離心式壓縮機基礎設計與分析

張亞非

(安徽實華工程技術股份有限責任公司，安徽安慶 246002)

1 概述

離心式壓縮機基礎一般采用構架式，它是由底板、柱、頂板(或縱、橫梁)構成的鋼筋混凝土空間結構。它是一個無限自由度的空間體系，與其關聯的因素很多，如基礎本身質量和剛度的分布，設備質量的剛度，地基的影響，擾力的大小和相位等都對它們有不同的影響。石油化工企業的壓縮機機組是由原動機和汽輪機以及其他設備組成。原動機一般為電動機和汽輪機，當原動機和壓縮機的轉速不同時，它們之間設有變速器［3］。原動機和壓縮機都是由定子和轉子兩部分組成，其中轉子在工作中做旋轉運動，而轉子的質量中心又不可能和它的旋轉中心完全重合。所以，運動著的轉子使機組產生運動不平衡力，即擾力，引起機組產生振動。

2 構架式基礎動力計算的內容

動力計算的主要內容包括:1)基礎的自振頻率;2)基礎的垂直振動反應;3)基礎的扭轉振動反應，由于在基礎平面布置時，一般機組的質心和形心的偏心距要滿足不應超過相應方向的3%的要求［1］，故可不做基礎的扭轉振動影響。構架式基礎可采用多自由度計算模型進行動力分析，此時不考慮地基的彈性，混凝土結構的阻尼比取0.062 5，彈性模量取靜彈性模量［2］。并取工作轉速±20%范圍進行掃頻，即對工作轉速±20%以內的自頻做共振計算，并將得到的最大振幅作為計算振幅。另外，地基的彈性對構架式基礎的振動有一定的影響，其影響是降低了基礎的自頻，這對高頻的壓縮機基礎影響不大，故這里不考慮地基彈性的影響。混凝土材料的彈性模量對結構的自頻影響較小，故也不考慮其動態彈性?，F行規范對高速透平壓縮機組基礎是按最大振動速度進行控制的，即基礎頂面的振動速度允許值為5 mm/s或速度均方根值Vmax≤3.5 mm/s［1］。如果廠家提供的是振幅要求，應轉化成振動速度允許值。

3 空間多自由度計算模型

構架式壓縮機基礎在計算時可簡化為由橫梁、縱梁及柱子組成的正交結構體系。構架的結構自重、機器重均集中在若干個節點上。荷載作用下，構架各桿件均視為空間梁單元，通過柱子固定在基礎底板上。集中質量法將離散的系統簡化建立為多自由度計算模型，見圖1。計算各質點重力時應考慮的荷載為:基礎頂板重，機器重以及柱子1/2高度重量。1)頂板質量的確定，是以柱內邊為準，將頂板按45°角分成若干塊小面積，將每塊面積的重量集中到鄰近的縱橫梁的質點處［1］。2)機器設備折算重力的確定，按荷載作用點與縱、橫梁的距離成反比的原則集中到相應的質點上，如圖2所示(參見文獻［1］中附錄A A.0.3)。A點所分配的重力為:WA=ξAW。其中，ξA=(1/b1)/(1/a1+1/a2+1/b1+1/b2)。3)機器擾力作用，也是按擾力作用點與縱、橫梁的距離成反比的原則集中到相應的質點上。

圖1 多自由度計算模型

圖2 重力分配圖

4 工程實例

實例概況:已建成使用的某100萬t/年延遲焦化裝置的離心壓縮機基礎，基礎頂板標高 6.10 m;長9.2 m，寬4.9 m;板厚1.2 m;柱子4根;橫向柱距3.7 m;縱向柱距8.0 m;柱截面0.85 m×0.85 m;混凝土C30，采用《構架式動力機器基礎(FMCAD)》進行動力分析并設計基礎，該透平壓縮機主要工藝參數如表1所示。

表1 透平壓縮機主要工藝參數

圖3 荷載作用點布置圖

圖3中S1，S2，S3，S4為電機轉子作用點，按照與縱、橫梁的距離成反比的原則作用到質點上。

計算結果比較分析:FMCAD計算軟件中計算振動線位移是取機器工作轉速±25%范圍內的最大線位移進行掃頻此構架式壓縮機基礎，經過4柱，6柱和柱長不同的方案計算，相應的基礎振動反應是變化的，見表2。

剛度分析:從表2中可以看出:頂板的質量增加，基礎的自振頻率增加，振動速度亦增加，而6柱方案因基礎太剛，振動速度則超過允許值?；A的形式及各構件的截面大小決定了結構的剛度，從而也確定了結構的自振頻率。動力基礎設計必須使其自振頻率遠離機器的工作頻率，以避開共振區。由于機器頻率一般較高，結構的剛度越大，就越靠近機器頻率，因而振動效應也大。所以在滿足強度和穩定性的要求下，降低結構剛度，有利于避開機器的工作頻率，減少共振。

表2 基礎頂板振動速度計算結果

設計工作的實踐證明構架式壓縮機基礎的截面設計極少是由強度計算控制的。規范規定滿足一定的構造要求，可不進行強度驗算:如頂板或剛架梁的凈跨不大于4.0 m;柱截面尺寸不小于0.6 m×0.6 m;柱縱向總配筋率和混凝土強度都有最低要求標準指標。這里最重要的是基礎平面布置時機組的總重心與壓縮機基礎平面的形心力求不偏心，當偏心不可避免時，其縱向和橫向的偏心距不應超過相應方向的3%。構架式壓縮機基礎應進行地基強度驗算，這時地基承載力要乘以動力折減系數0.8。

5 結語

構架式壓縮機基礎動力計算時，在滿足強度和穩定性的要求下，柱截面不宜太剛，適當減少柱子的剛度，有利于減少基礎頂面的振動。

［1］HG 20555-93，離心式壓縮機基礎設計規定［S］.

［2］GB 50040-96，動力機器基礎設計規范［S］.

［3］陳加葉.石化離心式壓縮機基礎的設計計算［J］.石油化工建筑設計，1997(23):44-49.

［4］梁秀巖.高轉速離心壓縮機構架基礎振動分析［J］.石油工程建設，2005(6):22-23.