設(shè)備布置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

楊 蕾

(唐山三友化工工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063305)

在化工企業(yè)的設(shè)計(jì)中，各式各樣的設(shè)備布置在廠區(qū)及裝置區(qū)內(nèi)，有高塔、機(jī)泵、罐、反應(yīng)器、換熱器、臥式容器、壓縮機(jī)等，這些設(shè)備的布置都有其自身的特殊性，每種設(shè)備在廠區(qū)內(nèi)、裝置區(qū)內(nèi)的布置都應(yīng)符合各自規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，同時(shí)還應(yīng)考慮與其相連的各種管道(液體管道和壓力管道等)的設(shè)計(jì)要求，并充分滿足工藝流程的相關(guān)需求，這樣才能作出合理、安全、規(guī)范、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。本文對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)備布置中遇到的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行分析，以提高設(shè)備布置的結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化。

1 設(shè)備布置與工藝專業(yè)的聯(lián)系

工藝流程是設(shè)備布置的源頭，工藝專業(yè)的PID圖、物料平衡圖、工藝流程圖、工藝系統(tǒng)圖、設(shè)備布置圖是工業(yè)設(shè)計(jì)的精髓，各種設(shè)備的布置要求、布置形式，相鄰設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)，相關(guān)設(shè)備的安裝標(biāo)高、預(yù)留的檢修空間，以及物料之間的相互反應(yīng)直接影響著設(shè)備布置的方案，在進(jìn)行設(shè)備布置時(shí)應(yīng)充分了解工藝專業(yè)的流程，并與其它相關(guān)專業(yè)進(jìn)行溝通，在滿足規(guī)范要求的前提下，做到業(yè)主滿意。

2 設(shè)備布置的原則

1)設(shè)備布置應(yīng)滿足工藝流程的需求，并應(yīng)滿足整個(gè)廠區(qū)、裝置區(qū)內(nèi)的水平布置和豎向布置的連續(xù)性、流暢性，將同一類設(shè)備如高塔、罐體等盡量集中布置在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)，使空間得到充分利用。

2)通常把空冷器、高位槽布置在框架的頂層，重量較大的槽罐設(shè)備以及振動(dòng)較大的設(shè)備(如壓縮機(jī)、真空泵等)布置在框架的底層，與其他生產(chǎn)部分隔開，主要設(shè)備布置在中間層(如反應(yīng)器)，這樣布置既可以利用位差進(jìn)出物料，又可以降低建構(gòu)筑物的高度，減少樓面荷載及振動(dòng)，使成本得到控制。

3)設(shè)備布置形式可以采取敞開式布置、半敞開式布置或封閉式布置，且應(yīng)考慮場地及當(dāng)?shù)刈匀粭l件的影響。風(fēng)沙較大的地區(qū)，不宜敞開布置；冬季氣溫較低的地區(qū)，也不宜敞開布置。

4)設(shè)備布置時(shí)，與其相連的壓力管道和熱膨脹管道在布置時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)及熱應(yīng)力的影響，充分利用工藝專業(yè)的應(yīng)力計(jì)算分析和管道安裝的相關(guān)要求，及時(shí)調(diào)整設(shè)備布置方案，保證整個(gè)體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 設(shè)備布置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

3.1 塔的布置

塔是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，塔的布置方式有單排布置、多排布置和構(gòu)架式布置，從而確定了塔基礎(chǔ)的布置形式，獨(dú)立式基礎(chǔ)、聯(lián)合式基礎(chǔ)、大厚板框架式塔基礎(chǔ)等。塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是塔設(shè)備的重中之重，并決定了塔與塔之間的間距以及與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)備布置。

3.1.1 塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

敞開放置的高塔設(shè)備，由于形體較高，受風(fēng)荷載的影響，在高塔的表面形成了吸力或者壓力，并在橫風(fēng)向和順風(fēng)向這兩個(gè)方向上產(chǎn)生振動(dòng)。一種是橫風(fēng)向的風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)，一種是順風(fēng)向的常規(guī)設(shè)計(jì)振動(dòng)。其中橫風(fēng)向是振動(dòng)方向與風(fēng)的流向垂直，順風(fēng)向是振動(dòng)方向與風(fēng)的流向一致。因此,塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的總荷載中,風(fēng)荷載占據(jù)著很大的比重。除水平地震作用外，主要的側(cè)向荷載由風(fēng)荷載產(chǎn)生。對(duì)于高塔基礎(chǔ)，規(guī)范涉及的上部鋼設(shè)備的自振周期對(duì)于風(fēng)荷載計(jì)算公式里的風(fēng)振系數(shù)的取值和結(jié)構(gòu)自振周期密切相關(guān)，其取值的高、低會(huì)造成成倍的差異，這就是風(fēng)的動(dòng)力特性對(duì)塔產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要弄清楚塔設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括塔的壁厚、內(nèi)、外徑及塔身材料的彈性模量，設(shè)計(jì)壓力、工作壓力，設(shè)計(jì)溫度、工作溫度，物料成分及密度等，因?yàn)樗O(shè)備幾何參數(shù)的取值直接決定塔的剛度從而確定塔的自振周期。

