活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

周小歆++唐家俊

摘 要：根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，論述了活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)振動(dòng)的控制方法以及其設(shè)計(jì)步驟、計(jì)算方法等。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)基礎(chǔ)；振動(dòng)；頻率；振幅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.260

1 引言

在合成氨、尿素等項(xiàng)目以及石油天然氣項(xiàng)目中，壓縮廠房是較為重要的工段。壓縮廠房即要考慮本身使用的安全性，還需滿足壓縮機(jī)和其他設(shè)備基礎(chǔ)、地溝與水池設(shè)計(jì)、管廊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)在動(dòng)力設(shè)備中屬于振動(dòng)問(wèn)題比較特殊的一類，在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，若設(shè)備的激振力頻率與自身固有頻率相差不大，就會(huì)發(fā)生共振：設(shè)備產(chǎn)生很大變形，劇烈振動(dòng)[1]，過(guò)大變形會(huì)產(chǎn)生螺栓拉裂、焊縫開(kāi)裂、軸承損壞、管道撕壞等危害，甚至基礎(chǔ)振碎等較為嚴(yán)重的工程事故[2]。因此，活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)工作尤為重要。

2 活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求

由于壓縮機(jī)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其擾力、擾力矩及回轉(zhuǎn)力矩等動(dòng)荷載會(huì)引起基礎(chǔ)及周邊地基土的振動(dòng)，引起基礎(chǔ)不均勻沉降，則壓縮機(jī)零件磨損增大，影響壓縮機(jī)正常運(yùn)行，生產(chǎn)效率降低。為避免不良影響，壓縮機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：地基具有一定承載力，不應(yīng)產(chǎn)生影響設(shè)備正常使用的不均勻沉降；壓縮機(jī)基礎(chǔ)本身應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性；壓縮機(jī)基礎(chǔ)的振動(dòng)不得超過(guò)規(guī)范規(guī)定的允許值；為避免設(shè)備振動(dòng)影響鄰近建構(gòu)筑物、儀表儀器的正常使用，壓縮機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)脫離：若基礎(chǔ)埋深在同一標(biāo)高，凈距不宜小于100mm；當(dāng)不在同一標(biāo)高時(shí)，中間回填土必須夯實(shí)；條件允許情況下，可調(diào)整設(shè)備定位坐標(biāo)或采取有效的減隔振措施。

若壓縮工段項(xiàng)目的地基情況較好、承載力較高、地基土變形較小可采用天然地基，地質(zhì)條件較差時(shí)需用人工地基、復(fù)合地基，如灌注樁、水泥土復(fù)合地基等。

3 活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 輸入條件

土建專業(yè)在壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前應(yīng)接收主導(dǎo)專業(yè)提供的設(shè)計(jì)條件，至少包括：壓縮機(jī)參數(shù)：機(jī)器重（靜重、運(yùn)行重）及重心位置；壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)及輪廓尺寸；壓縮機(jī)曲軸中心線至基礎(chǔ)頂面的距離；曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的一諧、二諧不平衡擾力與擾力矩，其作用的位置和方向；機(jī)器底座外輪廓尺寸，輔助設(shè)備、管道定位，預(yù)留洞尺寸及定位，灌漿層厚度和范圍，地腳螺栓數(shù)量、定位和預(yù)埋件定位。場(chǎng)地資料：基礎(chǔ)定位坐標(biāo)及鄰近建筑物的基礎(chǔ)平面布置圖；建筑場(chǎng)地的詳細(xì)地質(zhì)勘察資料、地基動(dòng)力特性試驗(yàn)資料。

3.2 基礎(chǔ)振動(dòng)控制方法

壓縮機(jī)基礎(chǔ)的形狀尺寸和埋深一般根據(jù)地勘資料、壓縮廠房的基礎(chǔ)埋深及工藝管溝埋深條件綜合確定?；A(chǔ)的外形尺寸根據(jù)廠家提供的機(jī)器輪廊外形尺寸及主導(dǎo)專業(yè)提出的輔助設(shè)備布置、配管條件等資料進(jìn)行確定，同時(shí)應(yīng)滿足基礎(chǔ)的整體剛度構(gòu)造要求，不宜小于800mm?；A(chǔ)形式應(yīng)簡(jiǎn)單規(guī)整、對(duì)稱、質(zhì)量分布均勻，落地基礎(chǔ)常選擇大塊式?；钊綁嚎s機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小基礎(chǔ)的振動(dòng)速度和位移，應(yīng)盡可能減小基礎(chǔ)的高度，基礎(chǔ)盡量對(duì)稱布置。滿足壓縮機(jī)主軸的重心與基組總重心之間的偏差在一定范圍內(nèi)，這樣有利于減小引起壓縮機(jī)振動(dòng)的不利扭矩。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不大于800r/min時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)方法提高機(jī)組的固有頻率，使其高于機(jī)器的擾力頻率，保證機(jī)組在共振前工作。

