于金寧，劉 波，申世民，周 亮

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104 2.中國(guó)石化催化劑有限公司，北京 100029)

0 前言

工作場(chǎng)所噪聲是世界范圍內(nèi)的主要職業(yè)病危害因素，石化企業(yè)高噪聲設(shè)備種類多、數(shù)量大、分布面廣、聲源種類復(fù)雜的固有特點(diǎn)及裝置向大型化、聯(lián)合化發(fā)展，使得噪聲問(wèn)題日益凸顯。其中裝置工藝及公用工程管道多，且多含高溫、高壓流體介質(zhì)，進(jìn)而流體管道噪聲已成為石化企業(yè)主要噪聲污染源。由于管道常采用管廊高架布置，造成噪聲發(fā)生點(diǎn)輻射面位置比較高，輻射面積大，影響范圍廣。并且噪聲損傷聽力、神經(jīng)、心血管、消化系統(tǒng)等身體多個(gè)系統(tǒng)，與石化企業(yè)典型毒物具有聯(lián)合作用[2-4]，這些問(wèn)題成為石化企業(yè)職業(yè)病危害控制的焦點(diǎn)與難點(diǎn)。本文以某石化裝置的壓縮機(jī)排氣管線和熱力管道為例，對(duì)流體管道的噪聲源特性、產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并采用管道阻尼減振、吸隔聲包扎和真空降噪等技術(shù)對(duì)流體管道噪聲進(jìn)行治理，獲得了良好的降噪效果。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

石化裝置流體管道的噪聲源主要存在于調(diào)壓閥、匯管和彎管等處，選擇某石化裝置的壓縮機(jī)排氣管線和某石化裝置的熱力管道作為治理對(duì)象。

1.2 噪聲源檢測(cè)

利用Casella CEL630聲級(jí)計(jì)對(duì)噪聲源進(jìn)行倍頻程聲壓級(jí)檢測(cè)，聲級(jí)計(jì)固定在三腳架上，測(cè)點(diǎn)取在管線軸線45°方向上[5]，距管道表面30 cm處。

1.3 隔聲構(gòu)建隔聲量計(jì)算方法

圓形管道在聲波的激勵(lì)下產(chǎn)生的振動(dòng)方式與平板不全相同，這主要是圓形管道存在管截面的最低共振頻率，常稱為自鳴頻率，標(biāo)記為fr[6]，公式為：

(1)

式中：CL——管道中縱波的傳播速度，m/s，其中鋼為5 100 m/s;

d——標(biāo)稱管徑，mm。

在自鳴頻率以上，圓管的隔聲量與平板的隔聲量幾乎一樣；在自鳴頻率以下，圓管隔聲量的決定就得視情況而定。管道本身雖有一定的隔聲量，但由于管壁都較薄，從而導(dǎo)致管內(nèi)的噪聲投射和輻射出來(lái)。為了增加管道的隔聲量，采用管外包扎隔聲材料的方法。管道包扎一般由兩層材料構(gòu)成，內(nèi)層為柔軟的吸聲材料，外層為不透氣的隔聲材料，常用的有薄金屬板、氯丁橡膠片材、鉛皮等。管道包扎高頻隔聲效果顯著，在低頻中當(dāng)波長(zhǎng)大于材料厚度10倍以上時(shí)，管道與包扎材料易產(chǎn)生共振而使隔聲性能下降，共振頻率[1]由經(jīng)驗(yàn)公式(2)確定：

(2)

式中：f0——管道與包扎材料組合的共振頻率，Hz；

Ms——不透氣隔聲材料的面密度，kg/m2；

d——柔軟的吸聲材料的厚度，m。

在降噪工程復(fù)雜聲環(huán)境中的聲波，基本可視為無(wú)規(guī)入射，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)規(guī)入射時(shí)的隔聲量TL[5]的經(jīng)驗(yàn)公式(3)為：

TL=16lgMs+14lgf-29

(3)

式中：TL——隔聲量，dB；

Ms——隔聲材料的面密度，kg/m2；

f——頻率，Hz。

100～3 200 Hz的平均隔聲量經(jīng)驗(yàn)公式(4)為：

(4)

式中：TL——100～3 200 Hz的平均隔聲量，dB；

Ms——隔聲材料的面密度，kg/m2。

1.4 阻尼板計(jì)算方法

在薄板隔聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲背板上涂刷特殊配比的阻尼材料能有效增加隔聲結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼，它能使隔聲構(gòu)件的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少構(gòu)件的振動(dòng)。阻尼層厚度的確定主要根據(jù)公式(5)而得出：

