小孔复合消音降噪装置的设计和应用

丁超，杨帆

小孔复合消音降噪装置的设计和应用

丁超1，杨帆2

（1.宝鸡钢管西安石油专用管分公司，陕西西安710201；2.陕西省电力公司物资公司，陕西西安710000）

分析了现场噪音的原因，采用抗性消音、小孔消音的消音原理，设计了一种小孔复合消音降噪装置。从现场布局、设备设计和工艺流程等方面介绍该复合消音降噪装置的应用情况，并对具体使用效果进行评估。降噪筒上均匀布置Φ2 mm小孔，一端封闭；当气流经过降噪筒上的小孔时，压力和流速减小，喷气噪声的频率就会移向高频或超高频，明显降低频谱中的可听声成分，从而达到降噪目的，使噪音从110 dB降到80 d B。

钢管；小孔消音；抗性消音；降噪装置；降噪工艺流程

管加工生产线水压机是对钢管进行静水压试验的装置，要求达到静水压试验压力而不渗漏，全压试验状态保持时间应不得少于5 s［1］。试验完成后，钢管内壁、螺纹处会有乳化液残留。由于宝鸡钢管西安石油专用管分公司（简称宝鸡钢管西安分公司）所在地的水质较硬，水质硬度过大会导致打压液的防锈能力降低［2］，容易使钢管内部和管端螺纹处生锈。为了解决油田现场部分批量成品钢管内部和管端螺纹处生锈问题，在通径对齐工位增加除水装置，以此来解决乳化液残留问题。

除水装置是通过压缩空气对钢管工厂端进行吹气，以此带走和加速挥发钢管螺纹和内壁残留的乳化液，此种除水装置工作时将产生110 dB以上的噪音，严重影响了岗位人员的健康，甚至造成职业伤害。

因此，笔者在通径对齐工位增设了一种小孔复合消音降噪装置，解决了除水装置工作时噪音大的问题，满足生产线上安全生产的要求。本文主要对该小孔复合消音降噪装置进行介绍。

1 降噪装置设计原理

1.1 钢管除水噪音原因分析

钢管除水时，压缩空气在经过钢管末端出口处，气体压力急剧减小，气体体积迅速膨胀，通过出口时气体微型气团相互挤压、碰撞、摩擦，伴随局部强烈的湍流和漩涡形成噪音；同时，气体冲出钢管末端形成高速气流的激烈震荡，也将形成强噪音［3］。

1.2 消音器原理介绍

根据消音器的不同原理，可以将消音器分为阻性消音器、抗性消音器、阻抗复合式消音器、小孔消音器和有源消音器等。根据现场噪音原因分析，降噪装置设计采用抗性消音和小孔消音的复合消音原理。

1.2.1 抗性消音

抗性消音器结构简单、耐气体侵蚀［4］，分为扩张室消音器和共振腔消音器。

（1）扩张室消音器。膨胀腔（又称扩张室）是组成抗性消音器的主要元件，膨胀腔是简单的扩张室消音器。利用截面突变形成声传播道的阻抗失配，使沿管道传播的声波朝声源方向反射，进而使前进的声波和反射的声波在管道不同界面上的反射波之间的相位差为180°，发生干涉相互抵消，达到消音的目的［5］。

（2）共振腔消音器。当声波传至共振腔与连接管交叉点处，由于声阻抗发生突变，使大部分声能反射回去，还有一部分声能传入连接管和共振腔，由共振腔摩擦阻尼消耗掉，只有一部分声能通过交叉点继续向前传播，达到消音目的［6］。

设计选用内插进、出口管膨胀腔，使膨胀腔的消音特性和共振的吸声特性相互叠加，由于内插进，可以产生消音的共振峰，消音效果在共振频率附近明显增强，可以保证并明显改善整个频率的消音效果。

1.2.2 小孔消音

小孔消音器的原理以喷气噪声消音器的频谱为依据，当气流经过小孔，喷气噪声的频谱就会移向高频或超高频，使频谱中的可听声成分明显降低，减少对人的干扰和伤害［7］。

垂直喷注方向，距离喷口1 m处干扰声压LA的计算公式为：

式中Mo——空气分子量，为28.8；

其中，fA为A声级的上线频率，取11 200 Hz；a为喷注速度，m/s；c是喷注声速，m/s；co是环境声速，为340 m/s。当喷注阻塞时，a=c。

当排放气体性质确定后，公式（1）前两项为常数；当排放面积、小孔总数一定时，公式（1）中第3项和第5项的结果是一个常数。因此，小孔消音的干扰声压级为第4项和第5项的函数，小孔直径与消音量的关系如图1所示。

