

4 降噪技術(shù)展望

隨著噪聲產(chǎn)生與傳播機(jī)理研究的深入，石化設(shè)備降噪技術(shù)的研究已不再局限單一技術(shù)應(yīng)用，而是廣泛利用各種新技術(shù)和新材料的噪聲綜合治理技術(shù)。開(kāi)發(fā)吸隔聲性能優(yōu)異且工程應(yīng)用廣泛的新材料，克服低頻降噪材料厚度難題的新技術(shù)新手段，都是降噪技術(shù)的研究熱門。

4.1 聲學(xué)超構(gòu)材料研發(fā)

聲學(xué)超構(gòu)材料[19]作為一種新型的人工結(jié)構(gòu)材料，擁有天然材料所不具備的超常物理特性，進(jìn)一步拓展了材料的聲學(xué)屬性。同時(shí)，聲學(xué)超構(gòu)材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波精準(zhǔn)的、可設(shè)計(jì)的操控，具有重要的理論研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

從吸聲、隔聲、減振、抗沖擊等實(shí)際應(yīng)用功能出發(fā)，也可將聲學(xué)超構(gòu)材料分為吸聲超構(gòu)材料和隔聲超構(gòu)材料2類[20]。近幾年來(lái)，吸聲超構(gòu)材料主要的研究方向是在較小體積下，通過(guò)聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍內(nèi)的高效吸聲。Li[21]提出了一種輕質(zhì)多層蜂窩膜型聲學(xué)超材料，并對(duì)其傳輸損耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，輕質(zhì)蜂窩夾芯板在重量極輕的情況下平均聲傳輸損耗可達(dá)17 dB。但現(xiàn)階段大多數(shù)吸聲超構(gòu)材料仍存在結(jié)構(gòu)尺寸、聲學(xué)性能、成本和耐久性的限制，仍然不適合在石化企業(yè)內(nèi)部大面積工程應(yīng)用，需要新的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)來(lái)達(dá)到性能與成本的平衡。

隔聲超構(gòu)材料主要研究方向則是高剛度、輕量化、良好寬頻隔聲性能，其中薄膜型超構(gòu)材料因?yàn)榫邆漭p量化、低頻隔聲性能好等潛能而引人關(guān)注。Sui等[22]人將蜂窩結(jié)構(gòu)與不含質(zhì)量塊的薄膜結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種蜂窩型聲學(xué)超材料，對(duì)500 Hz以下聲波的傳遞損耗均超過(guò)25 dB，同時(shí)，面密度僅1.3 kg/m2。相比傳統(tǒng)阻尼降噪材料，其降噪性能優(yōu)異、設(shè)備輕量化，更適合設(shè)備管線密集、散熱降噪空間緊促的石化企業(yè)裝置，應(yīng)用前景廣闊。

4.2 主動(dòng)降噪技術(shù)

處理降低低頻噪聲問(wèn)題時(shí)，傳統(tǒng)吸隔聲材料由于受質(zhì)量定律制約，面臨著頻段較窄，整體裝備體積龐大且笨重的現(xiàn)狀，而有源噪聲控制(Active Noise Control，ANC，也被稱為主動(dòng)噪聲控制)技術(shù)給出了一種新的解決辦法，即根據(jù)兩個(gè)聲波相消性干涉或聲輻射抑制的原理，通過(guò)抵消聲源產(chǎn)生與被抵消聲源的聲波大小相等但相位相反的聲波，兩聲波疊加后輻射相互抵消，從而達(dá)到降低噪聲的目的?，F(xiàn)階段因復(fù)雜環(huán)境聲場(chǎng)的復(fù)雜性，有源噪聲控制技術(shù)在三維自由聲場(chǎng)中的聲場(chǎng)分析及算法的實(shí)現(xiàn)較為困難，現(xiàn)階段比較成熟的應(yīng)用為管道噪聲的有源控制。

安偉等[23]人針對(duì)廣泛存在的管道穩(wěn)態(tài)噪聲，引入分頻混頻技術(shù)的有源噪聲控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際消聲頻帶要求設(shè)計(jì)分頻帶，擴(kuò)大了消聲頻帶寬度，達(dá)到了單頻聲降噪量25～30 dB，對(duì)某通風(fēng)管道寬帶噪聲實(shí)際應(yīng)用取得了11.3 dB的降噪量。目前隨著芯片小型化及深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI技術(shù)的發(fā)展，有源降噪技術(shù)也在本地化部署及自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)等方面取得一定的突破[24,25]，期望這一輕量化、智能化的降噪技術(shù)能克服現(xiàn)有功耗大、效率低、設(shè)備維護(hù)困難等不足，早日在石化設(shè)備降噪中發(fā)揮作用。

5 結(jié)語(yǔ)

石化設(shè)備降噪技術(shù)是一項(xiàng)面向?qū)嶋H生產(chǎn)環(huán)境的綜合性工程。隨著降噪技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)新材料的應(yīng)用，不僅推動(dòng)著吸聲隔聲消聲等傳統(tǒng)降噪技術(shù)發(fā)展，也在主動(dòng)降噪、聲學(xué)超構(gòu)材料等方面開(kāi)拓新的降噪方向，因此多學(xué)科交叉的綜合性降噪技術(shù)會(huì)越來(lái)越多地服務(wù)于降噪工程。