(5)

式中：η——構(gòu)件(板)與阻尼層組合在一起的損耗因子；

η2——阻尼材料的損耗因子；

E1、E2——分別為構(gòu)件(板)和阻尼材料的楊氏模量；

d1——為構(gòu)件(板)的厚度，mm；

d2——阻尼材料的厚度，mm。

2 結(jié)果

2.1 聲源分析

石化裝置流體管道噪聲產(chǎn)生的主要原因有2種：①流體流經(jīng)調(diào)壓閥、變徑管、匯管和彎管等結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，形成湍流和渦流，形成對(duì)管路的激振，導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生；②與流體管線連接的壓縮機(jī)或機(jī)泵產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)作為一種激發(fā)，與管線、管件和支架組成的彈性系統(tǒng)的固有頻率相接近時(shí)，也會(huì)引起管道的振動(dòng)導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。對(duì)本項(xiàng)目壓縮機(jī)排氣管線和熱力管道現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，若空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，管道及主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，而加負(fù)載后，振動(dòng)與噪聲明顯，則說(shuō)明管道噪聲主要是由于氣流脈動(dòng)而引起。使用聲級(jí)計(jì)對(duì)噪聲源頻譜特征分析后發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)管線和熱力管道的噪聲呈現(xiàn)中高頻偏高特征，總聲壓級(jí)在102.3～104.0 dB(A)，500～4 000 Hz頻段的噪聲強(qiáng)度較高，噪聲測(cè)量及頻譜特征詳見表1。

表1 噪聲測(cè)量值與頻譜特征 dB(A)

2.2 壓縮機(jī)排氣管線降噪技術(shù)與實(shí)施效果

壓縮機(jī)管線噪聲產(chǎn)生的主要原因?yàn)闅饬髅}動(dòng)引起的管道振動(dòng)，本研究對(duì)排氣管線采用阻尼減振、吸隔聲包扎的方法進(jìn)行治理。通過(guò)公式(1)計(jì)算自鳴頻率fr=0.08 Hz。待包扎管道直徑200 mm，包扎所用吸聲材料厚度為0.05 m，不透氣隔聲材料面密度Ms取值3.95 kg/m2，通過(guò)公式(2)計(jì)算可得共振頻率f0=94.5 Hz，故管壁貼合阻尼材料調(diào)配針對(duì)63～125 Hz頻段來(lái)排除共振。阻尼包扎結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外組成依次為：低頻阻尼結(jié)構(gòu)5 mm，高頻吸聲結(jié)構(gòu)50 mm，中低頻吸聲結(jié)構(gòu)50 mm，鍍鋅噴塑彩鋼板0.5 mm，如圖1所示。包扎重點(diǎn)部位為三通、調(diào)節(jié)閥和彎頭等處，包扎尺寸為φ500 mm×1 500 mm,φ250 mm×1 000 mm,φ500 mm×2 500 mm?？紤]設(shè)備檢修及維護(hù)要求，包扎體制作成半柱面模塊，安裝時(shí)直接將兩模塊貼緊管壁，卡扣壓緊，如圖2所示。實(shí)施后對(duì)排氣管線的噪聲強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果顯示，距離管道30 cm處的噪聲由實(shí)施前的102.3～104 dB(A)降低為83.4～85.6 dB(A)，降噪效果明顯。

圖1 吸隔聲包扎結(jié)構(gòu)

圖2 吸隔聲包扎現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

2.3 某裝置熱力管道降噪技術(shù)與實(shí)施效果

某裝置熱力管道噪聲產(chǎn)生的主要原因同樣為氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)。與壓縮機(jī)排氣管線不同，熱力管道的表面溫度高，超過(guò)了阻尼材料的有效溫域范圍而不能直接敷貼阻尼材料，管道表面溫度過(guò)高也會(huì)影響材料的使用壽命，同時(shí)存在施工安全問(wèn)題。因此本研究采用真空降噪技術(shù)，通過(guò)在原有管道外增加抽真空套管，利用聲音無(wú)法在真空中傳播的特性降噪，同時(shí)隔絕熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等傳熱方式，降低熱量對(duì)降噪材料的不利影響。

