超高壓大塊式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

張劍

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著石化工藝項(xiàng)目的興盛、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及壓縮機(jī)高排氣壓力技術(shù)的突破和完善，大型石化項(xiàng)目中出現(xiàn)了越來越多的高壓、超高壓壓縮機(jī)。容積式壓縮機(jī)（以往復(fù)活塞式壓縮機(jī)和容積式回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)為主流）在超高壓、高壓領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。

活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)的造價(jià)僅占?jí)嚎s機(jī)設(shè)備價(jià)值的一小部分，但不當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)計(jì)所造成事后加固的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超其基礎(chǔ)本身的造價(jià)，故合理的壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尤為重要。本文基于規(guī)范，結(jié)合具體工程實(shí)例，通過計(jì)算對(duì)影響壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最大位移控制的重要參數(shù)逐一分析，討論其對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響程度。

1 活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論要點(diǎn)概述

塊式基礎(chǔ)振動(dòng)計(jì)算理論的研究始于上世紀(jì)的二十年代，共有四種類型。分別為：質(zhì)量-彈簧-阻尼器模式、剛體-半空間模式、剛體-有限層模式和剛體-薄膜-彈簧-阻尼器模式[1]?，F(xiàn)行《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50040-96（以下簡稱《動(dòng)規(guī)》）是按質(zhì)量-彈簧-阻尼器模式推導(dǎo)計(jì)算的。事實(shí)上，現(xiàn)行《動(dòng)規(guī)》要求的地基基本動(dòng)力特性參數(shù)正是“質(zhì)-彈-阻”模式與彈性半空間理論的融入。

石化裝置中采用的大塊式基礎(chǔ)壓縮機(jī)機(jī)組主要有兩類，活塞式壓縮機(jī)機(jī)組就是其中之一。活塞式壓縮機(jī)機(jī)組以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速一般小于1 000 r/min。這類機(jī)器工作時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)力荷載是由曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的不平衡慣性力（包括旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡離心力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力），它使基礎(chǔ)作受迫振動(dòng)。由于裝置中壓縮機(jī)的重要性，其機(jī)器擾力的方向、數(shù)值、作用位置和位移變形控制值一般由機(jī)器制造廠提供，本文將不贅述其計(jì)算過程。

壓縮機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算的最終目的是把基礎(chǔ)的振動(dòng)控制在允許的范圍內(nèi)，以滿足工人正常操作、機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)周圍建筑物及儀表無不良影響的要求?？刂苿?dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)大小的指標(biāo)有兩個(gè)：一個(gè)是允許振動(dòng)線位移（允許振幅），一個(gè)是允許振動(dòng)速度或加速度，這兩個(gè)指標(biāo)之間存在可相互轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)關(guān)系，可互相推導(dǎo)。須注意在運(yùn)用規(guī)范作振動(dòng)控制時(shí)，對(duì)規(guī)范條文4.3.2 的理解。當(dāng)壓縮機(jī)存在兩個(gè)諧擾力（矩）時(shí)，若150 r/min ≤一諧擾頻≤300 r/min（即300 r/min ≤二諧擾頻≤600 r/min），則應(yīng)雙控位移和速度峰值[2]。

基組的振動(dòng)可分為豎向、扭轉(zhuǎn)、水平和回轉(zhuǎn)四種形式，當(dāng)基組總重心與基礎(chǔ)底面形心位于同一垂直線上時(shí)，基組的豎向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是獨(dú)立的，而水平和回轉(zhuǎn)振動(dòng)則耦合在一起。水平方向上的自由振動(dòng)和繞質(zhì)心的回轉(zhuǎn)自由振動(dòng)形成耦合的原因是質(zhì)心和剛心不在同一水平線上[1]。所以基組質(zhì)量中心（簡稱質(zhì)心）、基礎(chǔ)底面形心及擾力作用中心要位于同一垂直線上，以避免產(chǎn)生較大的回轉(zhuǎn)力矩或扭轉(zhuǎn)力矩。另據(jù)《動(dòng)規(guī)》條文說明，應(yīng)注意基礎(chǔ)的垂直振動(dòng)線位移是垂直擾力引起的垂直線位移和由回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)引起的垂直線位移兩者的疊加[2]。

