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[摘 要]本文主要就活塞式压缩机试运行过程中，因设计或施工不当引起压缩机排气管道振动过大的原因进行分析，指出施工中的注意事项，提出相应的预防措施，对如何降低活塞式压缩机排气管道的振动，提高该类型压缩机安装质量具有一定的指导意义。
[关键词]活塞式压缩机；排气管道；共振；气流脉动；缓冲罐；预防措施
中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0286-02
1 前言
活塞式压缩机因其技术和工艺上较成熟、生产和使用上积累了丰富经验，是我国工矿企业目前使用较多的压缩机。该类型压缩机具有压力范围广、能够适应较宽的能量范围，效率较高、单位耗能较少，能适用于多种工况等优点；其缺点是结构较复杂，易损件多，有脉冲振动，运行平稳性差.因此在活塞式压缩机安装过程中，排气管道因气流脉动引起的振动往往是最难分析、最难消除的问题。如果因排气管道振动超标，有可能导致管道和压缩机及其部件受影响，当机组和管道系统长期在振动超标的状态下运行时，会导致机组寿命缩短，系统压力震荡，压缩机气阀损坏等严重后果。本文主要对因设计或施工不当引起压缩机排气管道振动过大的原因进行分析并提出相应的预防措施。
2 工程概况
我公司承建的某制药公司新建项目的空压站设备安装工程，主要施工内容为：5台DW—200/2活塞式压缩机、3台DA350离心式压缩机、8台SVK32离心式压缩机等及其附属设备安装调试；空压机进气、排气、冷却、润滑等工艺管道安装；电气仪表系统安装调试等。DW—200/2活塞式压缩机为利旧设备，配套的空气储气罐DN2000*3100；对称布置的两个汽缸中心至储气罐进气口距离分别为12米、8米；
排气管管径为DN250，设备与管道连接采用柔性连接，工艺流程见图1。压缩机安装经验收合格，具备试车条件，点动压缩机检查各部位无异常后，依次运转5分钟、30分钟和2小时无负荷试运转，均正常；随后进行负荷试运转，发现设备运行虽正常，但排气管道振动逐步加大，采取措施后未见改变。通过分析研究，最终找出原因，并针对性进行改造，以此消除振源，排除管道过大振动的隐患。
3 压缩机调试中排气管振动的原因初步分析
引起压缩机排气管振动的原因通常有二种可能，一是由于机组运动机构的动力平衡性差或基础设计不当引起的；二是由气流脉动引起的，气流脉动激发管道作机械振动，管道振动反过来又会引起机组振动，进而产生共振。
我们在设备试运行48小时后，停机并解除管路与设备连接，检查压缩机机组运动机构和设备与垫铁接触情况。通过检测，发现压缩机本体和滑道的水平度、传动机构的同轴度、滑塞与活塞环、活塞与气缸、连杆大头瓦与曲柄轴颈等各部位的间隙均符合规范要求（与试车前进行比较未发生差异）地脚螺栓紧固良好，设备与垫铁接触也良好。为此，我们排除了引起压缩机排气管振动的第一种原因，推论出气流脉动是压缩机排气管振动的原因，我们严格按设计图纸施工和验收的，又是何种原因产生了较大振幅的气流脉动？
4 气流脉动的危害
为了取得第一手气流脉动成因素材，我们对排气管路进行加固，重新开启压缩机继续进行试运行，通过一段时间监控发现因排气管剧烈振动引发管道支架损坏、管路附件连接松动、压力表失灵、气阀工况下降等直接危害，压缩机的容积效率也降低额外功率消耗加大等经济指标变坏。
5 产生气流脉动原因分析
如果活塞式压缩机装置管道内气体流动是定常的，则管道内指定点的气流压力和速度是不随时间变化的。但是，由于活塞式压缩机吸、排气的间歇性，使气流的压力和速度呈周期性的变化，此现象称为气流脉动。
