某轴流式止回阀开启特性试验研究及啸叫原因分析

概述

轴流式止回阀是石油、化工及长输管线等系统中的重要安全设备，其主要功能是严格限制流体单向流动，有效防止介质倒流，常用于保护泵组、压缩机等关键设备的安全运行。然而，随着工业装置的大型化发展，轴流式止回阀在实际运行中暴露出流通性能不稳定、阀瓣振荡以及噪声等问题，严重影响了管道系统的安全性和可靠性。因此，对轴流式止回阀进行试验研究，并开展结果或问题分析，对优化止回阀设计、提升其工程适用性具有重要的工程价值。

近年来，对于轴流式止回阀的研究取得了显著进展。Wang T、王秋林、李树勋、鱼荣芳都通过仿真分析揭示了阀瓣在关闭过程中的运动特性；伍国果则通过数值模拟研究了止回阀公称直径和外力对动态特性的影响。吴小康等系统分析了不同流量下止回阀的启闭状态。张希恒等进一步研究了阀瓣振荡机理，提出导流罩开孔减弱阀瓣振荡，有效缩短了开启时间。陈凤官等理论分析了主氧管线止回阀的故障原因。Yu J、何东亭、张晓忠分别依据流线型设计方法、响应面优化法、遗传粒子群算法对轴流式止回阀进行了优化，实现了减阻降耗。目前对于轴流式止回阀的研究大多以仿真为主，试验研究并不多，数据仍显不足，因此试验研究的开展对提升止回阀性能具有重要意义。

某公称通径为DN200的轴流式止回阀结构示意图与实物图见图1，对其开展试验研究，分析其开启特性、流通性能，并针对高流速下发现的啸叫问题展开分析，得到可能诱因，并提出低能耗、低噪声的优化改进措施。研究结果可为止回阀设计与改进提供参考，同时为相关问题分析提供借鉴，对避免止回阀实际应用危害的产生具有现实意义。

1.阀瓣   2.阀体   3.阀座   4.阀杆   5.弹簧

图1   DN200轴流式止回阀结构示意图与实物图

控制方程

轴流式止回阀腔内水介质流动遵循质量守恒和动量守恒定律。

连续性方程的微分形式如式（1）所示：

式中   ρ——流体密度

t——时间

u——水流动速度矢量

动量方程的微分形式如式（2）所示：

式中   f——质量力矢量

P——应力张量

试验方法

通过阀门流量流阻试验系统研究某DN200轴流式止回阀的开启运行特性。该系统是评估阀门动态性能的核心实验平台，能够准确测定阀门的流通能力及水损特性，发现阀门运行的潜在问题。该试验可为阀门结构优化、能耗分析及工程适配性验证提供关键数据支撑。

试验台的核心组成分为以下部分：

（1）流体循环系统

泵能够提供稳定的液体（水）介质。稳压罐/缓冲罐可减少流体脉动，确保流量稳定。

（2）测试管路系统

测试管路系统如图2所示，阀门安装夹具，支持法兰式连接方式。前后直管段可确保流体充分发展，减少湍流影响，符合标准要求。选用电磁流量计，流量调节阀用于精确控制流量大小。差压传感器用于测量阀门试验段压差ΔP。

1.截断阀   2.温度计   3.流量计   4.压力测量仪表   5.压差测量装置   6.上游取压孔   7.测试阀门   8.下游取压孔   9.出口调节阀