2 壓縮機(jī)基礎(chǔ)算例設(shè)計(jì)參數(shù)分析

本次設(shè)計(jì)的二次壓縮機(jī)是所在裝置的關(guān)鍵設(shè)備，用于將乙烯氣體注入超高壓反應(yīng)釜，入口壓力超過27.6 MPa，出口壓力超過225 MPa，流量為85.5 t/h。機(jī)組采用正壓通風(fēng)型同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率約為 14 000 kW，屬于大功率超高壓往復(fù)式壓縮機(jī)。

由于超高壓壓縮機(jī)制造工藝的原因，一般需采用國外制造廠的專有技術(shù)，振幅等參數(shù)的控制值會(huì)比《動(dòng)規(guī)》更嚴(yán)格，制造廠所提供的動(dòng)力參數(shù)也會(huì)高于普通活塞式壓縮機(jī)。為更合理的設(shè)計(jì)超高壓大塊式往復(fù)式壓縮機(jī)基礎(chǔ)，下文將從三方面的關(guān)鍵參數(shù)入手，比較其對(duì)于超高壓壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中振幅控制的影響。

2.1 壓縮機(jī)計(jì)算模型簡介

某超高壓大塊式活塞二次壓縮機(jī)，基礎(chǔ)平面圖見圖1，典型剖面見圖2。

制造商提供的基組動(dòng)力參數(shù)見表1、表2。

表1 壓縮機(jī)一階擾力值

表2 壓縮機(jī)二階擾力值

制造商提供的靜力參數(shù)見表3。

表3 壓縮機(jī)靜力值

圖1 壓縮機(jī)基礎(chǔ)平面圖

基礎(chǔ)下各土層均為砂土層，厚20～30 m，下部基巖層包括強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。通過 4 000 kN · m 能級(jí)強(qiáng)夯處理，表層地基土承載力特征值提高至160 kPa，Es 值達(dá)到10 MPa。

《動(dòng)規(guī)》中規(guī)定的允許振動(dòng)值為200 μm，但要求基組自振頻率與機(jī)器擾力頻率錯(cuò)開25%以上，即基組不在共振區(qū)內(nèi)工作[2]。本次超高壓壓縮機(jī)制造廠商的要求則更嚴(yán)格，即當(dāng)超高壓壓縮機(jī)的基組自振頻率與機(jī)器擾力頻率差值在30%以內(nèi)時(shí)，要求將最大振動(dòng)線位移控制在25 μm 以內(nèi)。

圖2 壓縮機(jī)基礎(chǔ)典型剖面圖

在綜合考慮工藝布局、壓縮機(jī)制造廠及超高壓管線設(shè)計(jì)單位對(duì)于壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的限制后，最終確定的超高壓大塊式活塞壓縮機(jī)大底板鋼筋砼基礎(chǔ)尺寸為15 m×30.8 m×2 m （厚），埋深-3.5 m。通過計(jì)算所得的最大振幅、速度及相關(guān)基組自振頻率與機(jī)器擾力頻率見表4、表5。

表4 最大振幅和振動(dòng)速度

表5 基組自振頻率和機(jī)器擾力圓頻率

可見，計(jì)算所得的基組最大振幅控制在25 μm 以內(nèi)，能同時(shí)滿足《動(dòng)規(guī)》與制造商對(duì)于允許振動(dòng)值的限值，并留有一定的安全余量。

2.2 基組自振圓頻率、機(jī)器擾力圓頻率的相互關(guān)系對(duì)于振幅的影響

按《動(dòng)規(guī)》規(guī)定對(duì)壓縮機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算后，確定了壓縮機(jī)基礎(chǔ)的尺寸與埋深，也就確定了基組自振圓頻率值。為研究當(dāng)基組自振圓頻率不變時(shí)，機(jī)器擾力圓頻率對(duì)于振幅的影響，將基組水平自振圓頻率 W 與一諧擾力圓頻率 W1 的比值分為0.1 至2.0 的二十個(gè)數(shù)值，分別代入規(guī)范公式，計(jì)算求得所對(duì)應(yīng)的最大振幅A，見圖3。

圖3 最大振幅隨機(jī)器擾力圓頻率的變化曲線

計(jì)算表明，W 與W1 的比值從0.6 至1.5 的范圍內(nèi)時(shí)，最大振幅A 有明顯的增大，最大值出現(xiàn)在比值接近1.0 時(shí)。上述結(jié)果基本符合規(guī)范及制造商的振幅控制要求，所以在計(jì)算超高壓壓縮機(jī)基礎(chǔ)時(shí)，宜在設(shè)計(jì)階段充分考慮共振對(duì)于振幅控制的不利影響，以避免因機(jī)器振動(dòng)過大導(dǎo)致日后設(shè)備投產(chǎn)后的再補(bǔ)救、再加固。此外，還須注意對(duì)于一般的中、低頻機(jī)器基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)中盡量使其基組處于共振前工作，即使基組自振頻率高于機(jī)器擾力頻率，同時(shí)將地基剛度取得偏低一點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)可在結(jié)構(gòu)的安全度上增加一道防線[3]。

