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Jul 21, 2023

Fabrication additive InTech APR23—Des vannes de régulation plus silencieuses

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Le bruit des vannes de régulation est un problème dans de nombreux environnements d'usine. Le son est créé par des chutes de pression très élevées à travers une vanne, ce qui génère des vitesses de vapeur élevées lorsque le fluide se déplace à travers les passages rétrécis dans le corps de la vanne. Le bruit aérodynamique dépend fortement de la vitesse du gaz, de sorte que les applications à haut débit et à forte chute de pression ont tendance à atteindre très rapidement des niveaux sonores assourdissants. Ce type de bruit peut endommager l'ouïe et, avec le temps, il peut détruire les tubes, les équipements sensibles, les raccords de tuyauterie à proximité et les composants des vannes.

Les conceptions de garnitures à faible bruit ont été historiquement utilisées pour résoudre ce problème, mais ces types de solutions sont généralement coûteuses et réduisent considérablement la capacité de débit. Cependant, les techniques de fabrication additive (impression d'alliages 3D) ont introduit toute une gamme de nouvelles possibilités dans les solutions de réduction du bruit. Cet article décrit les nouvelles conceptions qui ont été récemment introduites ou qui devraient être disponibles dans les prochains mois.

Les usines regorgent de sources de bruit intense, notamment de gros équipements, des évents de traitement et des pompes à piston. Beaucoup de ces sons sont des sources ponctuelles (Figure 1A) et les niveaux sonores diminuent comme le carré de la distance. Les vannes de régulation sont une autre source courante de son dans les environnements industriels, mais dans ce cas, le son émane à la fois de la vanne et du tuyau, créant une source linéaire lorsque le tuyau en aval est suffisamment long (Figure 1B). Alors qu'une source ponctuelle perd en intensité sonore avec le carré de la distance, une source linéaire perd en intensité directement proportionnellement à la distance, ce qui a tendance à créer des problèmes plus importants pour le personnel de l'usine.

Les causes courantes de bruit généré par les vannes de régulation comprennent les vibrations mécaniques des composants internes, le bruit aérodynamique du flux de gaz turbulent et le bruit hydrodynamique de la cavitation. Le son externe au tuyau constitue une menace pour l'ouïe à des niveaux supérieurs à 85 dBA, et des niveaux supérieurs à 110 dBA peuvent endommager les composants de la vanne et les raccords de tuyauterie adjacents, et doivent donc être évités (Figure 2).

Il existe généralement deux façons de résoudre ce problème : soit en limitant le trajet du son afin que le son ne puisse pas s'échapper dans l'environnement, soit en éliminant la génération du son à la source. Les solutions de chemin sonore utilisent généralement des tuyaux épais, une isolation lourde et/ou des couvertures acoustiques pour bloquer le bruit. Ceux-ci fonctionnent bien et sont peu coûteux, mais ces solutions ont des limites.

La réduction du bruit réalisable est généralement quelque peu limitée, et ces techniques ont tendance à devenir moins efficaces avec le temps, car l'isolation se décompose et les couvertures acoustiques sont retirées pendant l'entretien et ne sont pas réinstallées correctement. Indépendamment de leur efficacité, les solutions de cheminement du son ne résolvent pas le problème fondamental des niveaux sonores supérieurs à 110 dBA pouvant endommager l'équipement.

La solution standard pour le contrôle du bruit des vannes a été l'installation de garnitures de vannes silencieuses pour réduire les niveaux de génération de bruit à la source. Ces conceptions divisent généralement le flux en plusieurs voies d'écoulement, ou elles prennent de plus petites chutes de pression sur plusieurs étapes, pour réduire la vitesse d'écoulement globale et réduire les niveaux sonores globaux. Cette technologie fonctionne également bien, mais elle a aussi des limites :

Les garnitures à faible bruit ont tendance à restreindre considérablement la capacité de débit de la vanne, nécessitant des corps de vanne plus grands pour faire passer le même débit.

Les garnitures à faible bruit sont généralement beaucoup plus chères que les garnitures de soupape standard, car un usinage complexe est nécessaire pour produire ces conceptions.

Les garnitures à faible bruit ont souvent une applicabilité limitée pour les vannes rotatives.

Le paysage des solutions de contrôle du bruit des vannes a radicalement changé avec l'avènement de la fabrication additive, car il est désormais possible de créer rapidement et économiquement des configurations de garniture très complexes.

