活塞式壓縮機基礎設計探討

周小歆++唐家俊

摘 要：根據相關設計規范以及設計經驗，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，就會發生共振：設備產生很大變形，劇烈振動[1]，過大變形會產生螺栓拉裂、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范規定的允許值；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

土建專業在壓縮機基礎設計前應接收主導專業提供的設計條件，至少包括：壓縮機參數：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。基礎的外形尺寸根據廠家提供的機器輪廊外形尺寸及主導專業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。基礎形式應簡單規整、對稱、質量分布均勻，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，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。

根據頻率的計算公式：

（1）

式中：——固有頻率；——基礎剛度；——參振質量。

根據公式（1），提高機組固有頻率的方法有增加基礎剛度和調整參振質量。

（1）增加基礎的剛度。在保持基礎質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，基礎的質量不變，提高了基礎的固有頻率。

（2）調整參振質量。當采用聯合基礎時，基礎的質量、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量增長幅度。因此，聯合基礎的固有頻率常高于獨立基礎。對于低頻的壓縮機，聯合基礎是提高基礎的固有頻率避開共振頻率的好方法。混凝土剛性地坪和增加樁基主要是增強基礎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，但因基礎參振質量同時增加，必須根據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。土建專業在設計基礎時應立足于基礎調頻、加固地基等措施，配合其他專業設計，嚴格控制施工環節，保證設備開車運行的安全、經濟。

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：中國建筑工業出版社，2005.

[3]HG 20554-93，活塞式壓縮機基礎設計規定[S].

[4]SH/T 3091-2012，石油化工壓縮機基礎設計規范[S].