一种新型复合保温隔声管道包扎结构

作者：张毅

    本文通过理论分析，提出了一种一重一轻双层结构分立式的复合保温隔声包扎结构，该结构巧妙利用了密闭空气层的绝热保温性能和隔声性能的优势。同时，经过软件仿真与实验验证，证实了该结构在保温性能和隔声性能方面与传统管道隔声包扎结构的差异。

1  管道包扎结构隔声性能改善途径

  调研发现．曰前常见的管道保温隔声包扎结构通常由多孔材料层和不透气膜片护面板组成，主要应用于500 Hz以上的管道隔声降噪。其中，多孔材料层的作用是靠管道表面与纤维层之间的摩擦使管道振动受到阻尼、吸声与隔声、使管道振动不侧向传给不透气层。

  不透气层的作用是隔声（可按质量定律计算）与保护。

  对于低频噪声，管道会与材料层一起振动，且在某些频率，不透声层会与多孔材料层共振，辐射加强。因此，增大阻尼，减小共振，是改善目前管道隔声性能的主要手段之一。

  同时．将单层结构变为双层复合结构也是手段之一．但是双层结构如果要获得较高的隔声量，其双层结构必须搭配恰当。因此，要改善管道包扎结构的隔声性能，需采用一重一轻的组合，其优势在于面密度增加很少，而隔声量提高显著。这是由于：空气层提供了附加隔声量；两层的厚度、重量不同使吻合低谷得到了补偿。如果要提高低频隔声性能，需增加空气层厚度，使共振频率移到实用频率范围以下。

  需要注意的是，如果在空气层内填放多孔吸声材料．对于中高频隔声性能的提高确实有很大帮助，但对低频隔声量效果不明显，在某些频率，不透声层可能会与多孔材料层共振，使低频辐射增强。

2新型复合保温隔声管道包扎结构开发

2.1  新结构介绍

  根据理论分析，得到新型复合保温隔声管道包扎结构示意图（如图1所示）。

  以浙江国华浙能发电有限公司汽机房内冷再管道（管道内介质温度为425℃）为例。原始管道包扎结构内层为190 mm硅酸铝针刺毯，外层以0.75 mm彩钢板作为护面。如图1所示，新型管道包扎结构．从内到外依次为：1为120 mm硅酸铝针刺毯：2为0.75 mm彩钢板；3为70 mm空气层：4为70 mm硅胶减振支撑垫；5为2 mm环保阻尼隔声毡；6为0.75 mm厚彩钢板：7为管道内部；8为管道壁。总包扎厚度约为190 mm,与原始管道保温包扎结构总厚度保持一致。

2.2  新材料说明

  (1)环保阻尼隔声毡。该材料是将EPDM橡胶、环保聚氯乙烯、无机矿物质、铁粉等材质按照一定比例精制构成。具有如下特点：①材料面密度大、超薄、柔韧、拉伸强度大；②具有良好的空气声隔音，可以吸收空气传播的噪声能量．改变管道低频噪声的共振传播；③良好的固体声隔声，能有效地防止并最大限度地隔绝机械设备振动及管道等产生的噪声。

  (2)硅胶减振支撑垫。硅胶具有卓越的耐高温、低温性能（工作温度在-100～350℃），及优异的耐臭氧老化、耐氧老化、耐光老化和耐天候老化性能。此外，它对许多材料不粘，可起隔离作用。

  如前所述，拟采用双层复合结构来提高管道包扎结构的隔声性能，但是双层板结构不可能独立存在，需要某些结构进行支撑。因此，不可避免地会产生声桥效果，从而引起隔声量的下降。声桥的刚性越大，隔声量下降也就越多。通常采取以下2种办法，提高双层结构的隔声量：(1)支撑结构的厚度不宜小于50 mm,相邻支撑结构的距离不应小于600 mm; (2)支撑结构避免选用刚性材料，宜选用弹性材料。

  从方便安装与经济性角度考虑．选取橡胶减振垫作为支撑结构较合适。在汽机房冷再管道进行施工时，橡胶隔振垫的胶种选取要具备一定特征：强度、延展性、耐磨性、耐高温性均较好。研究证明，硅胶具备上述特征。