Cette capacité récente a stimulé de nouvelles solutions de réduction du bruit qui peuvent atteindre des niveaux très élevés de réduction du bruit tout en maintenant une capacité de débit élevée.

Heureusement, la fabrication additive a permis des configurations de garniture entièrement nouvelles qui peuvent réduire considérablement les niveaux sonores (Figure 3). Par exemple, les atténuateurs en boule produits à l'aide de la fabrication additive peuvent fournir jusqu'à 18 dB de réduction du niveau sonore pour les garnitures rotatives de nouvelle génération. Ces niveaux de réduction du bruit sont atteints tout en maintenant en grande partie les capacités de débit élevées communes aux vannes rotatives. Cela peut permettre d'économiser des coûts importants par rapport aux alternatives de vannes à soupape dans une application typique.

Une nouvelle génération de styles de garniture fait son entrée sur le marché pour résoudre le problème de la capacité de débit (Figure 4). Ces nouveaux styles utilisent des passages d'écoulement très complexes et n'ont été rendus possibles que récemment grâce à la fabrication additive.

La même technologie de fabrication additive peut également être utilisée pour créer des conceptions de garnitures qui atteignent les niveaux de réduction sonore les plus élevés (Figure 5). Ces garnitures sacrifient la capacité de débit, mais elles peuvent être utilisées dans des applications très difficiles où les solutions traditionnelles de réduction du bruit sont inadéquates. Ces conceptions de garnitures à faible bruit complètent une suite de solutions existantes à faible dB qui peuvent être utilisées pour répondre à un large éventail d'exigences en matière de réduction du bruit, de capacité de vanne et de coût d'installation.

Une option déjà sur le marché utilise un moyen entièrement différent de réduire le bruit des vannes de régulation. Il s'agit d'un dispositif passif qui utilise des concepts similaires à ceux des silencieux de voiture, utilisant une résonance sonore destructrice pour compenser et annuler le bruit (Figure 6). Conçue pour la première fois dans les années 1980 comme un projet de recherche universitaire, la technologie a été abandonnée pendant des décennies jusqu'à récemment, lorsque la fabrication additive a rendu économiquement possible le développement d'un modèle pour produire le composant sous forme d'assemblage coulé.

L'atténuateur modal se compose d'une série de cavités résonnantes soigneusement conçues pour fournir une réduction du son sur un large spectre de fréquences. La conception à passage intégral permet un débit illimité et les canaux de drainage internes évacuent le condensat qui pourrait s'accumuler dans l'appareil et réduire les performances. Installé juste en aval de la vanne, l'atténuateur modal permet d'obtenir une réduction sonore globale allant jusqu'à 15 dBA tout en ne créant aucune restriction de capacité de débit. Le dispositif peut être utilisé sur des vannes existantes ou associé à une vanne de régulation à faible bruit pour atteindre des niveaux encore plus élevés de réduction du bruit. Contrairement aux diffuseurs ou aux silencieux, l'atténuateur modal fonctionne de manière cohérente sur une large plage de débits.

Face à un problème de bruit de vanne de régulation, il vaut la peine de prendre le temps d'étudier les nombreuses nouvelles options qui sont récemment devenues disponibles ou qui sont en cours d'introduction. La fabrication additive a considérablement élargi le paysage de ce qui est possible, et de nombreuses solutions sont désormais proposées pour répondre aux applications d'atténuation du bruit des vannes de régulation les plus exigeantes.Toutes les images avec l'aimable autorisation d'Emerson

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Grady Emswiler est responsable du marketing produit pour les produits usinés chez Emerson. Bien qu'elle soit nouvelle dans l'entreprise, elle possède une expérience en marketing de produits dans différentes industries. Emswiler est titulaire d'un baccalauréat ès sciences en marketing de l'Iowa State University.

Mike Hoyme est chef de produit pour Fisher Rotary Valves. Il est un professionnel certifié de la sécurité fonctionnelle avec 10 ans d'expérience en ingénierie de vannes et en gestion de produits, et il s'efforce de créer des éléments finaux pour les systèmes instrumentés de sécurité (SIS) qui améliorent à la fois la sécurité et la disponibilité des processus. Hoyme est titulaire d'un baccalauréat ès sciences en génie mécanique de la South Dakota School of Mines and Technology.