在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)靠近的兩座或多座塔之間的相互影響是不可忽略的，體型系數(shù)的取值應(yīng)當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)，X方向和Y方向不一樣，不能作為獨(dú)立塔分別計(jì)算，而是應(yīng)該整體考慮。而塔基礎(chǔ)的埋深在規(guī)范里面沒有明確的指引，塔基礎(chǔ)的埋深問題，建議參考《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第12.1.8條規(guī)定：天然或復(fù)合地基取房屋高度的1/15；樁基可取1/18。特別是獨(dú)立高塔基礎(chǔ)，執(zhí)行這個(gè)規(guī)定更安全些，對(duì)抗滑移抗傾覆更有利。

3.1.2 塔布置的要求

塔與管廊之間應(yīng)當(dāng)至少留有寬度為1.8 m的安裝檢修通道，管廊柱中心與塔設(shè)備外壁的距離不應(yīng)小于3 m，管廊柱基礎(chǔ)與塔基礎(chǔ)的凈間距應(yīng)大于300 mm，塔安裝的設(shè)計(jì)要滿足操作和檢修的要求，基礎(chǔ)露出地面高度，最小要高出地面200 mm。

3.2 泵的布置

在工業(yè)廠區(qū)內(nèi)機(jī)泵的布置比比皆是，有露天布置、半露天布置和封閉的室內(nèi)布置，并將泵布置成單排、雙排或多排，有時(shí)亦將泵布置在管廊下面，節(jié)省用地。

3.2.1 泵基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

泵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)基礎(chǔ)質(zhì)量應(yīng)大于機(jī)泵質(zhì)量的3～5倍，泵的基組總重心與基礎(chǔ)底面形心應(yīng)當(dāng)位于同一鉛垂線上，其相對(duì)偏心不應(yīng)超過3%，且基礎(chǔ)底面平均靜壓力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于等于0.5～0.7倍的地基承載力設(shè)計(jì)值。

泵布置時(shí)應(yīng)考慮操作條件、物料特性和其物料類別的防火要求分組布置，并按照泵出口中心線或泵端基礎(chǔ)邊為基準(zhǔn)對(duì)齊布置。

3.2.2 泵布置的要求

當(dāng)泵成排布置在管廊下時(shí)，泵出口中心線或泵端基礎(chǔ)邊對(duì)齊線宜與管廊平行；雙排布置泵時(shí)，應(yīng)將泵的驅(qū)動(dòng)力端相對(duì)，中間留出檢修通道，通道最小凈寬2 m，最小凈高3.2 m，泵端前面的操作通道和四周與墻的間距應(yīng)大于1 m。大型泵檢修時(shí)需要叉車走動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)留出叉車通道，通道應(yīng)滿足叉車的最小寬度要求。泵的操作溫度等于或高于物料自燃點(diǎn)時(shí)，宜集中布置；與操作溫度低于自燃點(diǎn)的可燃液體泵之間防火間距應(yīng)不小于4.5 m；與液體烴泵之間防火間距應(yīng)不小于7.5 m；當(dāng)泵布置在廠區(qū)主管廊下方或框架下方時(shí)，其上方應(yīng)留出泵體吊裝、安裝和檢修時(shí)所需的空間；除了放置在聯(lián)合基礎(chǔ)上的小型泵外，兩臺(tái)泵之間的凈距宜大于0.7 m，泵基礎(chǔ)面宜高出地面200 mm，且不得小于100 mm。

3.3 壓縮機(jī)的布置

壓縮機(jī)的基礎(chǔ)屬于動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理的選擇有關(guān)的動(dòng)力參數(shù)和基礎(chǔ)形式，布置時(shí)應(yīng)根據(jù)工藝流程的需求，選擇符合要求的結(jié)構(gòu)形式。

3.3.1 壓縮機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確定好壓縮機(jī)自重及其重心位置，以及壓縮機(jī)產(chǎn)生的擾力和擾力距方向。進(jìn)行荷載取值時(shí)，靜力計(jì)算采用設(shè)計(jì)值，動(dòng)力計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)，基礎(chǔ)的振動(dòng)應(yīng)能同時(shí)控制基礎(chǔ)頂面的最大振動(dòng)線位移和最大振動(dòng)速度，還應(yīng)保證壓縮機(jī)及其基礎(chǔ)整體在通過其重心豎向各擾力的作用下，其豎向振動(dòng)線位移和固有圓頻率符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

當(dāng)多臺(tái)同類型壓縮機(jī)置于同一底板基礎(chǔ)上，構(gòu)成聯(lián)合基礎(chǔ)，可將聯(lián)合基礎(chǔ)做為剛性基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。當(dāng)壓縮機(jī)基礎(chǔ)的質(zhì)量大于壓縮機(jī)質(zhì)量的5倍時(shí)，基礎(chǔ)底面的平均靜壓力設(shè)計(jì)值小于地基承力設(shè)計(jì)值的1.2倍時(shí)，可不做動(dòng)力計(jì)算。

