流體管道降噪技術(shù)在石化企業(yè)中的應用*

于金寧，劉 波，申世民，周 亮

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104 2.中國石化催化劑有限公司，北京 100029)

0 前言

工作場所噪聲是世界范圍內(nèi)的主要職業(yè)病危害因素，石化企業(yè)高噪聲設備種類多、數(shù)量大、分布面廣、聲源種類復雜的固有特點及裝置向大型化、聯(lián)合化發(fā)展，使得噪聲問題日益凸顯。其中裝置工藝及公用工程管道多，且多含高溫、高壓流體介質(zhì)，進而流體管道噪聲已成為石化企業(yè)主要噪聲污染源。由于管道常采用管廊高架布置，造成噪聲發(fā)生點輻射面位置比較高，輻射面積大，影響范圍廣。并且噪聲損傷聽力、神經(jīng)、心血管、消化系統(tǒng)等身體多個系統(tǒng)，與石化企業(yè)典型毒物具有聯(lián)合作用[2-4]，這些問題成為石化企業(yè)職業(yè)病危害控制的焦點與難點。本文以某石化裝置的壓縮機排氣管線和熱力管道為例，對流體管道的噪聲源特性、產(chǎn)生機理進行分析，并采用管道阻尼減振、吸隔聲包扎和真空降噪等技術(shù)對流體管道噪聲進行治理，獲得了良好的降噪效果。

1 對象與方法

1.1 對象

石化裝置流體管道的噪聲源主要存在于調(diào)壓閥、匯管和彎管等處，選擇某石化裝置的壓縮機排氣管線和某石化裝置的熱力管道作為治理對象。

1.2 噪聲源檢測

利用Casella CEL630聲級計對噪聲源進行倍頻程聲壓級檢測，聲級計固定在三腳架上，測點取在管線軸線45°方向上[5]，距管道表面30 cm處。

1.3 隔聲構(gòu)建隔聲量計算方法

圓形管道在聲波的激勵下產(chǎn)生的振動方式與平板不全相同，這主要是圓形管道存在管截面的最低共振頻率，常稱為自鳴頻率，標記為fr[6]，公式為：

(1)

式中：CL——管道中縱波的傳播速度，m/s，其中鋼為5 100 m/s;

d——標稱管徑，mm。

在自鳴頻率以上，圓管的隔聲量與平板的隔聲量幾乎一樣；在自鳴頻率以下，圓管隔聲量的決定就得視情況而定。管道本身雖有一定的隔聲量，但由于管壁都較薄，從而導致管內(nèi)的噪聲投射和輻射出來。為了增加管道的隔聲量，采用管外包扎隔聲材料的方法。管道包扎一般由兩層材料構(gòu)成，內(nèi)層為柔軟的吸聲材料，外層為不透氣的隔聲材料，常用的有薄金屬板、氯丁橡膠片材、鉛皮等。管道包扎高頻隔聲效果顯著，在低頻中當波長大于材料厚度10倍以上時，管道與包扎材料易產(chǎn)生共振而使隔聲性能下降，共振頻率[1]由經(jīng)驗公式(2)確定：

(2)

式中：f0——管道與包扎材料組合的共振頻率，Hz；

Ms——不透氣隔聲材料的面密度，kg/m2；

d——柔軟的吸聲材料的厚度，m。

在降噪工程復雜聲環(huán)境中的聲波，基本可視為無規(guī)入射，通過大量實驗數(shù)據(jù)，無規(guī)入射時的隔聲量TL[5]的經(jīng)驗公式(3)為：

TL=16lgMs+14lgf-29

(3)

式中：TL——隔聲量，dB；

Ms——隔聲材料的面密度，kg/m2；

f——頻率，Hz。

100～3 200 Hz的平均隔聲量經(jīng)驗公式(4)為：

(4)

式中：TL——100～3 200 Hz的平均隔聲量，dB；

Ms——隔聲材料的面密度，kg/m2。

1.4 阻尼板計算方法

在薄板隔聲圍護結(jié)構(gòu)的隔聲背板上涂刷特殊配比的阻尼材料能有效增加隔聲結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼，它能使隔聲構(gòu)件的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少構(gòu)件的振動。阻尼層厚度的確定主要根據(jù)公式(5)而得出：