压缩机管路内所充满的气体称作气柱，气柱受到一定的激发之后就產生振动，振动通过振幅、频率等参数进行表述的，当激发频率等于气柱固有频率时，气柱就发生共振现象。管路气柱的固有频率取决于管道的配管方式、长度、通流面积、储气罐的容积大小和安装位置，改变管道和容器的尺寸，以及它们的配置，可以改变管路气柱的固有频率，并能避开共振，由此减少气流脉动的振幅，消除排气管道的振动现象发生。
本项目设计单位在设计时虽考虑上述引起共振的因素，但由于本项目业主利旧使用了DW—200/2活塞式压缩机，机器因长时间使用，其零部件磨损、工况性能下降等干扰因素，设计人员为充分考虑而验算有误引起设计参数不能满足现场要求，我们通过分析，认为可能因配管方式、长度、通流面积、安装位置等因素，引起排气管道振动过大。
6 如何降低管道的气流脉动
研究发现当激发频率等于气柱的固有频率时，气柱就发生共振，气柱共振管长
L=（0.8～1.2）a/4fax
其中fax为激发频率、a为波速。
压缩机排气管道设计和施工时要避开共振管长，此共振管长由压缩机制造厂商技术文件中给出，供用户参考。
本项目所有压缩机根据制造厂商技术文件的激发频率fax，计算引起共振的管长
一阶共振管长L1=（0.8～1.2）a/4fax=7.53米～11.3米
二阶共振管长L2=（0.8～1.2）3a/4fax=22.6米～33.9米
压缩机排气管长应该避开7.53米～11.3米和22.6米～33.9米，否则就产生共振。经过测量本项目压缩机对称分布的气缸排气管至储气罐的距离恰恰为8米和11米，共振现象十分激烈。
相关资料研究表明消除气流脉动的最有效办法有两种：
一是增加缓冲器（此法简单实用）；
二是增设气流脉动衰减器（声学滤波器，此法投入和维修成本较大）；
7 排气管路改造实例
试验证明——只要缓冲器容积比气缸每行程容积大10倍，安装时在空间允许的前提下缓冲器位置足够靠近气缸，在设备运行时气阀全打开，流入缓冲罐后继管道的气流就十分平稳，共振现象就显著下降。基于现状，我们在气缸与储气罐之间（共振管长控制在7.53米以内）增加一台DN350*1600的缓冲器（利用业主的库存容器）、同时将排气管的管径由原设计的DN250增加至DN350，以此增加管路系统的气柱容积，在此次改造完毕后，设备再次进行试运行，排气管振动现象基本被消除，深受业主的好评（图2）。 8 压缩机排气管振动的防治措施
压缩机排气管振动既可能因设备本身安装精度不高、基础设计不合理、垫铁选型和放置不符合规范要求等所致，也有可能是工艺管路系统设计、施工等未充分考虑气流脉动的影响。下面结合工程实例，就引起活塞式压缩机排气管振动的几个关键工序分别进行分析，提出针对性的预防措施。
8.1 压缩机基础符合设计要求、垫铁安装正确是首要前提
压缩机基础质量控制贯穿于土建施工的全过程，特别是基础形式、基础垫层、钢筋、混凝土标号、浇筑捣实和养护等，必须严格按照施工图纸和规范要求施工，保证基础有足够的强度，各测点沉降量基本一致，且到机组安装试运后，沉降量趋于零。如果在安装过程中，出现基础下沉或变形，则会导致基础台板与基础贴合不密实，在机组空负荷时即出现振动，且运行工况改变，振动频率和振幅也随之改变。
压缩机的机身部位安装一般使用制造厂家提供的专用墊铁，或者使用经过铲磨处理的平垫铁，垫铁与基础接触面要打麻面且接触良好，垫铁的承载面积和布置方式必须符合随机技术要求，垫铁的安装水平度用大平尺和框式水平仪进行控制如图3所示：
8.2 压缩机机身找平、传动件找正是减少管路振动的基本保证
本机组找平找正确定变速器为安装基准机器，即先找平变速器，再由变速器两端分别去找正压缩机、电机。变速器的纵向水平选择在高速轴和低速轴的轴颈上放置框式水平仪（精度0.02mm/m）检测，其水平度应为0.02—0.03mm/m，横向水平在变速器的中分面上放置框式水平仪（精度0.02mm/m）进行检测，其水平度应为0.05—0.08mm/m；同样压缩机的纵向水平和横向水平也分别造轴颈和机壳中分面上进行；在变速器找平后通过联轴器分别找正压缩机和电机，用3块百分表分别检测联轴器的同轴度---径向和端面跳动值（径向不大于0.05mm、端面不大于0.03mm）齿轮联轴器的端面间隙控制在5—7mm为宜，机组的找平与联轴器的找正相互交错进行直至符合要求。
