高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計的防振砂技術(shù)運用

劉 超，孫曉松，邢 菲，徐金亮，生文博

（中石油渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

某地采油廠各區(qū)塊聯(lián)合站注水泵房，安裝好高壓注水泵并投入使用后，由于高壓注水泵往復(fù)運動時的振動過大，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)開裂，甚至發(fā)生底座斷裂，影響高壓注水泵運行，阻礙了油田的正常生產(chǎn)。因此，分析高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計的合理性，結(jié)合實際情況采用優(yōu)化措施，避免高壓注水泵的基礎(chǔ)開裂。

1 高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計要點

某地采油廠各區(qū)塊聯(lián)合站注水泵房內(nèi)的高壓注水泵是基于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015年版）》、GB 50040—1996《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、GB 50391—2014《油田注水工程設(shè)計規(guī)范》、SH/T 3057—2017《石油化工落地式離心泵基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》設(shè)計的，屬于大型往復(fù)式高壓注水泵。以注水泵房內(nèi)的1#高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計為例，從角度分析設(shè)計要點。

1.1 高壓注水泵機組布置

注水泵房內(nèi)的高壓注水泵機組為：1#、2#高壓注水泵是其中的常用泵，3#高壓注水泵為備用泵[1]?；谙嚓P(guān)規(guī)定，在設(shè)計高壓注水泵基礎(chǔ)過程中，泵房內(nèi)注水泵機組排列方式采用單行排列，而關(guān)鍵機組布置、通道寬度設(shè)計等均能夠滿足設(shè)備安裝、維護、檢修、運行等各個方面的要求，并且符合以下4 方面的條件：①機組突出部分、墻體的靜距離≥1.2 m，同時預(yù)留出了維修人員的檢修操作空間，滿足泵軸、電機轉(zhuǎn)動就地檢修等方面的空間要求[2]；②高壓注水泵基礎(chǔ)間凈距要≥1.0 m，能夠滿足高壓注水泵實現(xiàn)整體拆除搬運等工作需求；③由于高壓注水泵工藝配套的高壓閥門、進出口管線、儀表等比較復(fù)雜，以及過濾器體積等方面的問題，要求高壓注水泵的基礎(chǔ)間凈距≥1.0 m，否則無法實現(xiàn)高壓閥門、工藝管線配管、過濾器等安全要求[3]；④高壓注水泵的主要通道寬度需設(shè)置為1.5 m，這一距離更方便維修人員和操作人員實施操作。

1.2 高壓注水泵基礎(chǔ)形式

基于泵房結(jié)構(gòu)是否連接，高壓注水泵基礎(chǔ)形式可以分為分離式和整體式：地下式泵房、半地下式泵房采用整體式，地面式泵房采用分離式，與鋼筋混凝土底板連接之后，可以成為一個整體[4]。整體式基礎(chǔ)也是泵房結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容，1#高壓注水泵基礎(chǔ)屬于分離式，所以開展分離式基礎(chǔ)的相關(guān)研究。

1.3 基礎(chǔ)尺寸

高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計過程中，基礎(chǔ)尺寸方面有高壓注水泵泵廠給出的泵底座尺寸、地腳螺栓孔相對間距等一系列數(shù)據(jù)，基于此設(shè)置1#高壓注水泵基礎(chǔ)的尺寸是3.8 m×2.3 m[5]。

1.4 重量與高度要求

高壓注水泵、電機的重量為9.0 t，因為基礎(chǔ)重量規(guī)范中要求為機組重量的2.5～4.5 倍，所以1#高壓注水泵基礎(chǔ)的重量設(shè)定為23 t，滿足基礎(chǔ)重量的規(guī)范要求。這意味著高壓注水泵基礎(chǔ)可以承受注水泵與電機總荷載，有效保障高壓注水泵運行的穩(wěn)定性。其次，高壓注水泵基礎(chǔ)頂面需要高于泵房室內(nèi)地面100～200 mm，所以設(shè)置為100 mm，滿足地面距離、工藝配管管線等要求[6]。