本次超高壓二次壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，各基組自振圓頻率值均高于機(jī)器擾力圓頻率，即基礎(chǔ)處于共振前工作區(qū)域，又稱低頻振動(dòng)區(qū)域，相應(yīng)于這一區(qū)域的基礎(chǔ)稱為高調(diào)頻基礎(chǔ)。對(duì)于這類基礎(chǔ)的振幅主要取決于地基剛度，即地基剛度越大，振幅越小。此外，通過比對(duì)1965～2004 年多次大塊式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)高壓、超高壓活塞式壓縮機(jī)的最大振幅控制問題，大部分的制造商均提出特殊要求。在考慮共振情況時(shí)，制造商大都要求把壓縮機(jī)最大振幅控制在25 μm 以內(nèi)。因此，在綜合考慮制造商要求后，設(shè)計(jì)者宜通過適當(dāng)增加基礎(chǔ)尺寸等方式，將最大振幅嚴(yán)格控制在25 μm以內(nèi)。

2.3 埋深變化對(duì)于振幅的影響

因動(dòng)力荷載所產(chǎn)生的位移與擾力和結(jié)構(gòu)剛度有密切關(guān)系，在擾力與基礎(chǔ)底面積不變的情況下，影響位移的主要因素是基礎(chǔ)的埋置深度。增加基礎(chǔ)埋深可增加基礎(chǔ)的阻尼，同時(shí)對(duì)于地基抗壓剛度有一定的提高作用，這兩點(diǎn)均對(duì)振幅控制產(chǎn)生積極影響。但如果水平擾力作用較大，則會(huì)增加作用于基礎(chǔ)上的擾力矩，從而通過擾力的作用增加最大振幅值。因此，設(shè)計(jì)者在計(jì)算過程中應(yīng)注意兩者的關(guān)系配合調(diào)整。

鑒于1965～2004 年的大塊式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料所示，活塞式壓縮機(jī)水平擾力值一般在1～80 kN 范圍內(nèi)。為研究埋深變化對(duì)于本次超高壓壓縮機(jī)基礎(chǔ)振幅控制的影響，在保持基礎(chǔ)底面積不變的情況下，分別比對(duì)水平擾力為18.2 kN 和80 kN 兩種情況下基礎(chǔ)埋深與最大振幅的關(guān)系。

首先，當(dāng)水平擾力為18.2 kN 時(shí)，將基礎(chǔ)埋深Hc從2.0 m 取至4.0 m，分別代入規(guī)范公式，計(jì)算求得所對(duì)應(yīng)的最大振幅A，見圖4。

圖4 最大振幅隨埋深變化曲線

計(jì)算表明，隨著基礎(chǔ)埋深的增加，振幅相應(yīng)增加?？梢娫谒綌_力并不大的情況下，增加基礎(chǔ)埋深時(shí)，由基礎(chǔ)阻尼、地基抗壓剛度提高對(duì)于振幅的控制力仍略小于水平擾力矩增大所帶來的不利影響。

當(dāng)水平擾力為80 kN 時(shí)，將基礎(chǔ)埋深Hc 從2.0 m取至4.0 m，分別代入規(guī)范公式，計(jì)算求得所對(duì)應(yīng)的最大振幅A，見圖5。

圖5 最大振幅隨埋深變化的曲線

通過比對(duì)圖4、圖5 中的振幅值隨Hc 變化曲線，發(fā)現(xiàn)水平擾力在18～80 kN 范圍內(nèi)，振幅隨基礎(chǔ)埋深增加而增加的曲線曲率基本相同。由此可知，當(dāng)超高壓活塞式壓縮機(jī)的水平擾力在18～80 kN 范圍內(nèi)變化時(shí)，增加基礎(chǔ)埋深所帶來的振幅減小程度要小于水平擾力矩增大所引起的振幅增大影響。故從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，建議盡量淺埋基礎(chǔ)，以獲得更好的控制振幅效果。