  总之，将硅胶减振支撑垫作为空气层结构的支撑结构。在新型复合隔声结构中，将支撑结构厚度设置为70 mm．相邻支撑结构之间距离大于600 mm。

  硅胶减振支撑垫的作用：(1)支撑作用，将空气层两侧结构分立；(2)硅胶为性能优越的弹性材料，在一定程度上减小声桥效应；(3)硅胶减振支撑垫固定在空气层内侧结构上，而与外侧结构无约束连接，进一步增加了内侧结构的重量(相当于增加质量块），增大阻尼。

2.3新型结构与现有结构保温性能对比分析

  对于新型结构与现有结构的传热仿真过程．利用ANSYS有限元分析软件巾稳态热分析模块( steady-state thermal)进行分析计算。建模过程中关于物性参数的设置，参考GB  50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》附录A:常用绝热材料性能。

2.3.1  现有包扎结构仿真结果

  现有包扎结构仿真模型说明：管道外径1 168mm；内径788 mm;填充物厚度为190 mm,其导热系数按照实际硅酸铝针刺毯在不同温度下的导热系数进行梯度设定：0.75 mm厚彩钢板的保温性能忽略不计，导热系数大于60 W/(m·K)，几乎无热损失。仿真结果如图2所示。

  仿真结果显示，当管道内部温度为425.0℃、环境温度为25.0℃时，最外层表面温度是54.0℃。现场资料显示，实际测量温度为49.5℃。仿真结果比实测结果高4.5℃。出现这种情况的原因是由于实际包扎所采用的硅酸铝针刺毯的导热系数与仿真所设置的导热系数存在微小差异。

2.3.2  新型包扎结构仿真结果

  新型包扎结构仿真模型说明：管道外径1 168mm；内径788 mm,从内到外第1层是填充物．厚度为120 mm，其导热系数按照实际硅酸铝针刺毯在不同温度下的导热系数进行梯度设定：第2层是0.75 mm彩钢板：第3层是空气层，厚度为70 mm，其导热系数按照空气在不同温度下的实际导热系数进行梯度没定；第4层是3 mm环保阻尼隔声毡和0.75 mm彩钢板。仿真结果如图3所示。

  仿真结果显示，当管道内部温度为425.0 ℃、环境温度为25.0℃时，通过后处理切面和温度探测，空气层的外表面温度为46.9℃。该结构的保温性能从仿真结果来看，优于现有管道保温包扎结构。通过温度探测第4层，即0.75 mm厚的钢板的内表面和外表面，温度也是46.9℃,这是由于钢板的导热系数通常在60 W/(m·K)以上，同时，彩钢板厚度很薄，所以热量几乎全部从内层传递到外层，无显著热损失。另外，通过温度探测，第1层硅酸铝针刺毯的外表面温度是272.8℃，从而也可以证明硅胶减振支撑垫在该工况下的适用性，工作温度在-100～350℃。

2.4新型结构与现有结构隔声性能对比分析

  由于现场管道包扎结构为网弧形，在隔声实验室进行隔声性能测试时，隔声构件难以制作和安装，从易于安装、方便测试的角度，拟将原来的圆弧结构简化为平板结构。同时，由于该实验为对比分析实验，因此简化模型是合理的。

  试件外形尺寸：1 500 mmx1 500 mmx190 mm。

  现有结构试件描述：190 mm硅酸铝针刺毯+0.75 mm彩钢板。

  新型结构试件描述：120 mm硅酸铝针刺毯+0.75 mm彩钢板+70 mm空腔(有硅胶支撑)+3 mm环保阻尼隔声毡+0.75 mm彩钢板。

  检测地点：空气声隔声实验室。

  测试环境：测试室温度10℃，相对湿度50%。

  声源室容积：142.8 m3。

  接收窒容积：107.5 1T13。

  测试洞口尺寸：1 500 mmx1 500 mmx500 mm。

  测试没施与试验样件测试过程符合国家标准要求。测试示意如图4所示。

  经过测试，现有结构与新型结构的隔声量数据如表1所示，其中，现有隔声包扎结构的计权隔声量Rw为44 dB,新型隔声包扎结构的计权隔声量Rw为49 dB。其频谱对比如图5所示。由此可得，新型结构与现有结构相比，其计权隔声量提高5 dB。从图5可以看到，250 Hz以下频带，平均隔声量提高约5.7 dB; 315～800 Hz频带，平均隔声量提高约9.4 dB。

