活塞式压缩机基础设计探讨

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摘 要：根据相关设计规范以及设计经验，论述了活塞式压缩机基础的设计要求，基础振动的控制方法以及其设计步骤、计算方法等。

关键词：压缩机基础；振动；频率；振幅

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.260

1 引言

在合成氨、尿素等项目以及石油天然气项目中，压缩厂房是较为重要的工段。压缩厂房即要考虑本身使用的安全性，还需满足压缩机和其他设备基础、地沟与水池设计、管廊基础的设计要求。往复活塞式压缩机在动力设备中属于振动问题比较特殊的一类，在压缩机运行时，若设备的激振力频率与自身固有频率相差不大，就会发生共振：设备产生很大变形，剧烈振动[1]，过大变形会产生螺栓拉裂、焊缝开裂、轴承损坏、管道撕坏等危害，甚至基础振碎等较为严重的工程事故[2]。因此，活塞式压缩机基础的设计工作尤为重要。

2 活塞式压缩机基础设计要求

由于压缩机气缸的往复运动，其扰力、扰力矩及回转力矩等动荷载会引起基础及周边地基土的振动，引起基础不均匀沉降，则压缩机零件磨损增大，影响压缩机正常运行，生产效率降低。为避免不良影响，压缩机基础的设计应满足：地基具有一定承载力，不应产生影响设备正常使用的不均匀沉降；压缩机基础本身应具有足够的强度、刚度和耐久性；压缩机基础的振动不得超过规范规定的允许值；为避免设备振动影响邻近建构筑物、仪表仪器的正常使用，压缩机基础应与建筑物基础脱离：若基础埋深在同一标高，净距不宜小于100mm；当不在同一标高时，中间回填土必须夯实；条件允许情况下，可调整设备定位坐标或采取有效的减隔振措施。

若压缩工段项目的地基情况较好、承载力较高、地基土变形较小可采用天然地基，地质条件较差时需用人工地基、复合地基，如灌注桩、水泥土复合地基等。

3 活塞式压缩机基础设计

3.1 输入条件

土建专业在压缩机基础设计前应接收主导专业提供的设计条件，至少包括：压缩机参数：机器重（静重、运行重）及重心位置；压缩机、电动机的型号、转速、功率参数及轮廓尺寸；压缩机曲轴中心线至基础顶面的距离；曲柄连杆机构运动所产生的一谐、二谐不平衡扰力与扰力矩，其作用的位置和方向；机器底座外轮廓尺寸，辅助设备、管道定位，预留洞尺寸及定位，灌浆层厚度和范围，地脚螺栓数量、定位和预埋件定位。场地资料：基础定位坐标及邻近建筑物的基础平面布置图；建筑场地的详细地质勘察资料、地基动力特性试验资料。

3.2 基础振动控制方法

压缩机基础的形状尺寸和埋深一般根据地勘资料、压缩厂房的基础埋深及工艺管沟埋深条件综合确定。基础的外形尺寸根据厂家提供的机器轮廊外形尺寸及主导专业提出的辅助设备布置、配管条件等资料进行确定，同时应满足基础的整体刚度构造要求，不宜小于800mm。基础形式应简单规整、对称、质量分布均匀，落地基础常选择大块式。活塞式压缩机基础设计时，为了减小基础的振动速度和位移，应尽可能减小基础的高度，基础尽量对称布置。满足压缩机主轴的重心与基组总重心之间的偏差在一定范围内，这样有利于减小引起压缩机振动的不利扭矩。当压缩机的转速不大于800r/min时，设计时应采用适当方法提高机组的固有频率，使其高于机器的扰力频率，保证机组在共振前工作。

根据频率的计算公式：

（1）

式中：――固有频率；――基础刚度；――参振质量。

根据公式（1），提高机组固有频率的方法有增加基础刚度和调整参振质量。

（1）增加基础的刚度。在保持基础质量不变或增加幅度不大的情况下，增大基础的底面积或增大基础厚度则基础的刚度增大，基础的固有频率也相应增大。若要增大基础或地基土的水平刚度，可采用基础周边布置一排斜桩。采用人工地基（CFG桩复合地基或桩基）则可增加基础（地基土）的刚度，基础的质量不变，提高了基础的固有频率。

（2）调整参振质量。当采用联合基础时，基础的质量、刚度均增大，但基础抗弯刚度与长度成3次方，增长的幅度远远超过基础质量增长幅度。因此，联合基础的固有频率常高于独立基础。对于低频的压缩机，联合基础是提高基础的固有频率避开共振频率的好方法。混凝土刚性地坪和增加桩基主要是增强基础的抗压刚度和扭转刚度，两者都可以显著减小基础的振动速度和位移，但因基础参振质量同时增加，必须根据动力计算分析和试验结果来确定对基础自振频率的影响[4]。

3.3 压缩机基础静力计算

压缩机基础上的静荷载包括机器及附属设备重、基础自重、基础板上的土重、支承在基础上的其他荷载等，静力计算时荷载均采用设计值。

压缩机基础设计时应尽量满足基组重心与基础底面形心重合，有偏差时，偏心距与平行偏心方向的基底边长比值≤3%，地基承载力时可放宽到5%[3]；计算基组重心时应考虑压缩机自身运行荷载、附属设备运行荷载和填土总重。同时，满足基底应力应小于地基承载力。

3.4 压缩机基础动力计算

活塞式压缩机基础的动力计算方法主要有两种：共振法和振幅法。共振法原理要求基础的自振圆频率与设备的运行频率相差±20%以外，避免基组运行时发生共振效应；振幅法要求基础的最大振动线位移、最大振动速度和最大振动加速度的幅值不超过允许值。目前，我国设计规范按照振幅法计算 [4]。

在实际项目设计中，满足一定条件时，可简化设计：当压缩机功率

4 结语

一般尿素合成氨项目中氮氢气压缩机是装置的核心设备，大都采用活塞式压缩机。土建专业在设计基础时应立足于基础调频、加固地基等措施，配合其他专业设计，严格控制施工环节，保证设备开车运行的安全、经济。

参考文献：

[1]陈喜军.天然气压缩机基础振动危害及处理方法[J].工业技术，2015 NO.2（上）.

[2]徐建.建筑振动工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]HG 20554-93，活塞式压缩机基础设计规定[S].

[4]SH/T 3091-2012，石油化工压缩机基础设计规范[S].