汪 番，余小玲

1.杰瑞石油天然氣工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264003

2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049

往復(fù)壓縮機(jī)中不平衡的力和力矩最終傳遞給壓縮機(jī)的基礎(chǔ)，合適的基礎(chǔ)和底橇設(shè)計(jì)可以有效地減少機(jī)器的振動(dòng)。壓縮機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案需根據(jù)機(jī)組參數(shù)、尺寸、不平衡力和力矩大小情況、現(xiàn)場(chǎng)地理?xiàng)l件等因素確定。

1 壓縮機(jī)基礎(chǔ)

壓縮機(jī)基礎(chǔ)分為兩大類：淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。二者的不同之處在于基礎(chǔ)的安裝深度以及荷載從往復(fù)式壓縮機(jī)組振動(dòng)源到地層的傳遞方式[1]。

1.1 淺層基礎(chǔ)

混凝土基礎(chǔ)是往復(fù)式壓縮機(jī)組最常用的淺層基礎(chǔ)，需要大量混凝土來(lái)控制機(jī)組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；炷粱A(chǔ)的主要缺點(diǎn)是成本高，特別是對(duì)于遠(yuǎn)離水泥制造廠的區(qū)域。混凝土地基的安裝和養(yǎng)護(hù)需要較長(zhǎng)的周期，不適用于工期緊張的項(xiàng)目。另一種淺基礎(chǔ)為碎石墊層基礎(chǔ)，應(yīng)用于小型機(jī)組（功率小于750kW），可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組的搬遷，廣泛應(yīng)用于井口氣增壓。夯實(shí)土壤后，鋪設(shè)碎石，關(guān)鍵要保證壓縮機(jī)底橇與基礎(chǔ)充分接觸，壓縮機(jī)組底撬和碎石地基之間往往鋪設(shè)細(xì)砂并壓實(shí)。

1.2 深基礎(chǔ)

地勢(shì)低洼或需要厚實(shí)的地層就需要應(yīng)用深基礎(chǔ)。往復(fù)機(jī)組應(yīng)用的三種常見的深基礎(chǔ)是鋼樁基礎(chǔ)、螺旋樁基礎(chǔ)和現(xiàn)澆樁基礎(chǔ)。

（1）鋼樁基礎(chǔ)。鋼樁基礎(chǔ)，又稱打入樁基礎(chǔ)，作為支撐樁時(shí)，能將樁打入高強(qiáng)度持力層，充分利用鋼材獨(dú)具的高強(qiáng)度特點(diǎn)，大幅度提高了單樁承載力[2]。常用鋼樁長(zhǎng)度為6～12m，通徑為DN150～DN300。鋼樁與壓縮機(jī)組底橇的連接方式有兩種，第一種為不帶混凝土的鋼樁基礎(chǔ)，鋼樁通過(guò)鋼制開口環(huán)與壓縮機(jī)組底橇焊接，如圖1所示；第二種為帶混凝土的鋼樁基礎(chǔ)，鋼樁頂部澆灌一層混凝土，選用地腳螺栓安裝，如圖2所示。

圖1 不帶混凝土的鋼樁基礎(chǔ)

圖2 帶混凝土的鋼樁基礎(chǔ)

（2）螺旋樁基礎(chǔ)。螺旋樁與鋼樁相似，在樁導(dǎo)程段上有1個(gè)或多個(gè)螺旋葉片，這些螺旋葉片提供了額外的承載能力。螺旋樁由液壓動(dòng)力頭施加扭矩旋入地層，檢測(cè)和調(diào)整扭矩，保證螺旋樁安裝牢靠。

（3）現(xiàn)澆樁基礎(chǔ)。直接在設(shè)計(jì)樁位的地基上成孔，在孔內(nèi)放置鋼筋籠，然后澆筑混凝土成樁。現(xiàn)澆樁通常用于支撐大型設(shè)備，與鋼樁基礎(chǔ)相比，現(xiàn)澆樁的樁數(shù)更少，直徑更大，具有更高的側(cè)向承載力。如果巖層接近地面，優(yōu)先選用現(xiàn)澆樁。綜上所述，淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)各自有其優(yōu)缺點(diǎn)和使用場(chǎng)合，如表1所示?；A(chǔ)設(shè)計(jì)要參考?jí)嚎s機(jī)參數(shù)、尺寸，并因地制宜。

