活塞式壓縮機基礎設計探討

周小歆++唐家俊

摘 要：根據(jù)相關設計規(guī)范以及設計經(jīng)驗，論述了活塞式壓縮機基礎的設計要求，基礎振動的控制方法以及其設計步驟、計算方法等。

關鍵詞：壓縮機基礎；振動；頻率；振幅

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

1 引言

在合成氨、尿素等項目以及石油天然氣項目中，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，還需滿足壓縮機和其他設備基礎、地溝與水池設計、管廊基礎的設計要求。往復活塞式壓縮機在動力設備中屬于振動問題比較特殊的一類，在壓縮機運行時，若設備的激振力頻率與自身固有頻率相差不大，就會發(fā)生共振：設備產(chǎn)生很大變形，劇烈振動[1]，過大變形會產(chǎn)生螺栓拉裂、焊縫開裂、軸承損壞、管道撕壞等危害，甚至基礎振碎等較為嚴重的工程事故[2]。因此，活塞式壓縮機基礎的設計工作尤為重要。

2 活塞式壓縮機基礎設計要求

由于壓縮機氣缸的往復運動，其擾力、擾力矩及回轉力矩等動荷載會引起基礎及周邊地基土的振動，引起基礎不均勻沉降，則壓縮機零件磨損增大，影響壓縮機正常運行，生產(chǎn)效率降低。為避免不良影響，壓縮機基礎的設計應滿足：地基具有一定承載力，不應產(chǎn)生影響設備正常使用的不均勻沉降；壓縮機基礎本身應具有足夠的強度、剛度和耐久性；壓縮機基礎的振動不得超過規(guī)范規(guī)定的允許值；為避免設備振動影響鄰近建構筑物、儀表儀器的正常使用，壓縮機基礎應與建筑物基礎脫離：若基礎埋深在同一標高，凈距不宜小于100mm；當不在同一標高時，中間回填土必須夯實；條件允許情況下，可調(diào)整設備定位坐標或采取有效的減隔振措施。

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

3 活塞式壓縮機基礎設計

3.1 輸入條件

土建專業(yè)在壓縮機基礎設計前應接收主導專業(yè)提供的設計條件，至少包括：壓縮機參數(shù)：機器重（靜重、運行重）及重心位置；壓縮機、電動機的型號、轉速、功率參數(shù)及輪廓尺寸；壓縮機曲軸中心線至基礎頂面的距離；曲柄連桿機構運動所產(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；機器底座外輪廓尺寸，輔助設備、管道定位，預留洞尺寸及定位，灌漿層厚度和范圍，地腳螺栓數(shù)量、定位和預埋件定位。場地資料：基礎定位坐標及鄰近建筑物的基礎平面布置圖；建筑場地的詳細地質(zhì)勘察資料、地基動力特性試驗資料。

3.2 基礎振動控制方法

壓縮機基礎的形狀尺寸和埋深一般根據(jù)地勘資料、壓縮廠房的基礎埋深及工藝管溝埋深條件綜合確定?；A的外形尺寸根據(jù)廠家提供的機器輪廊外形尺寸及主導專業(yè)提出的輔助設備布置、配管條件等資料進行確定，同時應滿足基礎的整體剛度構造要求，不宜小于800mm。基礎形式應簡單規(guī)整、對稱、質(zhì)量分布均勻，落地基礎常選擇大塊式。活塞式壓縮機基礎設計時，為了減小基礎的振動速度和位移，應盡可能減小基礎的高度，基礎盡量對稱布置。滿足壓縮機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振動的不利扭矩。當壓縮機的轉速不大于800r/min時，設計時應采用適當方法提高機組的固有頻率，使其高于機器的擾力頻率，保證機組在共振前工作。

根據(jù)頻率的計算公式：

（1）

式中：——固有頻率；——基礎剛度；——參振質(zhì)量。

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

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

（2）調(diào)整參振質(zhì)量。當采用聯(lián)合基礎時，基礎的質(zhì)量、剛度均增大，但基礎抗彎剛度與長度成3次方，增長的幅度遠遠超過基礎質(zhì)量增長幅度。因此，聯(lián)合基礎的固有頻率常高于獨立基礎。對于低頻的壓縮機，聯(lián)合基礎是提高基礎的固有頻率避開共振頻率的好方法?；炷羷傂缘仄汉驮黾訕痘饕窃鰪娀A的抗壓剛度和扭轉剛度，兩者都可以顯著減小基礎的振動速度和位移，但因基礎參振質(zhì)量同時增加，必須根據(jù)動力計算分析和試驗結果來確定對基礎自振頻率的影響[4]。

3.3 壓縮機基礎靜力計算

壓縮機基礎上的靜荷載包括機器及附屬設備重、基礎自重、基礎板上的土重、支承在基礎上的其他荷載等，靜力計算時荷載均采用設計值。

壓縮機基礎設計時應盡量滿足基組重心與基礎底面形心重合，當有偏差時，偏心距與平行偏心方向的基底邊長比值≤3%，地基承載力時可放寬到5%[3]；計算基組重心時應考慮壓縮機自身運行荷載、附屬設備運行荷載和填土總重。同時，滿足基底應力應小于地基承載力。

3.4 壓縮機基礎動力計算

活塞式壓縮機基礎的動力計算方法主要有兩種：共振法和振幅法。共振法原理要求基礎的自振圓頻率與設備的運行頻率相差±20%以外，避免基組運行時發(fā)生共振效應；振幅法要求基礎的最大振動線位移、最大振動速度和最大振動加速度的幅值不超過允許值。目前，我國設計規(guī)范按照振幅法計算 [4]。

在實際項目設計中，滿足一定條件時，可簡化設計：當壓縮機功率<500kW，基礎質(zhì)量大于機器重量的5倍以上，基底平均靜應力<地基承載力1/2時，可不需動力計算。

4 結語

一般尿素合成氨項目中氮氫氣壓縮機是裝置的核心設備，大都采用活塞式壓縮機。土建專業(yè)在設計基礎時應立足于基礎調(diào)頻、加固地基等措施，配合其他專業(yè)設計，嚴格控制施工環(huán)節(jié)，保證設備開車運行的安全、經(jīng)濟。

參考文獻：

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

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

[3]HG 20554-93，活塞式壓縮機基礎設計規(guī)定[S].

[4]SH/T 3091-2012，石油化工壓縮機基礎設計規(guī)范[S].