是时候降低噪声了

尽管不可避免，但噪声和振动不仅仅是麻烦，而且它们可能会导致一系列负面结果，包括一些可能具有危险性的结果。

石油和天然气管道纵横交错，遍及北美，以高效和精确的方式不断地将这些宝贵的资源从大陆的一个地区转移到另一个地区。仅在美国，就有大约95000英里的集油管线和干线以及不计其数的设备，这些设备必须保持在最佳状态，以确保运营安全、高效和盈利。这是一项重大且非常复杂的工作，必须考虑到大大小小的事件和条件、自然和人为因素。 

尽管不可避免，但噪声和振动不仅仅是麻烦，而且它们可能会导致一系列负面结果，包括一些可能具有危险性的结果。为了安全起见，这些细节确实很重要。

尽管无法绕开物理定律，但可以创造条件，使它们对操作人员和环境更有利。好消息是，利用最新技术，管理噪声和振动不仅可以实现，而且比以往任何时候都更容易、更有效，可以轻松实现更大的控制、安全性和效率。 

流体动力学噪声——气泡的潜在危险

在输油管道中，压力和速度的急剧变化会导致被称为气蚀的现象。当流经阀门的油品压力降至低于气化压力（油品沸腾或蒸发点）时，气蚀现象会成为问题。液态油蒸发后会转化为气体，然后变成气泡。这通常发生在缩流断面处，即最高速度和最低压力点。 

图1当压力恢复到介质的气化压力以上时，蒸汽（或气体）变回液体。

    图2气体流经文丘里管的速度变化。

当油的速度降低时，其压力反而恢复，直到高于油的气化压力为止（图1）。这导致蒸汽泡“爆裂”，因为它内爆并返回到它的液体状态。内爆持续的时间无穷小，但是在那几毫秒内，大量能量以强大冲击波的形式传递。之所以产生这些冲击波，是因为以极高速度运动的液体分子涌入以填充气泡破裂时产生的空隙。气泡越大，液体移动得越快，冲击波动能也就越强大。

除了集中能量的冲击波之外，这些内爆还会产生强大的定向能量微射流。它们以通常为数百万psi的单向力从气泡表面喷出。

实际上，这些气泡是局部流体动力噪声的根本原因，当出现气蚀现象时，可以在管道系统中听到这种声音。尽管通常声音不会太大，但这种看似无害的气泡破裂会以冲击波和微射流的形式产生足够的能量，从而造成严重的侵蚀性破坏，包括对阀组件的机械破坏。因此，需要紧迫解决这一问题。

了解空气动力噪声

空气动力噪声是由超音速流速引起的。在流体力学中，超音速意味着流体的流动速度大于该流体中的声速，从而引起冲击波的出现。 

当气体流过文丘里管时（管道的缩径部分），由于相同数量的介质被推入较小的开口，因此其速度增加。图2是文丘里管内速度的曲线图。速度曲线图的“y”轴以马赫数为单位，其中马赫数1表示气流处于音速，这是在气体可能限制范围内的最大速度以及声速。

马赫数是确定阀门噪声级以及管道系统振动可能性的重要参数。

在最大限制点，1马赫是物理上可能的最高速度。尽管如此，在限制条件的下游仍可能有大于1马赫的速度。

随着速度不断增加，会到达下游速度超过1马赫的点。气体速度的倾向应保持在声速以下。因此，在文丘里管的下游，速度会突然下降到1马赫或更低。速度和压力的这种近乎立即而剧烈的变化发生在只有几个气体分子宽度的空间中，并产生强大的冲击波，从而引起了极大的湍流。冲击波“附着”于物理边界的趋势更加复杂，在物理边界处，冲击波呈现出复杂且相互作用的形状，从而产生更大的湍流。

减少气蚀、噪声和振动

噪声和振动会造成计划外的维护成本、重要零件的更换、正常运行时间损失、收入损失和其他问题，从而动摇运营的每个部分。另外，噪声和振动在安全和社区关系中都存在重大问题。如果噪声足以破坏周围社区，即使最安全的操作也不会成功。

图3Q-Trim中包含的多种旨在帮助降低噪声和潜在气蚀现象的噪声降低技术。

 图4 Q-Trim降低低频以减少振动的频谱分析。

美卓的Neles® Q-Trim®控制阀适用于输油管道，用于减少噪声和振动，其功能基于50年的专业知识（图3）。Q-Trim用于解决管道问题的一些方法包括：

• 分级降压，减少或消除气蚀现象：Q-Trim降噪板将压降分成多个较小的压降，从而防止或减轻了导致气蚀的巨大压降以及由此产生的冲击波、微射流和随之而来的破坏。
• 分流可实现降噪、更安全的生产量：通过将流体分成多股，随着孔的直径变窄，单个孔口产生的噪声强度会迅速降低。这意味着，多个小孔比一个大孔能更有效地降低噪声。经验法则是，每当孔数量增加一倍时，噪声就会降低3dBA。
• 变阻设计可更好地控制压力和噪声：Q-Trim的变阻设计将整个解决方案置于阀内，优化了有压流，并帮助将噪声降低了15dBA。固定阻力设计对最小流量影响很小，最小流量会产生较大的压差，从而产生气蚀和噪声。
• 峰值频移以减少振动：较低的频率产生较大的波长，该波长更容易穿过物质。这意味着，就像汽车扬声器发出的低音一样，阀门中产生的低频可能会成为安静住宅区人们的烦恼。使用Q-Trim技术的控制阀与不使用Q-Trim技术的控制阀的噪声级进行频谱分析表明，Q-Trim在降低噪声和振动方面具有显着优势（图4）。
• 自净阀内件可实现最大的可靠性：当内件旋转时，Q-Trim利用工艺介质将堆积物从降噪板上冲洗掉。这样可以使阀门保持最佳工作状态，每年可以节省大量成本，并可以更好地控制过程可变性。

结论

Dealing with severe piping system noise from control valves is still a problem for many pipelines. However, thanks to dedicated R&D effort, advanced technology exists to make this problem an issue of the past. 

Quarter-turn control valves with Q-Trim technology are designed to reduce noise and vibration, enabling pipeline operators to ensure safe, efficient and compliant working conditions while simultaneously protecting the environment.

Through smart science that takes every detail into account and smart design that turns ideas into action, such technological advancements like Q-Trim valves, which are suited for oil and gas pipelines, can help companies to create more efficient and reliable operations.

Text by Steven Hocurscak, Product Manager, Metso
Article originally published in World Pipelines magazine August 2019 issue.