2.4 不同基礎(chǔ)形式對(duì)于振幅的影響

活塞式大塊式壓縮機(jī)基礎(chǔ)一般采用天然地基與樁基兩種類型。就本次超高壓大塊式活塞壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型，分天然地基基礎(chǔ)、按4.5 倍D 樁間距控制的樁基基礎(chǔ)和按10 倍D 樁間距控制的樁基基礎(chǔ)三種情況進(jìn)行最大振幅比較。設(shè)計(jì)結(jié)果比對(duì)中，三種情況的基礎(chǔ)埋深均為3.5 m，基礎(chǔ)大底板底面積均為15×30.8 m。所得最大振幅結(jié)果見表6。

表6 三種基礎(chǔ)的最大振幅

由表6 可見，相同計(jì)算條件下，天然地基的最大振幅A1 比樁基基礎(chǔ)最大振幅A2 大30%左右。這是由于本次超高壓壓縮機(jī)的控制擾力為扭轉(zhuǎn)擾力矩，其對(duì)應(yīng)的最大振幅為基組在機(jī)器扭轉(zhuǎn)力矩Mψ 和橫向擾力Px 沿Y 軸偏心時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)所引起的，故最大振幅主要取決于基礎(chǔ)的抗扭剛度。根據(jù)近年來在樁基動(dòng)力試驗(yàn)中累積數(shù)據(jù)的分析，《動(dòng)規(guī)》將樁基的抗扭剛度定為天然地基的抗扭剛度的1.4 倍[2]，故A1 與A2 的差值是合理的。

樁間距由4.5 倍樁徑增至10 倍樁徑時(shí)，最大振幅的增加值并不明顯。這是由于《動(dòng)規(guī)》中只區(qū)分了天然地基與樁基的抗扭剛度取值，并沒對(duì)布樁疏密程度導(dǎo)致的樁基抗扭剛度差異作出定義。建議規(guī)范能增加布樁疏密程度對(duì)于樁基抗扭、抗剪剛度的影響系數(shù)，以提高壓縮機(jī)樁基設(shè)計(jì)的精確性和經(jīng)濟(jì)性。

通過三種基礎(chǔ)類型的方案比較，可知當(dāng)基礎(chǔ)埋深和底面積相同，且超高壓壓縮機(jī)基礎(chǔ)的控制擾力是扭轉(zhuǎn)擾力矩時(shí)，若基底各土層的綜合抗壓剛度較高，宜首選經(jīng)濟(jì)的天然地基基礎(chǔ)。否則，宜采用樁基基礎(chǔ)，相同情況下樁基的最大振幅將比天然地基減小30%～40%。

3 結(jié)束語

針對(duì)具體工程實(shí)例，基于規(guī)范所進(jìn)行的計(jì)算，對(duì)影響壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最大振幅控制的三個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行逐一分析，結(jié)果表明：

（1）當(dāng)基組自振圓頻率與機(jī)器擾力圓頻率差值在30%以內(nèi)時(shí)，共振對(duì)于最大振幅控制的影響明顯增加。結(jié)合國外制造商的建議，宜將基組自振圓頻率與機(jī)器擾力圓頻率差值控制在30%以外。若受到工藝布置、管線布置等因素的限制而無法錯(cuò)開兩個(gè)頻率的差值時(shí)，宜將最大計(jì)算振幅控制在25 μm 以內(nèi)，并盡量使基組各自振圓頻率值均高于機(jī)器擾力圓頻率，以增加設(shè)計(jì)安全度。

（2）對(duì)于超高壓活塞式壓縮機(jī)，增加基礎(chǔ)埋深時(shí)，由基礎(chǔ)阻尼、地基抗壓剛度提高對(duì)于振幅的控制力略小于擾力矩增大所帶來的負(fù)面影響。振幅隨埋深增加而相應(yīng)增加，故從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，建議盡量淺埋基礎(chǔ)，以更好的控制基組的最大振幅。

（3）當(dāng)基礎(chǔ)埋深和底面積相同的情況，且超高壓壓縮機(jī)基礎(chǔ)的控制擾力是扭轉(zhuǎn)擾力矩時(shí)，樁基的位移控制能力比天然地基要高30%～40%。同時(shí)，建議《動(dòng)規(guī)》能增加布樁疏密程度對(duì)于樁基抗扭、抗剪剛度的影響系數(shù)，以提高壓縮機(jī)樁基設(shè)計(jì)的精確性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 郭長城.建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1982.

[2] GB50040—96, 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究院.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1983.