图2   测试管路系统

（3）数据采集与控制系统

测试软件可实时显示流量、压差等数据，自动计算K_v/C_v值，并可生成测试报告。

（4）辅助设备

通过排气阀排除管道内空气。激光打印机可实现存储试验数据结果的打印输出，为试验数据的纸质化归档提供支撑。

流阻系数ξ的计算公式为：

式中   Δp_v——阀门两端的静压差

μ_l——水流速

流量系数K_v的计算公式为：

式中   Q——水的体积流量

ρ₁——水在15 ℃的密度

表1为DN200轴流式止回阀水流量与流量系数、流阻系数的试验结果。由表可知，试验止回阀在流量为15.3 m³/h时已经打开，该阀开启压差小，对流量波动响应迅速，开启能耗小。试验得到了不同流量下对应的流阻系数，可为现实应用中小流量运行时的能耗计算提供参数借鉴。当流量为278.1 m³/h时，阀门达到全开状态，此时稳定流阻系数为2.3，流量系数为1053。试验中，任何流量下，阀前、阀后的压力均相对稳定，未出现较大波动现象。

表1   DN200轴流式止回阀水流量与流量系数、流阻系数试验结果

啸叫原因分析

在工业应用中，轴流式止回阀的噪声控制通常需要满足不同的环境标准，一般工业场合生产车间要求噪声≤85 dB。噪声不仅会加速机械设备的疲劳损伤，导致部件松动、密封失效等故障，还会引发操作人员听力损伤、心理压力增大等健康问题，因此需要加以控制。

DN200轴流式止回阀在试验流速达到461.2 m³/h时出现明显啸叫。

A计权总声压级的计算通常基于能量叠加法，公式如下：

式中   L_pi——第i个频带的声压级，dB

C_i——对应频带的A计权修正值，由标准IEC 61672-1中的表格得到，dB

参照标准IEC 60538-8-4，结合声学计算原理，当流量为278.1 m³/h时，该阀门湍流噪声的峰值频率对应的外部声压级为46.4 dB，由公式(5)计算得到外部A计权总声压级为53.4 dB。当流量为462.1 m³/h时，该阀门湍流噪声的峰值频率对应的外部声压级为62.3 dB，由公式(5)计算得到外部A计权总声压级为70.0 dB。分析得到试验中该止回阀的湍流噪声并不是巨大噪声的主要原因。

高频啸叫的出现暗示存在离散频率的流体激励源，这是一个典型的流体诱发振动和噪声的问题。主要原因可从以下几个方面分析。

4.1   卡门涡街诱发的高频振动

当流体以较高流速流经非流线型的钝体（如支撑筋、阀体内导流槽尾端等）时，在钝体下游产生了交替脱落的漩涡，形成“卡门涡街”。

卡门涡的涡脱频率与物体形状、来流速度、物体几何特征尺度有关，当涡脱频率与蝶板或阀体的固有频率接近时会发生共振现象。卡门涡街的经验计算公式为：

式中   F_k——卡门涡街脱落频率，Hz

St——斯托罗哈数

v——流经阀板的水流速度，m/s

T——出水厚度，m

流速越高，涡街频率越高，当涡街脱落频率接近或等于阀门内部某个薄壁结构（如阀瓣本身、阀杆，甚至部分阀体壁）的固有频率时，就会引发该结构的强烈共振。这种高频共振通常在数百Hz到数千Hz，通过阀体和管道传递并辐射到空气中，进而形成了尖锐刺耳的“啸叫”声。

4.2   阀瓣颤振

轴流式止回阀的阀瓣通常由弹簧预紧，若弹簧刚度选取不当，弹簧过软时，在较高流速下，流经阀瓣和阀座间隙的流体可能产生复杂的、不稳定的压力分布，导致阀瓣在其平衡位置附近发生微小但快速的颤振，或者引起阀瓣下游流场发生周期性分离与再附着。

这种快速振荡或流动的不稳定性会直接产生噪声，或者像卡门涡街一样，激发起结构件的共振产生啸叫。颤振频率通常也与流速相关。

4.3   空化

当流体流经局部狭窄区域，如阀瓣处于接近关闭位置或内部结构边缘不光滑时，流速急剧增加，压力骤降。如果局部压力低于该温度下流体的饱和蒸汽压，则会产生蒸汽空泡。空泡随流体流动到下游高压区时会迅速溃灭。常用的空化分析方法有空化系数分析法和临界压差比分析法。