根據(jù)頻率的計(jì)算公式：

（1）

式中：——固有頻率；——基礎(chǔ)剛度；——參振質(zhì)量。

根據(jù)公式（1），提高機(jī)組固有頻率的方法有增加基礎(chǔ)剛度和調(diào)整參振質(zhì)量。

（1）增加基礎(chǔ)的剛度。在保持基礎(chǔ)質(zhì)量不變或增加幅度不大的情況下，增大基礎(chǔ)的底面積或增大基礎(chǔ)厚度則基礎(chǔ)的剛度增大，基礎(chǔ)的固有頻率也相應(yīng)增大。若要增大基礎(chǔ)或地基土的水平剛度，可采用基礎(chǔ)周邊布置一排斜樁。采用人工地基（CFG樁復(fù)合地基或樁基）則可增加基礎(chǔ)（地基土）的剛度，基礎(chǔ)的質(zhì)量不變，提高了基礎(chǔ)的固有頻率。

（2）調(diào)整參振質(zhì)量。當(dāng)采用聯(lián)合基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)的質(zhì)量、剛度均增大，但基礎(chǔ)抗彎剛度與長(zhǎng)度成3次方，增長(zhǎng)的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基礎(chǔ)質(zhì)量增長(zhǎng)幅度。因此，聯(lián)合基礎(chǔ)的固有頻率常高于獨(dú)立基礎(chǔ)。對(duì)于低頻的壓縮機(jī)，聯(lián)合基礎(chǔ)是提高基礎(chǔ)的固有頻率避開(kāi)共振頻率的好方法。混凝土剛性地坪和增加樁基主要是增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗壓剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，兩者都可以顯著減小基礎(chǔ)的振動(dòng)速度和位移，但因基礎(chǔ)參振質(zhì)量同時(shí)增加，必須根據(jù)動(dòng)力計(jì)算分析和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定對(duì)基礎(chǔ)自振頻率的影響[4]。

3.3 壓縮機(jī)基礎(chǔ)靜力計(jì)算

壓縮機(jī)基礎(chǔ)上的靜荷載包括機(jī)器及附屬設(shè)備重、基礎(chǔ)自重、基礎(chǔ)板上的土重、支承在基礎(chǔ)上的其他荷載等，靜力計(jì)算時(shí)荷載均采用設(shè)計(jì)值。

壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量滿足基組重心與基礎(chǔ)底面形心重合，當(dāng)有偏差時(shí)，偏心距與平行偏心方向的基底邊長(zhǎng)比值≤3%，地基承載力時(shí)可放寬到5%[3]；計(jì)算基組重心時(shí)應(yīng)考慮壓縮機(jī)自身運(yùn)行荷載、附屬設(shè)備運(yùn)行荷載和填土總重。同時(shí)，滿足基底應(yīng)力應(yīng)小于地基承載力。

3.4 壓縮機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算

活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算方法主要有兩種：共振法和振幅法。共振法原理要求基礎(chǔ)的自振圓頻率與設(shè)備的運(yùn)行頻率相差±20%以外，避免基組運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振效應(yīng)；振幅法要求基礎(chǔ)的最大振動(dòng)線位移、最大振動(dòng)速度和最大振動(dòng)加速度的幅值不超過(guò)允許值。目前，我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范按照振幅法計(jì)算 [4]。

在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，滿足一定條件時(shí)，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：當(dāng)壓縮機(jī)功率<500kW，基礎(chǔ)質(zhì)量大于機(jī)器重量的5倍以上，基底平均靜應(yīng)力<地基承載力1/2時(shí)，可不需動(dòng)力計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

一般尿素合成氨項(xiàng)目中氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)是裝置的核心設(shè)備，大都采用活塞式壓縮機(jī)。土建專業(yè)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)立足于基礎(chǔ)調(diào)頻、加固地基等措施，配合其他專業(yè)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制施工環(huán)節(jié)，保證設(shè)備開(kāi)車運(yùn)行的安全、經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳喜軍.天然氣壓縮機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)危害及處理方法[J].工業(yè)技術(shù)，2015 NO.2（上）.

[2]徐建.建筑振動(dòng)工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]HG 20554-93，活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[4]SH/T 3091-2012，石油化工壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].