(5)

式中：η——構(gòu)件(板)與阻尼層組合在一起的損耗因子；

η2——阻尼材料的損耗因子；

E1、E2——分別為構(gòu)件(板)和阻尼材料的楊氏模量；

d1——為構(gòu)件(板)的厚度，mm；

d2——阻尼材料的厚度，mm。

2 結(jié)果

2.1 聲源分析

石化裝置流體管道噪聲產(chǎn)生的主要原因有2種：①流體流經(jīng)調(diào)壓閥、變徑管、匯管和彎管等結(jié)構(gòu)時會發(fā)生運動狀態(tài)的變化，形成湍流和渦流，形成對管路的激振，導致噪聲的產(chǎn)生；②與流體管線連接的壓縮機或機泵產(chǎn)生機械振動作為一種激發(fā)，與管線、管件和支架組成的彈性系統(tǒng)的固有頻率相接近時，也會引起管道的振動導致噪聲的產(chǎn)生。對本項目壓縮機排氣管線和熱力管道現(xiàn)場勘測時發(fā)現(xiàn)，若空運轉(zhuǎn)時，管道及主機運轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，而加負載后，振動與噪聲明顯，則說明管道噪聲主要是由于氣流脈動而引起。使用聲級計對噪聲源頻譜特征分析后發(fā)現(xiàn)，壓縮機管線和熱力管道的噪聲呈現(xiàn)中高頻偏高特征，總聲壓級在102.3～104.0 dB(A)，500～4 000 Hz頻段的噪聲強度較高，噪聲測量及頻譜特征詳見表1。

表1 噪聲測量值與頻譜特征 dB(A)

2.2 壓縮機排氣管線降噪技術(shù)與實施效果

壓縮機管線噪聲產(chǎn)生的主要原因為氣流脈動引起的管道振動，本研究對排氣管線采用阻尼減振、吸隔聲包扎的方法進行治理。通過公式(1)計算自鳴頻率fr=0.08 Hz。待包扎管道直徑200 mm，包扎所用吸聲材料厚度為0.05 m，不透氣隔聲材料面密度Ms取值3.95 kg/m2，通過公式(2)計算可得共振頻率f0=94.5 Hz，故管壁貼合阻尼材料調(diào)配針對63～125 Hz頻段來排除共振。阻尼包扎結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外組成依次為：低頻阻尼結(jié)構(gòu)5 mm，高頻吸聲結(jié)構(gòu)50 mm，中低頻吸聲結(jié)構(gòu)50 mm，鍍鋅噴塑彩鋼板0.5 mm，如圖1所示。包扎重點部位為三通、調(diào)節(jié)閥和彎頭等處，包扎尺寸為φ500 mm×1 500 mm,φ250 mm×1 000 mm,φ500 mm×2 500 mm。考慮設備檢修及維護要求，包扎體制作成半柱面模塊，安裝時直接將兩模塊貼緊管壁，卡扣壓緊，如圖2所示。實施后對排氣管線的噪聲強度檢測結(jié)果顯示，距離管道30 cm處的噪聲由實施前的102.3～104 dB(A)降低為83.4～85.6 dB(A)，降噪效果明顯。

圖1 吸隔聲包扎結(jié)構(gòu)

圖2 吸隔聲包扎現(xiàn)場實施情況

2.3 某裝置熱力管道降噪技術(shù)與實施效果

某裝置熱力管道噪聲產(chǎn)生的主要原因同樣為氣流脈動引起的管道振動。與壓縮機排氣管線不同，熱力管道的表面溫度高，超過了阻尼材料的有效溫域范圍而不能直接敷貼阻尼材料，管道表面溫度過高也會影響材料的使用壽命，同時存在施工安全問題。因此本研究采用真空降噪技術(shù)，通過在原有管道外增加抽真空套管，利用聲音無法在真空中傳播的特性降噪，同時隔絕熱傳導、熱對流等傳熱方式，降低熱量對降噪材料的不利影響。