1.5 高壓注水泵基礎(chǔ)螺栓孔的安全條件

（1）為了方便開展地腳螺栓的調(diào)整、注水泵的安裝等工作，高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計需要預(yù)留螺栓孔，方便安裝地腳螺栓。但螺栓直徑規(guī)定，在d＜40 mm 時，螺栓孔中心至基礎(chǔ)邊緣尺寸需＞200 mm。將1#高壓注水泵基礎(chǔ)的腳螺栓直徑設(shè)定為24 mm，螺栓孔中心距離基礎(chǔ)邊緣設(shè)置為280 mm，可以滿足這一要求[7]。

（2）螺栓孔要求是方孔，尺寸為80～200 mm，大型水泵尺寸必須大于200 mm×200 mm，所以1#高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計必須要滿足這一要求。

（3）地腳螺栓孔的深度是以螺栓長度確定，并且根據(jù)螺栓底部和孔底凈距相關(guān)規(guī)定，要求必須＞50 mm，孔底與基礎(chǔ)底距離需＞100 mm，基于此，將1#高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計為300 mm[8]。

1.6 高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計的混凝土要求

（1）1#高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計要求為：在地腳螺栓孔和地腳螺栓準備好后，使用混凝土將其二次灌實，實現(xiàn)錨固的目的，不會因運行松動對水泵運行產(chǎn)生影響。

（2）1#高壓注水泵基礎(chǔ)混凝土強度為C30，保護層厚度為50 mm，墊層強度為C15。在開展施工期間，1#高壓注水泵基礎(chǔ)混凝土設(shè)計要求一次澆灌，避免出現(xiàn)施工縫；如果要求留有施工縫，則需遵守施工縫相關(guān)的操作要求和構(gòu)造預(yù)留[9]。

（3）為進一步保障1#高壓注水泵基礎(chǔ)的荷載，避免不均勻沉降，使用30～50 mm 厚的二次灌漿材料。對于1#高壓注水泵基礎(chǔ)頂面進行墊鐵固定操作。

（4）1#高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計重點強調(diào)了基礎(chǔ)需要等到高壓注水泵核實尺寸之后，才可以施工。

2 高壓注水泵基礎(chǔ)受力

高壓注水泵基礎(chǔ)需承受的荷載，包括高壓注水泵往復(fù)運動時產(chǎn)生的作用力、振動荷載和高壓注水泵自重其豎向靜荷載[10]。

經(jīng)過分析泵基礎(chǔ)受力，鋼性素混凝土基礎(chǔ)在荷載作用下，其四周如果未設(shè)置緩沖層的情況下，會出現(xiàn)混凝土泵基礎(chǔ)剛度不足、基礎(chǔ)下降等一系列問題。而導(dǎo)致這一問題的原因在于基礎(chǔ)四周回填土未夯實，并且由于黏性土的固結(jié)特性，導(dǎo)致高壓下在振動過程中發(fā)生脫離土體的情況，振動無法傳遞到土上。而中粗砂具有非常好的流動性，經(jīng)過高頻振動能夠更加密實，并且中粗砂所具有的流動性特點能夠填滿高壓注水泵基礎(chǔ)和周圍縫隙。通過基礎(chǔ)振動能夠密實填砂，約束基礎(chǔ)側(cè)向，從而使高壓注水泵基礎(chǔ)在運行過程中產(chǎn)生的振動可以由泵基礎(chǔ)吸收、隔離，降低自振頻率，避免出現(xiàn)共振情況[11]。在1#高壓注水泵基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計方面，通過在混凝土周圍設(shè)置防振溝，在其中填充防振砂，能夠有效防治泵基礎(chǔ)開裂。

3 高壓注水泵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

1#高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計如圖1 所示。分析高壓注水泵混凝土基礎(chǔ)開裂的原因，認為主要是高壓注水泵在振動后基礎(chǔ)下降、混凝土疲勞強度不足等問題導(dǎo)致。其優(yōu)化設(shè)計可以基于4 個方面實現(xiàn)。