3.3.2 壓縮機(jī)布置的要求

壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與建筑物的基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)以及混凝土地面分開。其管道與機(jī)器連接產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，管道與建筑物相接處應(yīng)采用隔震措施?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板的厚度不宜小于150 mm，頂板的懸臂長度不宜大于2 m；底板厚度不宜小于600 mm，底板的懸臂長度，在豎向振動(dòng)時(shí)，不宜大于2.5倍的板厚，水平振動(dòng)時(shí)，不宜大于3倍的板厚。

3.4 換熱器的布置

3.4.1 換熱器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

換熱器基礎(chǔ)通常由兩個(gè)支礅(固定礅、滑動(dòng)礅)及底板構(gòu)成，當(dāng)固定礅和滑動(dòng)礅相距較遠(yuǎn)，底板承受的水平力及力矩較小時(shí)，可采用分離式基礎(chǔ)；當(dāng)固定礅和滑動(dòng)礅相距較近，底板承受的水平力及力矩較大時(shí)，可采用整體式基礎(chǔ)。

換熱器基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮水平地震作用的影響，基礎(chǔ)支礅應(yīng)按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算與配筋?；A(chǔ)連梁內(nèi)力計(jì)算應(yīng)按偏拉或者偏壓進(jìn)行計(jì)算。

3.4.2 換熱器布置的要求

成組布置的換熱器設(shè)備，宜將換熱器支礅基礎(chǔ)中心線對(duì)齊，當(dāng)支礅基礎(chǔ)中心間距不相同時(shí)，宜取一端支礅基礎(chǔ)中心線對(duì)齊，避免造成偏心。為了與管道連接方便，地面上放置的換熱器亦可采用管程進(jìn)出口管嘴中心線對(duì)齊的方式布置；換熱器之間、換熱器與其他相鄰設(shè)備之間的凈距宜大于0.7 m。

3.5 罐的布置

3.5.1 罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可不考慮豎向地震作用，水平地震作用按單質(zhì)點(diǎn)單自由度體系進(jìn)行計(jì)算，荷載取值按照基本組合選取。當(dāng)?shù)鼗休d力標(biāo)準(zhǔn)值不小于200 kPa，壓縮層范圍內(nèi)無軟弱層時(shí)可不做地基變形計(jì)算。地震作用下，環(huán)形基礎(chǔ)底面與地基土之間零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)大于基底面積的1/4。多邊形或環(huán)形基礎(chǔ)可按基底均布荷載作用下的倒置圓弧形連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，梁上荷載即地基凈反力，基礎(chǔ)柱礅承載力應(yīng)按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。

3.5.2 罐布置的要求

罐基礎(chǔ)布置時(shí)，基礎(chǔ)埋深不宜小于1.5 m，基礎(chǔ)柱礅截面中心應(yīng)與球罐支柱中心重合。當(dāng)采用環(huán)形基礎(chǔ)時(shí)，底板邊緣厚度不得小于250 mm，懸挑長度與根部厚度之比應(yīng)不大于2.5。

3.6 臥式容器的布置

3.6.1 臥式容器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

臥式容器多集中布置，在地面上時(shí)多做成聯(lián)合基礎(chǔ)；容器若放置在框架上，應(yīng)將基礎(chǔ)布置在梁上，使荷載直接由次梁傳給主梁，主梁傳給框架柱，荷載傳遞路線要明確。在基礎(chǔ)的支礅上，容器的滑動(dòng)側(cè)和固定側(cè)應(yīng)按有利于容器上所連接的主要管線的柔性計(jì)算來確定荷載的取值，在布置時(shí)工藝專業(yè)要向結(jié)構(gòu)專業(yè)明確滑動(dòng)支礅和固定支礅。

3.6.2 臥式容器布置的要求

多臺(tái)臥式容器按排集中布置時(shí)，可按容器支礅中心線或者容器封頭頂端對(duì)齊的方式布置，這樣基礎(chǔ)中心線也可對(duì)齊，避免基礎(chǔ)偏心受力。臥式容器若置于框架上，應(yīng)有一定的安裝高度，并保證操作和檢測儀表所需的足夠空間；臥式容器底部排液管線的最低點(diǎn)與地面或平臺(tái)的最小距離為150 mm。支承單個(gè)臥式容器的框架，柱與柱之間的中心距離應(yīng)當(dāng)比容器的直徑至少大0.8 m；容器下方需通行時(shí)，其最小凈空高度為2.2 m。

4 結(jié) 語

工業(yè)設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的設(shè)備，在做平面布置的同時(shí)，還應(yīng)推敲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，除了參考行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)借鑒一些成熟的、好的工程經(jīng)驗(yàn)，不斷地優(yōu)化設(shè)備布置方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，使工程設(shè)計(jì)保證良好的品質(zhì)，更好地服務(wù)于項(xiàng)目本身。