8.3 确保压缩机运动机构安装精度是减少机身和管路振动关键步骤
汽缸就位后，缸体及缸内部套找中心就成这道工序的关键，关系到机组的平稳运行，必须严格按照图纸及规范要求施工。在安装过程中，注意使缸体中心、隔板中心保持一致、转子中心与隔板中心一致。如果缸内动、静部分不能保持同心，则动静间隙不均，造成运行时蒸汽在圆周上不均匀泄漏，引起间隙自激振动。当动、静部分中心严重超标时，还可以引起动、静之间摩擦，若摩擦发生在转轴处，更会使转子发生热弯曲，运行不稳定，出现强迫振动。
同时还要注意，在安装过程中，机组冷态与热态膨胀时情况不同，即冷态与热态状态下汽缸中心都会发生变化，在安装时可先对汽缸及缸内部套相对于转子中心做适当调整，保证机组受热膨胀后，转子与汽缸的同心度基本保持一致。
8.4 在严格按设计要求进行管路布置的前提下，优化工艺管道设计、合理进行管路布局，尤其是要通过验算而避开气柱的共振管长，避免气流脉动现象的发生，以此来消除排气管振动。
结束语
活塞式压缩机安装是机电安装中精度要求较高、难度较大、工艺较复杂的安装项目，因此对它的安装好坏，直接关系到机组和管路系统的寿命，避免因系统压力震荡，造成压缩机本体和气阀损坏的严重后果。在本文中对因气流脉动现象引起排气管路振动的原因进行了分析，同时提出了活塞式压缩机安装中相关注意事项。
参考文献
[1] 党锡淇、陈守五等著—西安交大出版社——《活塞式压缩机气流脉动与管道振动》1984年。
[2] 彭学院著—西安交大压缩机研究所——《气流脉动与管道振动》2009年。
[3] GB50275---2010《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》
作者简介
牛守义（1967-）男，安徽合肥人，工程师，主要从事工程施工技术管理方面的工作。
[关键词]活塞式压缩机；排气管道；共振；气流脉动；缓冲罐；预防措施
中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0286-02
1 前言
活塞式压缩机因其技术和工艺上较成熟、生产和使用上积累了丰富经验，是我国工矿企业目前使用较多的压缩机。该类型压缩机具有压力范围广、能够适应较宽的能量范围，效率较高、单位耗能较少，能适用于多种工况等优点；其缺点是结构较复杂，易损件多，有脉冲振动，运行平稳性差.因此在活塞式压缩机安装过程中，排气管道因气流脉动引起的振动往往是最难分析、最难消除的问题。如果因排气管道振动超标，有可能导致管道和压缩机及其部件受影响，当机组和管道系统长期在振动超标的状态下运行时，会导致机组寿命缩短，系统压力震荡，压缩机气阀损坏等严重后果。本文主要对因设计或施工不当引起压缩机排气管道振动过大的原因进行分析并提出相应的预防措施。
2 工程概况
我公司承建的某制药公司新建项目的空压站设备安装工程，主要施工内容为：5台DW—200/2活塞式压缩机、3台DA350离心式压缩机、8台SVK32离心式压缩机等及其附属设备安装调试；空压机进气、排气、冷却、润滑等工艺管道安装；电气仪表系统安装调试等。DW—200/2活塞式压缩机为利旧设备，配套的空气储气罐DN2000*3100；对称布置的两个汽缸中心至储气罐进气口距离分别为12米、8米；
排气管管径为DN250，设备与管道连接采用柔性连接，工艺流程见图1。压缩机安装经验收合格，具备试车条件，点动压缩机检查各部位无异常后，依次运转5分钟、30分钟和2小时无负荷试运转，均正常；随后进行负荷试运转，发现设备运行虽正常，但排气管道振动逐步加大，采取措施后未见改变。通过分析研究，最终找出原因，并针对性进行改造，以此消除振源，排除管道过大振动的隐患。