整體降噪結(jié)構(gòu)從里向外依次為真空降噪層、阻尼減振層、吸聲材料層及高分子涂層，如圖3所示。真空降噪層是通過在原有管道外增加套管抽真空形成，通過壓力表顯示真空層的壓力。真空降噪層外敷設的阻尼減振材料、吸聲材料和高分子涂料起到減振、吸隔聲的作用，實施情況見圖4。本研究對熱力管道90°彎頭采用真空降噪技術(shù)后效果檢測顯示距離管道30 cm處的噪聲由實施前的103.9 dB(A)降低為70.2 dB(A)，降噪效果明顯。

圖3 真空降噪結(jié)構(gòu)

圖4 真空降噪現(xiàn)場實施情況

3 討論

預防和控制職業(yè)性噪聲危害、減少聽力損失的發(fā)生，是職業(yè)衛(wèi)生領(lǐng)域的重點和難點。石化生產(chǎn)裝置多涉及管道的氣、液、固態(tài)物料輸送，管道流體噪聲是石化企業(yè)生產(chǎn)型噪聲的重要來源。因生產(chǎn)流程復雜而導致管道跨度長，彎頭管、變徑多，輸送物料常呈高壓、高溫狀態(tài)且具有易燃易爆特性，使得管道流體噪聲成為石化企業(yè)噪聲控制的難點。在管道噪聲治理過程中，除了要考慮噪聲治理技術(shù)本身的效果外，因石化企業(yè)生產(chǎn)安全、檢修特殊性而導致治理難度增大，具體表現(xiàn)為：①降噪治理時管道都已經(jīng)安裝到位，預留空間局促，很難在大型管道(如直徑1 m以上)安裝專業(yè)減振措施，并且也擠壓本體的降噪設施空間。②石化管道表面一般溫度較高，部分管線甚至超過100 ℃，設計方案時需要考慮高溫下材料的使用壽命，以及材料的防火性能；管道表面高溫情況下(尤其是溫度超過幾百攝氏度時)的施工安全問題；管道原有保溫措施的拆除再平衡問題。③管道內(nèi)易燃易爆泄漏等的安全問題等。

本研究選擇了石化企業(yè)兩種典型的流體管道作為噪聲治理研究對象，并根據(jù)管道不同的特點采取不同的技術(shù)方案。

壓縮機排氣管線內(nèi)的介質(zhì)為空氣，管道溫度約為40 ℃左右，采用了阻尼減振和吸隔聲包扎的方法。通過阻尼減弱管壁金屬板彎曲振動的強度而降低噪聲。另外阻尼可以縮短金屬板被激振的振動時間[5]。在阻尼材料外再通過玻璃絲棉和巖棉進行吸隔聲包扎和平板外殼外敷進行綜合降噪，取得了良好的降噪效果。半柱面模塊化設計與卡口式連接非常便于設備檢修及維護要求。

針對熱力管道采用真空降噪方法的原因是考慮到熱力管道的表面溫度高，直接敷設阻尼和吸隔聲包扎不能發(fā)揮阻尼材料的作用且高溫下材料的壽命短。通過在熱力管道管壁增設套管真空層，以實現(xiàn)隔聲、隔熱效果，并輔以表層阻尼和吸聲結(jié)構(gòu)來降低通過管理剛性結(jié)構(gòu)傳遞的振動，真空復合結(jié)構(gòu)降噪效果較好。

本文兩項工程實踐顯示阻尼與吸隔聲包扎和真空降噪能有效降低石化流體管道噪聲，可為管道噪聲治理提供有益借鑒。與此同時，在實踐過程中發(fā)現(xiàn)針對含易燃易爆介質(zhì)管道的包扎降噪，會帶來火災和爆炸的潛在風險。管道包扎會增加管道重量，對已經(jīng)投入運行的管道支撐和平衡等會產(chǎn)生影響。因此，后續(xù)還需繼續(xù)進行技術(shù)開發(fā)與設計優(yōu)化，以期為石化行業(yè)提供安全環(huán)保型降噪技術(shù)產(chǎn)品。