M——喷注气流介质的分子量，为18；

Pm——消音器小孔喷注前的气体绝对压力，MPa；

Po——环境大气绝对压力，MPa；

Dm——小孔直径，mm；

Do——单位小孔直径，取1 mm；

XA——中间变量，通过公式（2）得出；

n——小孔总数。

图1 小孔直径与消音量的关系

根据公式（1）可以推断：当排放面积一定，小孔总数是定值的情况下，小孔消音量随着小孔直径的缩小而增加。当小孔直径大于20 mm，其消音量仅为2 dB；若小孔直径减半，消音量则增加7～9 d B；当小孔直径小于0.8 mm，消音量可大于30 dB。缩小小孔直径虽可增大消音量，但实际工程中存在小孔容易被堵塞以及加工困难等具体问题［8］。综合考虑，将小孔的直径设计为2 mm。

1.3 消音器设计

设计一种降噪筒，其上有均匀布置的直径2 mm小孔，一端封闭。当气流经过降噪筒上的小孔，压力减小，流速减慢，喷气噪声的频率就会移向高频或超高频，明显降低频谱中的可听声成分，从而达到降噪目的。

将布有小孔的降噪筒嵌入膨胀腔内，钢管尾部开直径30 mm的圆孔，使通过管道的声波在截面突变处（膨胀腔）发出反射衰减噪声［9］，降噪筒上的小孔产生消音的共振峰，消音效果在共振频率附近明显增强，可以明显改善整个频率的消音效果。

降噪筒设计如图2所示。

2 降噪装置布局

降噪装置布局如图3所示。静水压试验完成后，钢管滚到台架上，取料装置对钢管进行取料，钢管进入除水降噪工位，钢管除水完成后，惠斯顿机构取料，将钢管取至下一个工位。

图2 降噪筒设计示意

图3 降噪装置布局示意

3 降噪装置组成

降噪装置主视图如图4所示，俯视图如图5所示。降噪装置分为消音器部分和规格调整部分。

图4 降噪装置（主视图）

图5 降噪装置（俯视图）

3.1 消音器部分

消音器包括工装头、弹簧、导轨、机架、气缸和降噪筒。

工装头为喇叭口，喇叭口上包裹聚氨酯，对钢管起到导向和密封的作用，此种设计能有效防止钢管尾部压缩空气的泄漏，消除压缩空气通过钢管尾部产生的噪音，满足生产现场连续生产的要求。

工装头装有弹簧，弹簧长度Ho为650 mm，设计时可以适应钢管100 mm内长度的偏差，同时起到降噪装置前进到位的缓冲和促使工装头喇叭口压紧的作用。

安装降噪装置时应找平，底座的平面标高允许偏差±1 mm，平面位置偏差±2 mm［10］，超出偏差会使工装头上的喇叭口中心线与钢管中心线不一致，导致密封效果不好，产生新的噪音源。

气缸推动降噪筒在导轨上前进和后退，降噪筒的摩擦力Fm的计算公式为：

式中m——降噪筒质量，kg；

μ——摩擦因数，取0.003；

g——重力系数，N/kg。

当m=100 kg、g=10 N/kg时，Fm=30 N。

弹簧的最大弹力Ftmax的计算公式为：

式中F′——弹簧刚度，N/mm；

lo——弹簧的最大压缩量，mm。

当lo=100 mm、F′=14 N/mm［11］，通过计算Ftmax=1 400 N。

因此，气缸的拉力和推力要克服Fm和Ftmax才能满足使用要求。

气缸选用型号为SC80×1000，用公式（5）～（6）可计算出理论拉力Fo与理论推力F1［12］：

式中D——缸筒直径，mm；

d——活塞杆直径，mm；

P——工作压力，Pa。

压缩空气的工作压力P为400～600 Pa，气缸D为80 mm、d为25 mm；因此，气缸的理论拉力Fo为1 813～2 720 N，理论推力F1为2 010～3 015 N。

由此可见，Fo∧Fm+Ftmax，F1∧Fm+Ftmax。因此，所选用的SC80×1000气缸满足使用要求。

3.2 规格调整部分

规格调整部分包括工装头、立柱、螺旋升降装置、机架、导轨、定位装置和底座。

调节机架高度，使降噪装置中心线与钢管的中心线一致，机架的调节通过螺旋升降装置和紧固定位装置的调节来实现。螺旋升降机行程和定位装置上两个销孔之间的距离为100 mm，满足Φ60.3～177.8 mm钢管的换道调整，满足生产要求。

