低噪声阀门设计原理及阀门噪声控制分析

荚春龙

摘要：在流體运输过程中，阀门是主要调节元件，具有调节流体流动方向、流通面积等作用。基于阀门的独特作用，在使用期间易产生噪声，引发噪声污染。低噪声阀门的设计与阀门噪声控制措施的应用，可有效控制阀门产生的噪声，保障流体系统稳定可靠运行。

关键词：噪声;阀门;阀芯

0  引言

在阀门运行过程中，噪声的出现往往伴随着振动，会降低阀门的性能，缩短阀门的使用寿命，还会对阀门附近管路与设备造成影响，加大其疲劳值，加速管路与设备的老化，甚至会产生安全事故。可见，关于低噪声阀门的设计与噪声控制研究，具有鲜明现实意义。

1  低噪声阀门设计原理

1.1 阀门噪声来源

在阀门运行中，噪声来源包括以下三类：

第一，液体动力噪声。管路中液体流动过程中，会出现汽蚀现象，气泡爆炸会产生噪声，还会形成冲击波，导致阀门及管路出现振动，缩短其使用寿命。该噪声的产生原理如下：在流体中某点静压力值低于蒸汽压力与阀缩面后，压力降至流体蒸汽压力时，会出现气泡;当带有气泡的流体通过阀门时，压力增加，超过液体的蒸汽压力，气泡会破裂爆炸，出现噪声。

第二，空气动力噪声，在气体或蒸汽处于紊流状态时，会产生一定冲击力，与阀门后的静止气流形成相互作用，产生气流压强脉动频率，当频率数值增加至人体可听范围时，即出现空气动力噪声。

第三，流体上方噪声，管路内的流体介质具备一定声音传播能力，可能会传播阀门周围运行环境的噪音或设备产生的噪音，使噪声传播至阀门处，产生阀门噪声[1]。如舰艇中配置的吸入式通海阀，会传播海水因冲击产生的噪声，对舰艇阀门与设备造成不利影响。

1.2 低噪声阀门设计

1.2.1 低噪声阀门设计思路

结合阀门噪声来源，低噪声阀门的设计可从噪声来源与噪声传播途径两方面入手，减弱阀门噪声，规避其不利影响。

在基于噪声来源的阀门设计中，设计人员可结合液体动力噪声与空气动力噪声的出现原理，对阀门结构进行优化设计，减少阀门噪声的产生。细化来说，设计人员可从以下几方面入手：①优化阀门结构，设计人员需尽最大限度保障阀门结构的通畅性，确保流体可顺利通过阀门结构，避免阀门内存在过多障碍物，引发流体动力噪声;②优化阀门零件，设计人员可在阀门结构中应用带有平行窄槽的阀笼，降低气体紊流现象的出现概率，控制空气动力噪声。

在基于噪声传播的阀门设计中，设计人员可结合噪声传播方式，设置阻尼，减弱阀门噪声传播。结合阀门的运行环境可知，阀门噪声传播的主要途径为阀体壁及流体。设计人员可选择具备吸收噪音功能的材料作为阀门原材料，在阀门结构中配置吸声装置与减振装置，降低阀体壁的噪声传播效果。同时，在阀门结构设计中，和直管通路相比，弯管可适当减弱噪声。为此，设计人员可在流体管路的出口区域，将管路进行弯折90°处理，控制噪声传播。

同时，在阀门设计中，部分阀门会在特定位置产生噪声，需设计人员进行针对性阀门设计优化，如直线型截止阀、高压空气减压阀等。在实际应用中，直线型截止阀的开度在28%左右时，会产生离散信号，引发噪声，设计人员可通过阀盘底部凸缘结构的设置，预防离散振动波，防止噪声出现;高压空气减压阀的主阀盘易产生噪声，设计人员可在主阀盘位置配置弹性结构，用于缓冲主阀盘的运动，减少噪声的出现[2]。

1.2.2 低噪声阀门设计案例

本文以高压差调节阀为例，分析低噪声阀门的设计要点，为相关人员提供实践参考。

第一，高压差调节阀的结构优化。在基于噪声来源的低噪声阀门设计原理指导下，设计人员优化阀门内部壁面曲线弧度、节流口与进出口的形状，提高阀门结构内部的流畅度，形成良好的引流面，确保流体在阀门内保持稳定流动状态，防止流体动力噪声及空气动力噪声的出现。同时，对于高压差调节阀而言，如果调节阀前后单级压差过大，会引发汽蚀现象，导致空气动力噪声，设计人员需扩大阀门及阀芯内的节流区面积，或在阀门结构中配置多层节流装置，如迷宫式减压阀芯、多座式减压阀芯等，降低流体在阀门内的流速，实现低噪声阀门的设计。

第二，高压差调节阀的参数优化。在高压差调节阀运行中，如果产生的噪声相对较小，技术人员要想进一步减少阀门噪声，可通过阀门运动零件与定位零件的刚度调节，提高阀门结构的稳定性，减少噪声的产生。对于阀门结构来说，运动零件包括传动装置与定位器弹簧;定位零件包括阀杆、阀芯，设计人员可重点提升这四类零件的刚度，实现低噪声阀门设计。同时，在阀门结构中，阀门壁的厚度也会影响阀门噪声，设计人员适当提高阀门壁的厚度，减少阀门噪声。

第三，高压差调节阀的材料优化。在基于噪声传播的低噪声阀门设计原理指导下，设计人员合理选择高压差调节阀的材料，提高阀门结构的抗汽蚀能力，实现降低噪声的目的。对于一般管路设备，高压差调节阀可使用不锈钢材料;对于特殊要求的管路设备，可采用钴铬硬质合金。同时，因汽蚀现象通常出现于结构的表面，设计人员可在阀门设计环节，对阀门表面进行硬化处理。例如，在阀门的阀芯和阀杆等位置，使用奥氏体不锈钢或钴铬钨合金等材料，进行表面堆焊或表面喷镀处理，避免空气动力噪声的出现与传播。