2.5新型复合包扎结构实际隔声效果分析

2.5.1  现场测试方案

  为了验证新型复合管道保温隔声包扎结构的实际隔声性能，本文拟定的测试方案如下。

  (1)在较短一段时间内（以保证运行工况的一致性），分别测试管道施工位置与其临近上下游管道的噪声值（新结构与现有结构衔接处采取断开处理，避免侧向传声影响），从而进行对比分析。

  (2)测试方法采取噪声隔离法（管道噪声受外部噪声影响较大，其他噪声测试方法均无法排除外界噪声干扰）．将噪声隔离装置放置于噪声源表面，保证装置四周与噪声源交界处密封良好。将传声器通过噪声隔离装置顶端的传声器固定插孔伸入到装置内部进行噪声测试，测试数值为交界面面元的噪声值。该测试方法的优缺点如下：优点1，对巾高频噪声识别较为准确；优点2，将整个噪声辐射面分成若干单位面元，可以点带面进行噪声值估算（积分的方法）；优点3，操作简便，结果直观，工作效率高，可短时间内对噪声源进行粗略分析与识别：缺点1，受装置本身技术限值．低频测试数值不准确（装置内部有低频混响．噪声测试值偏大）；缺点2．测试结果仅能提供对比分析结果。

2.5.2现场测试结果分析

  根据现场测试方案，测试数据如表2所示。

  表2数据显示，在将现有保温包扎结构替换为新型复合保温隔声包扎结构后，等效A声级降低6.4 dB。从实验室数据可知，新型复合包扎结构一1比现有包扎结构的计权隔声量Rw高5 dB,从单值评价量上看，新结构的实际应用效果优于实验室测试值。分析原因主要是由于高频部分的差异性引起的。由于在实验室进行隔声量测试时，充分考虑了隔声结构内部和四周的密封性．冈此新型复合包扎结构和现有包扎结构的高频部分隔声量基本相同。而现场的管道包扎结构尽管从结构组成上与实验室测试的现有包扎结构一致．但密封性较差，存在保温棉接缝处搭接不严密或因薄厚不均造成的漏声问题。但新型复合包扎结构由于是多层结构（起到多道密封效果），同时加入增加密封性的新型材料（环保阻尼隔声毡）．因此高频隔声量的差异性得到显现。

3经济性分析

  如表3所示，为再热冷段蒸汽管道直管段保温隔声包扎新结构与现有结构的成本对比。其中，包扎厚度为190 mm,管道直径为788 mm。

  从表3可看出，以冷再管道包扎结构改造工程为例，如采用新型复合管道保温隔声包扎结构．成本将增加36%左右。但从汽机房整体管道改造工程看，并不是现有包扎管段全部需要进行保温隔声包扎结构改造，需要保温包扎的低噪声管道无需改造。如果仅计算改造部分管段，管道包扎总成本增加不明显。从汽机房整场的噪声测试结果看，目前汽机房内有些无需进行保温包扎的管道噪声较明显，从噪声控制角度，需要进行隔声包扎，如果改造这部分管段，成本会有所增加。

4结语

  本文通过理论分析与实验验证，得到一种在不改变原始包扎厚度与保温性能的基础上，能够显著提高低频隔声性能的新型复合保温隔声包扎结构。由实验数据可知，新型结构与现有结构相比，在250 Hz以下低频部分，平均隔声量提高约5.7 dB,即接收端噪声能量下降约3.7倍；250～800 Hz中低频段，噪声能量下降约9.4 dB，即接收端噪声能量下降约8.7倍。而整体计权隔声量提高5 dB,即接收端噪声能量下降约3.2倍。

  由现场实测数据可知．A计权实际隔声量下降6.4 dB,各频带的噪声能量均有较大幅度下降，隔声效果明显。

但在实际应用过程中，仍需注意以下3个问题：(l)各种包扎材料搭接处的密封性；(2)减振支撑结构与内层肓板的衔接工艺；(3)环保阻尼隔声毡与外层盲板的粘接工艺。

摘  要：日前，常用的管道隔声手段通常采用管道外壁包扎隔声材料的方法。此类管道隔声包扎结构高频隔声效果较明显．但在低频，当波长大于材料厚度10倍以上时，管道与包扎材料层易产生共振而使隔声性能显著下降。提出了一种在不改变原始包扎厚度与保温性能的基础上能够显著提高低频隔声性能的双层分立式复合保温隔声包扎结构，有效解决了现有保温隔声管道包扎结构低频隔声性能差的问题。