Шум и вибрации в работе клапанов, причины возникновения и методы борьбы с ними

23 января 2020

Почему клапаны, снижающие давление, шумят?

Для ответа на этот вопрос нужно знать, что такое регулирующий клапан. В общем смысле это переменное отверстие, с разным профилем и разным коэффициентом расхода. На вопрос о шуме проще всего ответить на примере прохождения потока воды через дроссельную шайбу: когда вода проходит через отверстие в шайбе, схема потока меняется так, как показано на рисунке ниже.

Рис. 1. Изменение давления при течении среды через дроссельную шайбу

Поток ускоряется, проходя через шайбу и достигая максимума скорости за отверстием шайбы в точке, известной как Vena contracta (точка максимального сужения потока), а затем замедляется до начального значения. При этом давление резко падает до минимума в точке максимальной скорости потока (vena contracta), затем возрастая до значения меньше начального. Разница давлений — это потери между входным и конечным выходным давлением. Где же происходят потери давления?

Рассмотрим скорость потока и давление как форму энергии (кинетической и потенциальной, соответственно). Энергия никуда не «теряется», она переходит из одной формы в другую. Помимо перехода энергии давления в энергию скорости и так далее, есть также другие виды, в которые скорость (кинетическая энергия) и давление (потенциальная энергия) могут перейти — это тепло, шум и вибрация.

Учитывая, что теплопередача — функция времени, и то, что вода проходит через отверстие/клапан относительно быстро, то количество энергии, переходящей в тепло, незначительно. Это оставляет шум и вибрацию основными видами энергии, в которые может перейти энергия давления.

Скорость потока при входном давлении возрастает при проходе через отверстие, а энергия давления переходит в возросшую скорость потока (кинетическую энергию), шум и вибрации. После точки vena contracta, скорость потока (кинетическая энергия) переходит обратно в энергию давления, шум и вибрации, пока скорость не станет равна исходной (за счет единого объема потока, проходящего через одну и ту же площадь). Шум и вибрации — потери энергии давления, уходят из клапана и окружающего трубопровода или в атмосферу (в случае шума), или в опоры, несущие конструкции, землю (в случае вибраций).

На вопрос, как узнать, насколько шумным будет клапан, нет простого ответа. Из текста выше понятно, что клапан, понижающий давление, всегда шумит, так как по принципу работы он должен производить шум (энергию), чтобы снижать давление (энергию).

При этом величина создаваемого шума (уровень звукового давления) зависит от многих параметров, в основном от скорости потока, давления на входе в клапан и давления после клапана. Характеристики, снижающие уровень шума в клапане, зависят от конструкции клапана, к примеру, от профиля, материала, толщины, площади поверхности корпуса клапана, внутреннего устройства клапана и т. д.

Из-за огромного числа вариантов перепада давления на клапане, расхода и конструкции клапана, нет точных формул для подсчета шума, производимого клапанами, снижающими давление. В некоторых случаях уровень шума можно приблизительно оценить с помощью тестов в специальных условиях. В мире существует всего несколько испытательных стендов для шума, особенно для измерения уровней звукового давления от регулирующих клапанов (учитывая огромное число труб, насосов и т. д., требуемых для моделирования множества управляющих условий, плюс необходимость изоляции испытываемых клапанов от окружающих факторов).

Эти дорогостоящие тесты, в лучшем случае, приблизительны, так как показывают только уровень шума, производимый толстостенным клапаном, и не учитывают достаточно высокий уровень шума, производимый окружающим трубопроводом и другими фитингами в узле клапана. Если бы аналогичные условия эксплуатации (диапазон расхода и диапазон перепада давления) были испытаны на клапане одного и того же диаметра, такие результаты испытаний можно было бы использовать как показатель шума, производимого данной моделью клапанов принятого диаметра. Но реальность такова, что вероятность найти протокол испытаний с аналогичными условиями эксплуатации крайне мала (от любого производителя клапанов или лаборатории), и эти результаты не будут отражать реальных условий эксплуатации из-за отсутствия окружающих трубопроводов и фитингов.

Испытания уровня шума, конечно, можно привести к более точным результатам, используя сходные трубопроводы и условия эксплуатации, но затраты будут достаточно высоки, учитывая как требуемые трубопроводы и фитинги, так и малое число испытательных установок, и их соответствующие ограничения.

Чем опасен шум? Чрезмерный уровень шума оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье, прежде всего на слух, нервную систему и сердце. Воздействие шума и сочетание воздействия вибрации и шума может оказывать значительное негативное влияние на работоспособность. Допускаемый уровень шума на рабочем месте обычно не должен быть выше 80 дБ, при этом запрещается даже кратковременное пребывание в местах со звуковым давлением свыше 135 дБ. Для примера цепная пила создает шум в 100 дБ, а старт реактивного самолета — в 120 дБ.