圖1 高壓注水泵基礎(chǔ)斷面

（1）提高混凝土疲勞強度。在交變荷載的作用下，基礎(chǔ)混凝土疲勞強度無法更好地滿足相關(guān)要求，需進一步提高混凝土強度，以往是采用C20，可提升為C30。

（2）避免地下水腐蝕。優(yōu)化混凝土基礎(chǔ)鋼筋保護層的厚度加以優(yōu)化，從30 mm 厚度提高為50 mm。

（3）增強注水泵混凝土泵基礎(chǔ)的整體性。以往的注水泵混凝土泵基礎(chǔ)設(shè)計為無筋素混凝土，增強注水泵混凝土泵基礎(chǔ)可以優(yōu)化素混凝土基礎(chǔ)，如配置間距200 mm、直徑10 mm的鋼筋網(wǎng)。

（4）減弱振動影響。高壓注水泵基礎(chǔ)存在的振動問題中，其相關(guān)解決措施在于提高阻尼，將基礎(chǔ)周圍設(shè)置防振溝，并將粗砂填筑在其中的縫隙內(nèi)，提高阻尼效果。而基礎(chǔ)四周如果未設(shè)置防振溝，可以對基礎(chǔ)周圍進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)置尺寸為150 mm 寬、700 mm 深的防振溝。需注意的是，防振溝內(nèi)填充的防振砂要求具有良好的流動性和干燥性。

4 應(yīng)用防振砂技術(shù)的效果

高壓注水泵和基礎(chǔ)形成完整系統(tǒng)：高壓注水泵基礎(chǔ)如果設(shè)計較小，會導(dǎo)致設(shè)備受力不均，出現(xiàn)基礎(chǔ)開裂、注水泵損壞等一系列問題；基礎(chǔ)如果相對較大的話，需要耗費大量的資金。通過優(yōu)化設(shè)計，能夠有效延長高壓注水泵基礎(chǔ)的使用壽命，并且不會出現(xiàn)開裂問題，延長高壓注水泵的檢修周期，增加高壓注水泵基礎(chǔ)的使用壽命，無需頻繁更換新設(shè)備。

對采油廠注水泵房中的高壓注水泵基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計，在實際施工中遵循設(shè)計圖紙，采用防振砂技術(shù)開展施工，在完成施工并由專業(yè)驗收單位驗收之后，密切關(guān)注高壓注水泵基礎(chǔ)是否出現(xiàn)開裂。經(jīng)過一段時間運行后，高壓注水泵基礎(chǔ)未出現(xiàn)開裂，證明防振砂技術(shù)在其中產(chǎn)生了良好效果。1#高壓注水泵運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)安全隱患，保障了油田生產(chǎn)。

5 總結(jié)

闡述高壓注水泵的基礎(chǔ)設(shè)計要點，分析高壓注水泵的基礎(chǔ)開裂原因，基于混凝土疲勞強度、地下水腐蝕性、振動等方面提出優(yōu)化措施，在高壓注水泵基礎(chǔ)中應(yīng)用防振砂技術(shù)，可以有效避免高壓注水泵的基礎(chǔ)開裂問題，對保障油田生產(chǎn)具有非常重要意義。

在高壓注水泵基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)用防振砂技術(shù)，需特別注意以下2 方面：①在設(shè)計動力設(shè)備基礎(chǔ)時，設(shè)備基礎(chǔ)如果可以滿足構(gòu)造要求，高壓注水泵設(shè)備基礎(chǔ)周圍必須設(shè)置填充有防振砂的防振溝，避免高壓注水泵混凝土基礎(chǔ)開裂，防振砂要保證具有較好的流動性和干燥性；②在設(shè)計動力設(shè)備結(jié)構(gòu)時，不僅要對設(shè)備進行靜力分析，還需開展動力分析，其分析方法眾多，常見的有動力時程和模態(tài)定能等。