2  阀门噪声控制措施

在阀门运行中，噪声产生与传播机制较为复杂，影响因素过多。即使使用低噪声阀门，也可能在阀门运行期间产生噪音。针对该现象，企业需结合阀门噪声状况，采取针对性控制措施，尽最大限度减少阀门噪声，保障阀门、管路、设备稳定运行。

2.1 优化管路与设备配置

在阀门、管路与设备配置中，三种设备零件的质量与参数规格，均会影响流体流动效果，进而影响阀门噪声。严重时甚至会引发安全事故，对企业造成较大经济损失。就此，在阀门噪声控制中，企业需进一步优化阀门、管路与设备的配置工作，具体可从以下两方面入手：

①在阀门优化配置中，部分企业的流体流动条件较为特殊，提高阀门运行工况的复杂性，对阀门结构有特殊要求。针对该现象，企业技术人员需在选择低噪声阀门的基础上，对阀门进行优化处理，实现阀门噪声的全面管控。常见的阀门复杂运行工况包括高温高压的运行环境、流体介质中带有杂质或腐蚀性物质、对阀门噪音有明确要求等，技术人员需从多角度入手，分析选择的阀门是否满足特殊工况的安全运行要求。例如，在大压差、大流速运行工况下，技术人员可在流体系统中优先选择多级套筒式调节阀门或迷宫式调节阀门，避免流体流动时产生汽蚀现象，控制空气动力噪声;在高温高压运行工况下，阀门的材料力学性能会降低，且阀门中的传动结构与导向结构空隙缩小，间隙变小，导致阀门出现磨损现象、振动现象，严重时会导致阀门失效，技术人员需在该工况下优先选择高温调节阀。

②在管路、设备优化配置中，结合阀门噪声来源，企业技术人员可从以下几方面入手，控制阀门噪声：

1）在水泵出口位置，将传统止回阀更换为缓闭止回阀，控制阀门关闭的速度，避免止回阀快速关闭引发噪声;

2）在管路中配置泄压保护阀，该阀门可在管路压力超过额定保护值的情况下，自动开启排水口，进行泄压处理，降低管路压力，保障流体稳定流动，控制阀门噪声;

3）技术人员可在水泵和止回阀间安装自动排气阀，该阀门可自动排出管路内的空气，确保水泵开启前，管路内充满流体，提高流体流动稳定性，避免空气动力噪声的出现;

4）在管路设计时，结合相关规范与流体特征，设置管路流速，并根据工程造价与管路运行环境，设置管径，通过管路结构优化，防控阀门噪声;

5）在管路中配置安全气压罐，该设备可根据管路压力数值，进行管路高压的吸收与管路低压的补水处理，保障管路内水压的稳定，避免噪声的出现。

2.2 加强阀门运维管理

在阀门应用过程中，企业开展的阀门运维保养与日常管理工作，会影响阀门的运行状态与质量，进而影响阀门噪声。为有效防控阀门噪声，企业在管理阀门时，需做到以下几点：

①技术人员在对阀门进行开、关等操作时，需控制阀门操作的速度与力度，以均匀的速度缓慢操作阀门，适当延长阀门操作的时间，可控制阀门产生的汽蚀现象或振动现象，进而实现控制噪声的目的。

②技术人员在开启水泵时，需控制水泵出口区域阀门的开度，要求阀门不可全部开启，避免阀门开度过大，水泵传输的水体产生较大冲击力，引发噪声。

③定期进行设备清理工作，清理范围包括阀门的阀体、阀芯、阀座密封面及阀芯节流孔等，确保阀门结构内部的流通性，避免阀门结构出现堵塞或腐蚀等现象，影响阀门正常运行，导致阀门出现噪声。

④在阀门日常检查中，需将阀门密封盘根及密封圈纳入检查范围，确保阀门保持良好的密封性。如果检查中发现阀门的密封结构出現损坏，需立即更换零件。

⑤在阀门运行过程中，技术人员需定期向阀门的传动装置及导向装置添加润滑油，保障阀门运动结构的稳定运行，提高阀门整体运行的稳定性，防止流体动力噪声的出现[3]。

另外，在阀门使用中，阀门供应商的零件加工精度，也会对阀门噪声产生影响。基于阀门噪声来源，阀门结构内的粗糙度与流道壁面存在的毛刺现象，会引发紊流现象，引发空气动力噪声。就此，供应商在进行阀门加工时，需提高加工精度;企业在采购阀门零件时，需做好质量检验工作，对阀门内部粗糙度较高或流道壁面存在毛刺的零件，进行返厂处理，避免不合格阀门用于管路，实现阀门噪声的有效控制。

3  结论

综上所述，阀门噪声包括液体动力噪声、空气动力噪声、流体上方噪声三部分。结合噪声来源，设计人员可从噪声来源和噪声传播途径两方面入手，设计低噪声阀门。在阀门噪声控制中，企业可从管路与设备配置优化、阀门运维管理两方面入手，减少阀门产生的不利影响，保障阀门与管路、设备的长期稳定可靠运行。

参考文献：

[1]徐号钟，唐科范.阀门流动噪声源识别与控制研究[J].水动力学研究与进展（A辑），2019，34（05）：559-570.

[2]方超，马士虎，蔡标华，等.高压差流量调节阀流道低噪声优化设计[J].舰船科学技术，2018，40（07）：147-151.

[3]方超，蔡标华，马士虎，等.基于系统配置的船舶注水系统噪声控制研究[J].船舶工程，2018，40（03）：41-44，61.