工装头的规格分3种，分别满足Φ60.3～88.9 mm、Φ101.6～139.7 mm、Φ168.3～177.8 mm规格钢管的换道调整。

销孔定位装置以100 mm的间距均布在底座上，降噪装置可以沿导轨自由移动，销孔定位装置和工装头弹簧配合使用，可以满足增加6～12 m的生产要求。

4 降噪装置工艺流程

除水降噪装置工位如图6所示。

图6 除水降噪工位示意

4.1 工艺过程

静水压试验完成后，钢管滚到台架上，当有料传感器感应到除水降噪工位没有钢管时，翻料装置进行翻料，钢管进入除水降噪工位。

当到位传感器感应到钢管信号，钢管对齐到位，降噪装置在初始位置。当原位传感器感应到钢管信号，气缸开始推动降噪筒沿着机架上的导轨前进，当到位传感器感应到降噪筒信号，降噪筒前进到位，同时工装头伸出并与钢管管尾紧密接触，当到位传感器感应不到信号，电磁阀打开，除水管路开始对钢管螺纹和内壁进行吹气。经过设定时间（根据水压机35 s一根钢管的生产节奏，设定除水的时间为5 s），电磁阀关闭，吹气结束。吹气结束后降噪筒在气缸的带动下开始回退。为了加快节奏，增加中间传感器，感应到钢管信号时，惠斯顿机构将钢管取到下一工位，完成下料，降噪筒也到达初始位置，原位传感器感应到信号，完成一个钢管除水和降噪的整体过程。

当限位传感器感应到钢管信号，整个除水降噪工位不动作，岗位人员进行人工干预降噪装置的位置。限位传感器为安全保护传感器，防止过长钢管对降噪装置的破坏。

4.2 自动控制

降噪装置的控制程序嵌入到原水压机PLC程序，监控的是数字量信号，利用原水压机电器柜内数字量模块富余的I/O点与PLC进行通信。组态软件进行数据采集和监控，岗位人员通过对传感器状态的监控，实时监控降噪装置的运行状态［13-14］。

PLC编程使用梯形图语言，按照顺序动作的逻辑控制方式，与前后工位的联动，满足生产需求。

5 结论

该小孔复合消音降噪装置的使用，降低了管内除水时产生的噪音，噪音从110 dB降到80 dB，低于国家85 dB的规范要求［15］，满足安全生产需要。

该小孔复合消音除水降噪装置为自主设计，自主编程，并实现了自动控制，以较少的投资解决了生产线上的环保问题，达到了预期目的。

宝鸡钢管西安分公司于2015年4月完成了3台水压机降噪装置的安装、调试和使用。截至目前，运行稳定，生产节奏和适用规格满足使用要求。

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●信息

“超深复杂井用钻杆关键技术研究及应用”等项目荣获2016年中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖

2016年8月20日，2016年中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖获奖项目公布，有62个项目获奖。其中，宝山钢铁股份有限公司的“超深复杂井用钻杆关键技术研究及应用”项目荣获一等奖；天津钢管集团股份有限公司、燕山大学的“高品质高强度抗硫化氢应力腐蚀油井管制造关键技术开发与产业化”，东北大学、宝钢特钢有限公司、甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司、青岛元鼎高合金管业有限公司的“高品质特殊钢高温辊底式热处理炉成套装备技术研发与应用”项目荣获二等奖；江苏武进不锈股份有限公司、永兴特种不锈钢股份有限公司的“石化加氢装置用大口径奥氏体合金无缝管关键技术与产品开发”项目荣获三等奖。

（本刊）

Design and Application of Small Hole Composite Muffler Noise Reduction Device

DING Chao1，YANG Fan2
（1.Xi’an OCTG Company of BSG Group，Xi’an 710201，China；2.Shaanxi Electric Power Company Materials Company，Xi’an 710000，China）

A type of small hole composite muffler is designed，basing on the analysis of the causes for the noise on field，as well as the muffling principles of reactive muffler and small-hole muffler.Introduced are the application conditions of the said muffler such as the field arrangement，the device design and the process flow.The performance of the application is also evaluated.The noise reduction cylinder is evenly covered withΦ2 mm holes and sealed up on one end.When air passes by the holes on the cylinder，its pressure and flow rate is reduced，so the jet noise will shift to high or ultrahigh frequency range and its audible frequency part will be significantly reduced.In this way the noise is reduced from 110 dB to 80 dB.

steeltube；smallhole muffling；reactive muffling；noise reduction device；noise reduction process

TG155.4

B

1001-2311（2016）05-0029-05

2016-03-07；修定日期：2016-05-17）

丁超（1987-），男，工程师，从事钢管设备维护工作。