流体管道降噪技术在石化企业中的应用*

于金宁，刘 波，申世民，周 亮

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104 2.中国石化催化剂有限公司，北京 100029)

0 前言

工作场所噪声是世界范围内的主要职业病危害因素，石化企业高噪声设备种类多、数量大、分布面广、声源种类复杂的固有特点及装置向大型化、联合化发展，使得噪声问题日益凸显。其中装置工艺及公用工程管道多，且多含高温、高压流体介质，进而流体管道噪声已成为石化企业主要噪声污染源。由于管道常采用管廊高架布置，造成噪声发生点辐射面位置比较高，辐射面积大，影响范围广。并且噪声损伤听力、神经、心血管、消化系统等身体多个系统，与石化企业典型毒物具有联合作用[2-4]，这些问题成为石化企业职业病危害控制的焦点与难点。本文以某石化装置的压缩机排气管线和热力管道为例，对流体管道的噪声源特性、产生机理进行分析，并采用管道阻尼减振、吸隔声包扎和真空降噪等技术对流体管道噪声进行治理，获得了良好的降噪效果。

1 对象与方法

1.1 对象

石化装置流体管道的噪声源主要存在于调压阀、汇管和弯管等处，选择某石化装置的压缩机排气管线和某石化装置的热力管道作为治理对象。

1.2 噪声源检测

利用Casella CEL630声级计对噪声源进行倍频程声压级检测，声级计固定在三脚架上，测点取在管线轴线45°方向上[5]，距管道表面30 cm处。

1.3 隔声构建隔声量计算方法

圆形管道在声波的激励下产生的振动方式与平板不全相同，这主要是圆形管道存在管截面的最低共振频率，常称为自鸣频率，标记为fr[6]，公式为：

(1)

式中：CL——管道中纵波的传播速度，m/s，其中钢为5 100 m/s;

d——标称管径，mm。

在自鸣频率以上，圆管的隔声量与平板的隔声量几乎一样；在自鸣频率以下，圆管隔声量的决定就得视情况而定。管道本身虽有一定的隔声量，但由于管壁都较薄，从而导致管内的噪声投射和辐射出来。为了增加管道的隔声量，采用管外包扎隔声材料的方法。管道包扎一般由两层材料构成，内层为柔软的吸声材料，外层为不透气的隔声材料，常用的有薄金属板、氯丁橡胶片材、铅皮等。管道包扎高频隔声效果显著，在低频中当波长大于材料厚度10倍以上时，管道与包扎材料易产生共振而使隔声性能下降，共振频率[1]由经验公式(2)确定：

(2)

式中：f0——管道与包扎材料组合的共振频率，Hz；

Ms——不透气隔声材料的面密度，kg/m2；

d——柔软的吸声材料的厚度，m。

在降噪工程复杂声环境中的声波，基本可视为无规入射，通过大量实验数据，无规入射时的隔声量TL[5]的经验公式(3)为：

TL=16lgMs+14lgf-29

(3)

式中：TL——隔声量，dB；

Ms——隔声材料的面密度，kg/m2；

f——频率，Hz。

100～3 200 Hz的平均隔声量经验公式(4)为：

(4)

式中：TL——100～3 200 Hz的平均隔声量，dB；

Ms——隔声材料的面密度，kg/m2。

1.4 阻尼板计算方法

在薄板隔声围护结构的隔声背板上涂刷特殊配比的阻尼材料能有效增加隔声结构的内阻尼，它能使隔声构件的动能转化为热能，从而减少构件的振动。阻尼层厚度的确定主要根据公式(5)而得出：

(5)

式中：η——构件(板)与阻尼层组合在一起的损耗因子；

η2——阻尼材料的损耗因子；

E1、E2——分别为构件(板)和阻尼材料的杨氏模量；

d1——为构件(板)的厚度，mm；

d2——阻尼材料的厚度，mm。

2 结果

2.1 声源分析

石化装置流体管道噪声产生的主要原因有2种：①流体流经调压阀、变径管、汇管和弯管等结构时会发生运动状态的变化，形成湍流和涡流，形成对管路的激振，导致噪声的产生；②与流体管线连接的压缩机或机泵产生机械振动作为一种激发，与管线、管件和支架组成的弹性系统的固有频率相接近时，也会引起管道的振动导致噪声的产生。对本项目压缩机排气管线和热力管道现场勘测时发现，若空运转时，管道及主机运转很平稳，而加负载后，振动与噪声明显，则说明管道噪声主要是由于气流脉动而引起。使用声级计对噪声源频谱特征分析后发现，压缩机管线和热力管道的噪声呈现中高频偏高特征，总声压级在102.3～104.0 dB(A)，500～4 000 Hz频段的噪声强度较高，噪声测量及频谱特征详见表1。

表1 噪声测量值与频谱特征 dB(A)