Основные способы борьбы с шумом и вибрацией зависят от природы шума: механической, аэродинамической или гидродинамической.

Причиной механического шума могут быть механические вибрации внутренних элементов клапана, резонанс, неправильное движение внутренних частей, слишком большие зазоры. Соответственно, способами снижения этого типа шума являются:

• использование специальных форм плунжеров и дроссельных клеток, например, как это реализовано в клапанах Polna серии Z1A/Z1B (рис. 2-3);
• использование различных сочетаний данных элементов, в том числе использование многоступенчатых плунжеров, как, например, в клапанах прямого действия производства компании АДЛ серии Гранрег КАТ (рис. 4);
• уменьшение зазоров с учетом условий работы клапана;
• внутренние конструкции с ограничением вибраций.

Рис. 2. Клапан регулирующий Polna серии Z1A/Z1B с контурным плунжероми опрессованной клеткой

Рис. 3. Клапан регулирующий Polna серии Z1A/Z1B с двухступенчатым плунжером и дроссельной клеткой

Рис. 4. Клапан регулирующий АДЛ серии Гранрег КАТ80 с многоступенчатым плунжером

Причины аэродинамического шума в основном описаны выше — в случае, когда скорость за клапаном в точке vena contracta превышает рекомендованную, в работе клапанов может появляться подобный тип шумов. На практике применяют следующие методы борьбы:

• шумоизоляция выходного трубопровода;
• увеличение стенки трубопровода;
• соблюдение рекомендаций при подборе клапанов (с том числе по заужению/расширению диаметра трубопровода перед/после клапана);
• применение шумоподавляющих пластин (рис. 5);
• плунжеров с большим количеством отверстий, как реализовано, например, в серии клапанов Polna Z1A/Z1B (рис. 6);
• использование гибких вибровставок, наподобие FC10 производства АДЛ (рис. 7).

При большом уровне шума данные способы можно использовать одновременно.

Рис. 5 Шумоподавляющая пластина

Рис. 6 Специальные исполнения плунжеров для клапанов Polna серии Z1A/Z1B

Рис. 7 Вставки гибкие фланцевые АДЛ FC10

Гидродинамический шум чаще связан с кавитацией, вскипанием, флешингом и турбулентным течением потока в клапане и трубопроводе (рис. 8). Данные причины возникновения шума и способы борьбы с ними — тема отдельной большой статьи. В общих словах можно сказать, что данные негативные явления возникают в случае образования пузырьков из-за достаточно большого перепада давления на входе и выходе из клапана.

Рис. 8. Примеры повреждения элементов клапанов в результате кавитации, флешинга и вскипания

Главными способами борьбы с гидродинамическим шумом являются: — использование антикавитационных вставок, например, как в клапанах производства АДЛ серии Гранрег КАТ10 (рис. 9):

Рис. 9. Антикавитационная вставка, применяемая в клапанах АДЛ серии Гранрег КАТ10

• использование многоступенчатых плунжеров, как в предлагаемых в серии клапанов прямого действия производства АДЛ серии Гранрег КАТ23 (рис. 10):

Рис. 10. Клапан регулирующий прямого действия АДЛ серии Гранрег КАТ23 с многоступенчатым плунжером

• использование плунжеров профильной и перфорированной формы — как в клапанах специального исполнения Polna Z1A/Z1B (рис. 11):

Рис. 11. Клапан регулирующий Polna серии Z1A/Z1B с многоступенчатым плунжером

• использование клапанов с поворотной тарелкой типа Polna серии Z33 (рис. 12):

Рис. 12. Клапан регулирующий Polna серии Z33 с поворотной тарелкой, с повышенной пропускной способностью

• использование стеллитовых тарелок и стеллитирование седел во внутренней конструкции, к примеру, как в клапанах производства компании Mankenberg DM505 и DM652 (рис. 13):

Рис. 13 Клапан Mankenberg DM505 в специальном исполнении со стеллитовым седлом

В данной статье рассматривается лишь часть конструкций регулирующих клапанов, обеспечивающая работу оборудования в течение срока службы в тяжелых условиях эксплуатации. При возникновении вопросов по подбору и работе оборудования следует обращаться к инженерам отдела регулирующей арматуры Компании АДЛ.

Оборудование

Клапаны с пилотом Гранрег КАТ10/01 Клапаны с пилотом Гранрег КАТ10/03 Клапаны с пилотом Гранрег КАТ10/04 Клапаны с пилотом Гранрег КАТ10/10