低噪聲閥門設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，閥門是主要調節元件，具有調節流體流動方向、流通面積等作用。基于閥門的獨特作用，在使用期間易產生噪聲，引發噪聲污染。低噪聲閥門的設計與閥門噪聲控制措施的應用，可有效控制閥門產生的噪聲，保障流體系統穩定可靠運行。

關鍵詞：噪聲;閥門;閥芯

0? 引言

在閥門運行過程中，噪聲的出現往往伴隨著振動，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備造成影響，加大其疲勞值，加速管路與設備的老化，甚至會產生安全事故。可見，關于低噪聲閥門的設計與噪聲控制研究，具有鮮明現實意義。

1? 低噪聲閥門設計原理

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，會出現汽蝕現象，氣泡爆炸會產生噪聲，還會形成沖擊波，導致閥門及管路出現振動，縮短其使用壽命。該噪聲的產生原理如下：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，會出現氣泡;當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，出現噪聲。

第二，空氣動力噪聲，在氣體或蒸汽處于紊流狀態時，會產生一定沖擊力，與閥門后的靜止氣流形成相互作用，產生氣流壓強脈動頻率，當頻率數值增加至人體可聽范圍時，即出現空氣動力噪聲。

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

1.2 低噪聲閥門設計

1.2.1 低噪聲閥門設計思路

結合閥門噪聲來源，低噪聲閥門的設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，規避其不利影響。

在基于噪聲來源的閥門設計中，設計人員可結合液體動力噪聲與空氣動力噪聲的出現原理，對閥門結構進行優化設計，減少閥門噪聲的產生。細化來說，設計人員可從以下幾方面入手：①優化閥門結構，設計人員需盡最大限度保障閥門結構的通暢性，確保流體可順利通過閥門結構，避免閥門內存在過多障礙物，引發流體動力噪聲;②優化閥門零件，設計人員可在閥門結構中應用帶有平行窄槽的閥籠，降低氣體紊流現象的出現概率，控制空氣動力噪聲。

在基于噪聲傳播的閥門設計中，設計人員可結合噪聲傳播方式，設置阻尼，減弱閥門噪聲傳播。結合閥門的運行環境可知，閥門噪聲傳播的主要途徑為閥體壁及流體。設計人員可選擇具備吸收噪音功能的材料作為閥門原材料，在閥門結構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，在閥門結構設計中，和直管通路相比，彎管可適當減弱噪聲。為此，設計人員可在流體管路的出口區域，將管路進行彎折90°處理，控制噪聲傳播。

同時，在閥門設計中，部分閥門會在特定位置產生噪聲，需設計人員進行針對性閥門設計優化，如直線型截止閥、高壓空氣減壓閥等。在實際應用中，直線型截止閥的開度在28%左右時，會產生離散信號，引發噪聲，設計人員可通過閥盤底部凸緣結構的設置，預防離散振動波，防止噪聲出現;高壓空氣減壓閥的主閥盤易產生噪聲，設計人員可在主閥盤位置配置彈性結構，用于緩沖主閥盤的運動，減少噪聲的出現[2]。

1.2.2 低噪聲閥門設計案例

本文以高壓差調節閥為例，分析低噪聲閥門的設計要點，為相關人員提供實踐參考。

第一，高壓差調節閥的結構優化。在基于噪聲來源的低噪聲閥門設計原理指導下，設計人員優化閥門內部壁面曲線弧度、節流口與進出口的形狀，提高閥門結構內部的流暢度，形成良好的引流面，確保流體在閥門內保持穩定流動狀態，防止流體動力噪聲及空氣動力噪聲的出現。同時，對于高壓差調節閥而言，如果調節閥前后單級壓差過大，會引發汽蝕現象，導致空氣動力噪聲，設計人員需擴大閥門及閥芯內的節流區面積，或在閥門結構中配置多層節流裝置，如迷宮式減壓閥芯、多座式減壓閥芯等，降低流體在閥門內的流速，實現低噪聲閥門的設計。

第二，高壓差調節閥的參數優化。在高壓差調節閥運行中，如果產生的噪聲相對較小，技術人員要想進一步減少閥門噪聲，可通過閥門運動零件與定位零件的剛度調節，提高閥門結構的穩定性，減少噪聲的產生。對于閥門結構來說，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，設計人員可重點提升這四類零件的剛度，實現低噪聲閥門設計。同時，在閥門結構中，閥門壁的厚度也會影響閥門噪聲，設計人員適當提高閥門壁的厚度，減少閥門噪聲。