3 压缩机调试中排气管振动的原因初步分析
引起压缩机排气管振动的原因通常有二种可能，一是由于机组运动机构的动力平衡性差或基础设计不当引起的；二是由气流脉动引起的，气流脉动激发管道作机械振动，管道振动反过来又会引起机组振动，进而产生共振。
我们在设备试运行48小时后，停机并解除管路与设备连接，检查压缩机机组运动机构和设备与垫铁接触情况。通过检测，发现压缩机本体和滑道的水平度、传动机构的同轴度、滑塞与活塞环、活塞与气缸、连杆大头瓦与曲柄轴颈等各部位的间隙均符合规范要求（与试车前进行比较未发生差异）地脚螺栓紧固良好，设备与垫铁接触也良好。为此，我们排除了引起压缩机排气管振动的第一种原因，推论出气流脉动是压缩机排气管振动的原因，我们严格按设计图纸施工和验收的，又是何种原因产生了较大振幅的气流脉动？
4 气流脉动的危害
为了取得第一手气流脉动成因素材，我们对排气管路进行加固，重新开启压缩机继续进行试运行，通过一段时间监控发现因排气管剧烈振动引发管道支架损坏、管路附件连接松动、压力表失灵、气阀工况下降等直接危害，压缩机的容积效率也降低额外功率消耗加大等经济指标变坏。
5 产生气流脉动原因分析
如果活塞式压缩机装置管道内气体流动是定常的，则管道内指定点的气流压力和速度是不随时间变化的。但是，由于活塞式压缩机吸、排气的间歇性，使气流的压力和速度呈周期性的变化，此现象称为气流脉动。
压缩机管路内所充满的气体称作气柱，气柱受到一定的激发之后就產生振动，振动通过振幅、频率等参数进行表述的，当激发频率等于气柱固有频率时，气柱就发生共振现象。管路气柱的固有频率取决于管道的配管方式、长度、通流面积、储气罐的容积大小和安装位置，改变管道和容器的尺寸，以及它们的配置，可以改变管路气柱的固有频率，并能避开共振，由此减少气流脉动的振幅，消除排气管道的振动现象发生。
本项目设计单位在设计时虽考虑上述引起共振的因素，但由于本项目业主利旧使用了DW—200/2活塞式压缩机，机器因长时间使用，其零部件磨损、工况性能下降等干扰因素，设计人员为充分考虑而验算有误引起设计参数不能满足现场要求，我们通过分析，认为可能因配管方式、长度、通流面积、安装位置等因素，引起排气管道振动过大。
6 如何降低管道的气流脉动
研究发现当激发频率等于气柱的固有频率时，气柱就发生共振，气柱共振管长
L=（0.8～1.2）a/4fax
其中fax为激发频率、a为波速。
压缩机排气管道设计和施工时要避开共振管长，此共振管长由压缩机制造厂商技术文件中给出，供用户参考。
本项目所有压缩机根据制造厂商技术文件的激发频率fax，计算引起共振的管长
一阶共振管长L1=（0.8～1.2）a/4fax=7.53米～11.3米
二阶共振管长L2=（0.8～1.2）3a/4fax=22.6米～33.9米
压缩机排气管长应该避开7.53米～11.3米和22.6米～33.9米，否则就产生共振。经过测量本项目压缩机对称分布的气缸排气管至储气罐的距离恰恰为8米和11米，共振现象十分激烈。
相关资料研究表明消除气流脉动的最有效办法有两种：
一是增加缓冲器（此法简单实用）；
二是增设气流脉动衰减器（声学滤波器，此法投入和维修成本较大）；
7 排气管路改造实例
试验证明——只要缓冲器容积比气缸每行程容积大10倍，安装时在空间允许的前提下缓冲器位置足够靠近气缸，在设备运行时气阀全打开，流入缓冲罐后继管道的气流就十分平稳，共振现象就显著下降。基于现状，我们在气缸与储气罐之间（共振管长控制在7.53米以内）增加一台DN350*1600的缓冲器（利用业主的库存容器）、同时将排气管的管径由原设计的DN250增加至DN350，以此增加管路系统的气柱容积，在此次改造完毕后，设备再次进行试运行，排气管振动现象基本被消除，深受业主的好评（图2）。 8 压缩机排气管振动的防治措施