（1）空化系数分析法

空化系数用于量化空化风险，其表达式为：

式中   P₁——阀前压力（绝对压力），MPa

P₂——阀后压力（绝对压力），MPa

P_v——流体饱和蒸汽压（绝对压力），MPa

（2）临界压差比分析法

该方法用于计算不发生空化时的最大允许压差，表达式为：

式中   F_L——液体的压力恢复系数

若实际压差ΔP=P₁−P₂>ΔP允许，则会发生空化，若ΔP＜ΔP_允许，则不会发生空化。

空泡溃灭会产生高频的、类似砂砾流动的“噼啪”声。如果空泡溃灭非常密集且发生在固定区域，也可能叠加形成类似啸叫的持续高频噪声。

空化噪声通常更具有“嘈杂”或“爆裂”感，而非纯粹的“啸叫”。在止回阀全开状态下，除非阀瓣设计不良或有严重磨损导致局部高速射流，否则发生显著空化的可能性相对卡门涡街要小。但高流速会增加空化风险。

4.4   阀门内部几何缺陷或磨损

阀门制造过程中存在的工艺缺陷会显著影响流场稳定性，主要体现在三个方面：首先，支撑筋、阀瓣边缘等关键部位的加工毛刺和未倒圆的锐边会成为理想的涡流发生器，显著加剧卡门涡街的强度和噪声；其次，阀瓣导杆与导套因加工或磨损造成的配合间隙过大会使阀瓣在流场中不稳定，产生颤振和额外的流体扰动噪声；最后，阀腔内残留的焊渣、装配混入的金属碎屑，以及其他硬质杂质会扰乱流场，产生异常噪声。这些工艺问题会严重影响阀门的流体性能和噪声特性。

问题排查

试验中并未听到阀瓣撞击的异响，停机后对阀门进行检查，阀门弹簧刚度不存在过软的情况，排除毛刺、锐边、磨损痕迹、变形或异物影响。

根据试验数据，流量为461.2 m³/h时，计算得到试验止回阀的空化系数为4.7，该值大于1，临界压差比ΔP_允许=142 kPa＞ΔP=31 kPa，由此可知啸叫的产生不是流体空化造成的。

排除其他原因，分析得到涡街共振可能是本次啸叫的主因。试验中，啸叫发生时，初步估算导流罩尾部的卡门涡街脱落频率≤20 Hz，属于次声频段，能量无法激发高频啸叫。因此，轴流式止回阀啸叫的产生可能是阀门固有模态与流体流过筋板产生的卡门涡街频率相近共振造成的。后续可通过仿真分析进行详细分析验证，并通过改变结构关键尺寸、弹簧刚度、调整阀瓣等关键结构质量等方法，规避结构固有频率与涡街频率相近而造成共振并产生啸叫的问题。

结语

本文通过试验研究了某DN200轴流式止回阀开启的流通性能，并对试验中出现的啸叫问题开展了原因分析，得出以下结论：

（1）试验轴流式止回阀在低流量下即可快速开启，全开状态流阻系数为2.3，流量系数为1053。试验验证了其开启低能耗、高响应的设计优势，满足工业系统对阀门灵敏性的要求。同时，试验结果可为该结构止回阀不同流量下的能耗计算及选型应用提供关键参数依据。

（2）排除空化、阀瓣颤振及几何缺陷等因素，通过频率分析锁定涡街诱发的高频振动是噪声主因。提出通过关键结构尺寸调整、弹簧刚度及阀瓣质量再设计，分离涡街频率与结构固有频率，从根源上抑制共振噪声。

试验轴流式止回阀流线型结构存在改进空间，后续可按照文丘里效应原理、椭圆簇法、源汇法等，再结合正交设计法、Kriging曲面插值法和遗传粒子群算法等数学优化方法，优化回转体型线。