2.2 压缩机排气管线降噪技术与实施效果

压缩机管线噪声产生的主要原因为气流脉动引起的管道振动，本研究对排气管线采用阻尼减振、吸隔声包扎的方法进行治理。通过公式(1)计算自鸣频率fr=0.08 Hz。待包扎管道直径200 mm，包扎所用吸声材料厚度为0.05 m，不透气隔声材料面密度Ms取值3.95 kg/m2，通过公式(2)计算可得共振频率f0=94.5 Hz，故管壁贴合阻尼材料调配针对63～125 Hz频段来排除共振。阻尼包扎结构从内向外组成依次为：低频阻尼结构5 mm，高频吸声结构50 mm，中低频吸声结构50 mm，镀锌喷塑彩钢板0.5 mm，如图1所示。包扎重点部位为三通、调节阀和弯头等处，包扎尺寸为φ500 mm×1 500 mm,φ250 mm×1 000 mm,φ500 mm×2 500 mm。考虑设备检修及维护要求，包扎体制作成半柱面模块，安装时直接将两模块贴紧管壁，卡扣压紧，如图2所示。实施后对排气管线的噪声强度检测结果显示，距离管道30 cm处的噪声由实施前的102.3～104 dB(A)降低为83.4～85.6 dB(A)，降噪效果明显。

图1 吸隔声包扎结构

图2 吸隔声包扎现场实施情况

2.3 某装置热力管道降噪技术与实施效果

某装置热力管道噪声产生的主要原因同样为气流脉动引起的管道振动。与压缩机排气管线不同，热力管道的表面温度高，超过了阻尼材料的有效温域范围而不能直接敷贴阻尼材料，管道表面温度过高也会影响材料的使用寿命，同时存在施工安全问题。因此本研究采用真空降噪技术，通过在原有管道外增加抽真空套管，利用声音无法在真空中传播的特性降噪，同时隔绝热传导、热对流等传热方式，降低热量对降噪材料的不利影响。

整体降噪结构从里向外依次为真空降噪层、阻尼减振层、吸声材料层及高分子涂层，如图3所示。真空降噪层是通过在原有管道外增加套管抽真空形成，通过压力表显示真空层的压力。真空降噪层外敷设的阻尼减振材料、吸声材料和高分子涂料起到减振、吸隔声的作用，实施情况见图4。本研究对热力管道90°弯头采用真空降噪技术后效果检测显示距离管道30 cm处的噪声由实施前的103.9 dB(A)降低为70.2 dB(A)，降噪效果明显。

图3 真空降噪结构

图4 真空降噪现场实施情况

3 讨论

预防和控制职业性噪声危害、减少听力损失的发生，是职业卫生领域的重点和难点。石化生产装置多涉及管道的气、液、固态物料输送，管道流体噪声是石化企业生产型噪声的重要来源。因生产流程复杂而导致管道跨度长，弯头管、变径多，输送物料常呈高压、高温状态且具有易燃易爆特性，使得管道流体噪声成为石化企业噪声控制的难点。在管道噪声治理过程中，除了要考虑噪声治理技术本身的效果外，因石化企业生产安全、检修特殊性而导致治理难度增大，具体表现为：①降噪治理时管道都已经安装到位，预留空间局促，很难在大型管道(如直径1 m以上)安装专业减振措施，并且也挤压本体的降噪设施空间。②石化管道表面一般温度较高，部分管线甚至超过100 ℃，设计方案时需要考虑高温下材料的使用寿命，以及材料的防火性能；管道表面高温情况下(尤其是温度超过几百摄氏度时)的施工安全问题；管道原有保温措施的拆除再平衡问题。③管道内易燃易爆泄漏等的安全问题等。

本研究选择了石化企业两种典型的流体管道作为噪声治理研究对象，并根据管道不同的特点采取不同的技术方案。

压缩机排气管线内的介质为空气，管道温度约为40 ℃左右，采用了阻尼减振和吸隔声包扎的方法。通过阻尼减弱管壁金属板弯曲振动的强度而降低噪声。另外阻尼可以缩短金属板被激振的振动时间[5]。在阻尼材料外再通过玻璃丝棉和岩棉进行吸隔声包扎和平板外壳外敷进行综合降噪，取得了良好的降噪效果。半柱面模块化设计与卡口式连接非常便于设备检修及维护要求。

针对热力管道采用真空降噪方法的原因是考虑到热力管道的表面温度高，直接敷设阻尼和吸隔声包扎不能发挥阻尼材料的作用且高温下材料的寿命短。通过在热力管道管壁增设套管真空层，以实现隔声、隔热效果，并辅以表层阻尼和吸声结构来降低通过管理刚性结构传递的振动，真空复合结构降噪效果较好。

本文两项工程实践显示阻尼与吸隔声包扎和真空降噪能有效降低石化流体管道噪声，可为管道噪声治理提供有益借鉴。与此同时，在实践过程中发现针对含易燃易爆介质管道的包扎降噪，会带来火灾和爆炸的潜在风险。管道包扎会增加管道重量，对已经投入运行的管道支撑和平衡等会产生影响。因此，后续还需继续进行技术开发与设计优化，以期为石化行业提供安全环保型降噪技术产品。