压缩机排气管振动既可能因设备本身安装精度不高、基础设计不合理、垫铁选型和放置不符合规范要求等所致，也有可能是工艺管路系统设计、施工等未充分考虑气流脉动的影响。下面结合工程实例，就引起活塞式压缩机排气管振动的几个关键工序分别进行分析，提出针对性的预防措施。
8.1 压缩机基础符合设计要求、垫铁安装正确是首要前提
压缩机基础质量控制贯穿于土建施工的全过程，特别是基础形式、基础垫层、钢筋、混凝土标号、浇筑捣实和养护等，必须严格按照施工图纸和规范要求施工，保证基础有足够的强度，各测点沉降量基本一致，且到机组安装试运后，沉降量趋于零。如果在安装过程中，出现基础下沉或变形，则会导致基础台板与基础贴合不密实，在机组空负荷时即出现振动，且运行工况改变，振动频率和振幅也随之改变。
压缩机的机身部位安装一般使用制造厂家提供的专用墊铁，或者使用经过铲磨处理的平垫铁，垫铁与基础接触面要打麻面且接触良好，垫铁的承载面积和布置方式必须符合随机技术要求，垫铁的安装水平度用大平尺和框式水平仪进行控制如图3所示：
8.2 压缩机机身找平、传动件找正是减少管路振动的基本保证
本机组找平找正确定变速器为安装基准机器，即先找平变速器，再由变速器两端分别去找正压缩机、电机。变速器的纵向水平选择在高速轴和低速轴的轴颈上放置框式水平仪（精度0.02mm/m）检测，其水平度应为0.02—0.03mm/m，横向水平在变速器的中分面上放置框式水平仪（精度0.02mm/m）进行检测，其水平度应为0.05—0.08mm/m；同样压缩机的纵向水平和横向水平也分别造轴颈和机壳中分面上进行；在变速器找平后通过联轴器分别找正压缩机和电机，用3块百分表分别检测联轴器的同轴度---径向和端面跳动值（径向不大于0.05mm、端面不大于0.03mm）齿轮联轴器的端面间隙控制在5—7mm为宜，机组的找平与联轴器的找正相互交错进行直至符合要求。
8.3 确保压缩机运动机构安装精度是减少机身和管路振动关键步骤
汽缸就位后，缸体及缸内部套找中心就成这道工序的关键，关系到机组的平稳运行，必须严格按照图纸及规范要求施工。在安装过程中，注意使缸体中心、隔板中心保持一致、转子中心与隔板中心一致。如果缸内动、静部分不能保持同心，则动静间隙不均，造成运行时蒸汽在圆周上不均匀泄漏，引起间隙自激振动。当动、静部分中心严重超标时，还可以引起动、静之间摩擦，若摩擦发生在转轴处，更会使转子发生热弯曲，运行不稳定，出现强迫振动。
同时还要注意，在安装过程中，机组冷态与热态膨胀时情况不同，即冷态与热态状态下汽缸中心都会发生变化，在安装时可先对汽缸及缸内部套相对于转子中心做适当调整，保证机组受热膨胀后，转子与汽缸的同心度基本保持一致。
8.4 在严格按设计要求进行管路布置的前提下，优化工艺管道设计、合理进行管路布局，尤其是要通过验算而避开气柱的共振管长，避免气流脉动现象的发生，以此来消除排气管振动。
结束语
活塞式压缩机安装是机电安装中精度要求较高、难度较大、工艺较复杂的安装项目，因此对它的安装好坏，直接关系到机组和管路系统的寿命，避免因系统压力震荡，造成压缩机本体和气阀损坏的严重后果。在本文中对因气流脉动现象引起排气管路振动的原因进行了分析，同时提出了活塞式压缩机安装中相关注意事项。
参考文献
[1] 党锡淇、陈守五等著—西安交大出版社——《活塞式压缩机气流脉动与管道振动》1984年。
[2] 彭学院著—西安交大压缩机研究所——《气流脉动与管道振动》2009年。
[3] GB50275---2010《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》
作者简介
牛守义（1967-）男，安徽合肥人，工程师，主要从事工程施工技术管理方面的工作。