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Oct 18, 2023

InTech APR23 積層造形 — より静かな制御バルブ

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制御バルブの騒音は、多くのプラント環境で問題になります。 この音は、バルブ全体の非常に高い圧力降下によって発生します。この圧力降下により、流体がバルブ本体内の狭い通路を通って移動するときに高い蒸気速度が発生します。 空力騒音はガス速度に強く依存するため、高流量および高圧力損失のアプリケーションでは、耳をつんざくような騒音レベルにすぐに達する傾向があります。 この種の騒音は聴覚に悪影響を与える可能性があり、時間が経つと、配管、敏感な機器、近くの配管接続部、バルブのコンポーネントが破損する可能性があります。

この問題に対処するために低ノイズのトリム設計が歴史的に使用されてきましたが、この種のソリューションは通常コストが高く、流量容量が大幅に減少します。 しかし、積層造形技術 (3D アロイ プリンティング) は、ノイズ低減ソリューションにあらゆる新しい可能性をもたらしました。 この記事では、最近導入された、または今後数か月以内に導入される予定の新しいデザインについて説明します。

プラントには、大型装置、プロセスベント、往復ポンプなど、大きな騒音源がたくさんあります。 これらの音の多くは点音源 (図 1A) であり、音のレベルは距離の 2 乗に応じて低下します。 工業環境におけるもう 1 つの一般的な音源は制御バルブですが、この場合、音は実際にはバルブとパイプの両方から発せられ、下流のパイプが十分に長い場合には線形音源が形成されます (図 1B)。 点音源は距離の二乗に応じて音の強度が低下しますが、線音源は距離に直接比例して強度が低下するため、プラント担当者にとってより大きな問題が発生する傾向があります。

制御バルブで発生するノイズの一般的な原因には、内部コンポーネントの機械振動、ガスの乱流による空気力学的ノイズ、キャビテーションによる流体力学的ノイズなどがあります。 パイプの外部の音は、85 dBA を超えるレベルでは聴覚に脅威をもたらし、110 dBA を超えるレベルではバルブのコンポーネントや隣接する配管接続が損傷する可能性があるため、避ける必要があります (図 2)。

この問題に対処するには通常 2 つの方法があります。音が環境に漏れないよう音の経路を制限するか、音源での音の発生を排除するかのいずれかです。 音経路ソリューションでは、通常、騒音を遮断するために太いパイプ、厚い断熱材、および/または防音ブランケットが使用されます。 これらはうまく機能し、安価ですが、これらのソリューションには限界があります。

通常、達成可能な騒音低減にはある程度の制限があり、断熱材が破損したり、メンテナンス中に防音ブランケットが取り外されて正しく再取り付けされなかったりするため、これらの技術は時間の経過とともに効果が薄れる傾向があります。 サウンド パス ソリューションがどれほどうまく機能するかに関係なく、サウンド パス ソリューションは、110 dBA を超える騒音レベルが機器に損傷を与える可能性があるという根本的な問題には対処していません。

制御バルブの騒音に対する標準的な解決策は、発生源での騒音発生レベルを低減するための静音バルブトリムの設置です。 これらの設計は通常、流れを複数の流路に分割するか、複数の段階にわたる圧力降下を小さくして、全体の流速を下げ、全体の騒音レベルを下げます。 このテクノロジーもうまく機能しますが、次のような制限もあります。

低騒音トリムはバルブの流量容量を大幅に制限する傾向があり、同じ流量を流すにはより大きなバルブ本体が必要になります。

低騒音トリムは、これらの設計を製造するために複雑な機械加工が必要なため、通常、標準バルブ トリムよりもはるかに高価です。

低騒音トリムは、多くの場合、ロータリーバルブへの適用が限られています。

積層造形の出現により、非常に複雑なトリム構成を迅速かつ経済的に作成できるようになったため、制御バルブのノイズ ソリューションの状況は劇的に変化しました。

この最近の機能により、高い流量容量を維持しながら非常に高いレベルの騒音低減を達成できる新しい騒音低減ソリューションが誕生しました。

幸いなことに、積層造形により、騒音レベルを大幅に低減できるまったく新しいトリム構成が可能になりました (図 3)。 たとえば、積層造形を使用して製造されたボール内アッテネータは、次世代のロータリー トリムの騒音レベルを最大 18 dB 低減できます。 これらの騒音低減レベルは、ロータリーバルブに共通する高い流量容量をほぼ維持しながら達成されます。 これにより、一般的な用途でグローブ バルブの代替品に比べてコストを大幅に節約できます。

流量問題に対処するために、新世代のトリム スタイルが市場に投入されています (図 4)。 これらの新しいスタイルは非常に複雑な流路を採用しており、積層造形によって最近になって可能になったものです。

同じ積層造形技術を使用して、最高レベルの騒音低減を達成するトリム設計を作成することもできます (図 5)。 これらのトリムは流量能力を犠牲にしますが、従来の騒音低減ソリューションが不十分な非常に困難な用途に使用できます。 これらの低ノイズ トリム設計は、広範囲のノイズ低減、バルブ​​容量、設置コスト要件に対応するために使用できる、既存の低 dB ソリューションのスイートを完成させます。

すでに市販されているオプションでは、制御バルブの騒音を低減する全く異なる手段が使用されています。 これは、車のマフラーと同様の概念を採用した受動的なデバイスで、破壊的な音の共振を利用してノイズを相殺し、キャンセルします (図 6)。 この技術は 1980 年代に大学の研究プロジェクトとして初めて考案され、積層造形によってコンポーネントを鋳造アセンブリとして製造するパターンの開発が経済的に可能になった最近まで、数十年間棚上げされていました。

モーダル減衰器は、広範囲の周波数スペクトルにわたって音を低減するために、慎重に設計された一連の共鳴空洞で構成されています。 フルボア設計により、流れが制限されず、内部のドレン チャネルがデバイス内に蓄積して性能を低下させる可能性のある凝縮水を排出します。 バルブのすぐ下流に設置されたモーダルアッテネータは、流量の制限をまったく生じさせずに、最大 15 dBA の全体的な騒音低減を実現します。 このデバイスは既存のバルブで使用することも、低騒音制御バルブと組み合わせてさらに高いレベルの騒音低減を達成することもできます。 ディフューザーやサイレンサーとは異なり、モーダル減衰器は幅広い流量範囲にわたって一貫して動作します。

制御バルブの騒音問題に直面した場合、最近利用可能になった、または導入されつつある多くの新しいオプションを時間をかけて調査する価値があります。 積層造形により可能な範囲が大幅に広がり、現在では最も要求の厳しい制御バルブの騒音減衰用途に対応する多くのソリューションが提供されています。すべての画像はエマソンの提供により提供されています。

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Grady Emswiler は、Emerson の Engineered Products の製品マーケティング マネージャーです。 彼女は会社に入社したばかりですが、さまざまな業界の製品マーケティングの経験があります。 Emswiler は、アイオワ州立大学でマーケティングの理学士号を取得しています。

Mike Hoyme は、Fisher Rotary Valves の製品マネージャーです。 彼は、バルブ エンジニアリングと製品管理の 10 年間の経験を持つ、認定された機能安全の専門家であり、安全性とプロセスの稼働時間の両方を向上させる安全計装システム (SIS) の最終要素の作成に努めています。 Hoyme は、サウスダコタ鉱山技術大学院で機械工学の理学士号を取得しています。