整體降噪結(jié)構(gòu)從里向外依次為真空降噪層、阻尼減振層、吸聲材料層及高分子涂層，如圖3所示。真空降噪層是通過(guò)在原有管道外增加套管抽真空形成，通過(guò)壓力表顯示真空層的壓力。真空降噪層外敷設(shè)的阻尼減振材料、吸聲材料和高分子涂料起到減振、吸隔聲的作用，實(shí)施情況見圖4。本研究對(duì)熱力管道90°彎頭采用真空降噪技術(shù)后效果檢測(cè)顯示距離管道30 cm處的噪聲由實(shí)施前的103.9 dB(A)降低為70.2 dB(A)，降噪效果明顯。

圖3 真空降噪結(jié)構(gòu)

圖4 真空降噪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

3 討論

預(yù)防和控制職業(yè)性噪聲危害、減少聽力損失的發(fā)生，是職業(yè)衛(wèi)生領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。石化生產(chǎn)裝置多涉及管道的氣、液、固態(tài)物料輸送，管道流體噪聲是石化企業(yè)生產(chǎn)型噪聲的重要來(lái)源。因生產(chǎn)流程復(fù)雜而導(dǎo)致管道跨度長(zhǎng)，彎頭管、變徑多，輸送物料常呈高壓、高溫狀態(tài)且具有易燃易爆特性，使得管道流體噪聲成為石化企業(yè)噪聲控制的難點(diǎn)。在管道噪聲治理過(guò)程中，除了要考慮噪聲治理技術(shù)本身的效果外，因石化企業(yè)生產(chǎn)安全、檢修特殊性而導(dǎo)致治理難度增大，具體表現(xiàn)為：①降噪治理時(shí)管道都已經(jīng)安裝到位，預(yù)留空間局促，很難在大型管道(如直徑1 m以上)安裝專業(yè)減振措施，并且也擠壓本體的降噪設(shè)施空間。②石化管道表面一般溫度較高，部分管線甚至超過(guò)100 ℃，設(shè)計(jì)方案時(shí)需要考慮高溫下材料的使用壽命，以及材料的防火性能；管道表面高溫情況下(尤其是溫度超過(guò)幾百攝氏度時(shí))的施工安全問(wèn)題；管道原有保溫措施的拆除再平衡問(wèn)題。③管道內(nèi)易燃易爆泄漏等的安全問(wèn)題等。

本研究選擇了石化企業(yè)兩種典型的流體管道作為噪聲治理研究對(duì)象，并根據(jù)管道不同的特點(diǎn)采取不同的技術(shù)方案。

壓縮機(jī)排氣管線內(nèi)的介質(zhì)為空氣，管道溫度約為40 ℃左右，采用了阻尼減振和吸隔聲包扎的方法。通過(guò)阻尼減弱管壁金屬板彎曲振動(dòng)的強(qiáng)度而降低噪聲。另外阻尼可以縮短金屬板被激振的振動(dòng)時(shí)間[5]。在阻尼材料外再通過(guò)玻璃絲棉和巖棉進(jìn)行吸隔聲包扎和平板外殼外敷進(jìn)行綜合降噪，取得了良好的降噪效果。半柱面模塊化設(shè)計(jì)與卡口式連接非常便于設(shè)備檢修及維護(hù)要求。

針對(duì)熱力管道采用真空降噪方法的原因是考慮到熱力管道的表面溫度高，直接敷設(shè)阻尼和吸隔聲包扎不能發(fā)揮阻尼材料的作用且高溫下材料的壽命短。通過(guò)在熱力管道管壁增設(shè)套管真空層，以實(shí)現(xiàn)隔聲、隔熱效果，并輔以表層阻尼和吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)降低通過(guò)管理剛性結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)，真空復(fù)合結(jié)構(gòu)降噪效果較好。

本文兩項(xiàng)工程實(shí)踐顯示阻尼與吸隔聲包扎和真空降噪能有效降低石化流體管道噪聲，可為管道噪聲治理提供有益借鑒。與此同時(shí)，在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)針對(duì)含易燃易爆介質(zhì)管道的包扎降噪，會(huì)帶來(lái)火災(zāi)和爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)。管道包扎會(huì)增加管道重量，對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)行的管道支撐和平衡等會(huì)產(chǎn)生影響。因此，后續(xù)還需繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)與設(shè)計(jì)優(yōu)化，以期為石化行業(yè)提供安全環(huán)保型降噪技術(shù)產(chǎn)品。