第三，高壓差調節閥的材料優化。在基于噪聲傳播的低噪聲閥門設計原理指導下，設計人員合理選擇高壓差調節閥的材料，提高閥門結構的抗汽蝕能力，實現降低噪聲的目的。對于一般管路設備，高壓差調節閥可使用不銹鋼材料;對于特殊要求的管路設備，可采用鈷鉻硬質合金。同時，因汽蝕現象通常出現于結構的表面，設計人員可在閥門設計環節，對閥門表面進行硬化處理。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，進行表面堆焊或表面噴鍍處理，避免空氣動力噪聲的出現與傳播。

2? 閥門噪聲控制措施

在閥門運行中，噪聲產生與傳播機制較為復雜，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生噪音。針對該現象，企業需結合閥門噪聲狀況，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、設備穩定運行。

2.1 優化管路與設備配置

在閥門、管路與設備配置中，三種設備零件的質量與參數規格，均會影響流體流動效果，進而影響閥門噪聲。嚴重時甚至會引發安全事故，對企業造成較大經濟損失。就此，在閥門噪聲控制中，企業需進一步優化閥門、管路與設備的配置工作，具體可從以下兩方面入手：

①在閥門優化配置中，部分企業的流體流動條件較為特殊，提高閥門運行工況的復雜性，對閥門結構有特殊要求。針對該現象，企業技術人員需在選擇低噪聲閥門的基礎上，對閥門進行優化處理，實現閥門噪聲的全面管控。常見的閥門復雜運行工況包括高溫高壓的運行環境、流體介質中帶有雜質或腐蝕性物質、對閥門噪音有明確要求等，技術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，技術人員可在流體系統中優先選擇多級套筒式調節閥門或迷宮式調節閥門，避免流體流動時產生汽蝕現象，控制空氣動力噪聲;在高溫高壓運行工況下，閥門的材料力學性能會降低，且閥門中的傳動結構與導向結構空隙縮小，間隙變小，導致閥門出現磨損現象、振動現象，嚴重時會導致閥門失效，技術人員需在該工況下優先選擇高溫調節閥。

②在管路、設備優化配置中，結合閥門噪聲來源，企業技術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，將傳統止回閥更換為緩閉止回閥，控制閥門關閉的速度，避免止回閥快速關閉引發噪聲;

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

3）技術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的空氣，確保水泵開啟前，管路內充滿流體，提高流體流動穩定性，避免空氣動力噪聲的出現;

4）在管路設計時，結合相關規范與流體特征，設置管路流速，并根據工程造價與管路運行環境，設置管徑，通過管路結構優化，防控閥門噪聲;

5）在管路中配置安全氣壓罐，該設備可根據管路壓力數值，進行管路高壓的吸收與管路低壓的補水處理，保障管路內水壓的穩定，避免噪聲的出現。

2.2 加強閥門運維管理

在閥門應用過程中，企業開展的閥門運維保養與日常管理工作，會影響閥門的運行狀態與質量，進而影響閥門噪聲。為有效防控閥門噪聲，企業在管理閥門時，需做到以下幾點：

①技術人員在對閥門進行開、關等操作時，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，適當延長閥門操作的時間，可控制閥門產生的汽蝕現象或振動現象，進而實現控制噪聲的目的。

②技術人員在開啟水泵時，需控制水泵出口區域閥門的開度，要求閥門不可全部開啟，避免閥門開度過大，水泵傳輸的水體產生較大沖擊力，引發噪聲。

③定期進行設備清理工作，清理范圍包括閥門的閥體、閥芯、閥座密封面及閥芯節流孔等，確保閥門結構內部的流通性，避免閥門結構出現堵塞或腐蝕等現象，影響閥門正常運行，導致閥門出現噪聲。

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。如果檢查中發現閥門的密封結構出現損壞，需立即更換零件。

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

另外，在閥門使用中，閥門供應商的零件加工精度，也會對閥門噪聲產生影響。基于閥門噪聲來源，閥門結構內的粗糙度與流道壁面存在的毛刺現象，會引發紊流現象，引發空氣動力噪聲。就此，供應商在進行閥門加工時，需提高加工精度;企業在采購閥門零件時，需做好質量檢驗工作，對閥門內部粗糙度較高或流道壁面存在毛刺的零件，進行返廠處理，避免不合格閥門用于管路，實現閥門噪聲的有效控制。

3? 結論

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。結合噪聲來源，設計人員可從噪聲來源和噪聲傳播途徑兩方面入手，設計低噪聲閥門。在閥門噪聲控制中，企業可從管路與設備配置優化、閥門運維管理兩方面入手，減少閥門產生的不利影響，保障閥門與管路、設備的長期穩定可靠運行。

參考文獻：

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

[2]方超，馬士虎，蔡標華，等.高壓差流量調節閥流道低噪聲優化設計[J].艦船科學技術，2018，40（07）：147-151.

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