表1 各類基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)和使用場(chǎng)合

2 鋼樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)案例

鋼樁基礎(chǔ)的動(dòng)荷載設(shè)計(jì)必須考慮壓縮機(jī)組、底橇和基礎(chǔ)的整體動(dòng)力響應(yīng)。在進(jìn)行鋼樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮壓縮機(jī)組的柔韌性和慣性。即使壓縮機(jī)底橇選用大型的型鋼或底橇局部灌注混凝土，底橇鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)柔韌性也相對(duì)較高，壓縮機(jī)組件和基礎(chǔ)在一階和二階激振力下可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，因此必須考慮壓縮機(jī)組的柔性。文章以某大型燃驅(qū)壓縮機(jī)組為例，對(duì)其鋼樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）壓縮機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)：運(yùn)行轉(zhuǎn)速為750～1000r/min，進(jìn)氣壓力為6MPa，排氣壓力為25MPa，處理量為73520m3/h（20℃，0.101MPa）。壓縮機(jī)組操作重量為114t，主底橇尺寸為14m×2.8m×0.588m，選用型鋼HM588mm×300mm×12mm×20mm。

（2）鋼樁基礎(chǔ)主要技術(shù)參數(shù)：24個(gè)鋼樁，規(guī)格為φ530mm×7mm，長(zhǎng)度為18m，鋼樁頂部澆筑混凝土，尺寸為14m×5.7m×1.0m。

2.2 機(jī)組及基礎(chǔ)的有限元模型

采用有限元軟件建立機(jī)組及其基礎(chǔ)的振動(dòng)分析模型，機(jī)組有限元模型如圖3所示。

圖3 機(jī)組有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)報(bào)告，基礎(chǔ)所在區(qū)域共分布8個(gè)土層，不同特性如表2所示。

表2 不同土層特性

模型中各個(gè)結(jié)構(gòu)的單元類型如下：底橇型鋼和鋼樁，SHELL181；發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)氣缸、緩沖罐和分離器，BEAM或PIPE16；鋼結(jié)構(gòu)及壓力容器支撐，BEAM188；混凝土，BEAM186/187；管路，PIPE16、PIPE17和PIPE18。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，一階不平衡力：水平3.632kN，垂直0kN；一階不平衡力矩：水平3.759kN·m，垂直0.046kN·m；二階不平衡力：水平0.564kN，垂直0kN；二階不平衡力矩：水平0.584kN·m，垂直0kN·m。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，最大不平衡力：水平7.015kN，垂直11.133kN，軸向0kN；最大不平衡力矩：水平 7.840kN·m，垂直 11.931kN·m，軸向 0kN·m。

壓縮機(jī)底橇與基礎(chǔ)用地腳螺栓連接定位，底橇必須進(jìn)行調(diào)平，建議環(huán)氧樹脂澆灌，保證地腳螺栓正確安裝，所有鋼樁上部與混凝土層剛性連接，鋼樁下部處理為自由端。

通常選取基礎(chǔ)8個(gè)特定位置對(duì)基礎(chǔ)對(duì)動(dòng)荷載的響應(yīng)進(jìn)行分析：壓縮機(jī)底橇與基礎(chǔ)接觸面的4個(gè)角，基礎(chǔ)位于發(fā)動(dòng)機(jī)下方的2個(gè)對(duì)角及壓縮機(jī)下方的2個(gè)對(duì)角。

2.3 模擬結(jié)果分析

（1）機(jī)組的振動(dòng)分析結(jié)果。機(jī)組主要設(shè)備的振動(dòng)值如表3所示。從表3中可以看出，主要設(shè)備的振動(dòng)值遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，有利于壓縮機(jī)組長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行。此外，管道、壓力容器及鋼結(jié)構(gòu)件交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值20.7MPa。

表3 主要設(shè)備的振動(dòng)值

（2）基礎(chǔ)的振動(dòng)分析結(jié)果?？紤]極端情況，對(duì)壓縮機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡力及力矩引起的振動(dòng)進(jìn)行同向疊加，8個(gè)特定位置最大振動(dòng)值為6.279×10-4mm，遠(yuǎn)小于限定值2.43×10-2mm[3]。

支撐壓縮機(jī)底撬的混凝土層6個(gè)自由度的固有頻率范圍：X和Y方向平行振動(dòng)固有頻率為32Hz，X和Y方向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率為47Hz，Z方向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率為26Hz。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750～1000r/min，激振力的基頻為12.5～16.7Hz，頻率比值滿足相關(guān)要求，不會(huì)發(fā)生共振。同時(shí)，不同土層的振動(dòng)幅值滿足規(guī)范要求，不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)和壓縮機(jī)組造成危害。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)壓縮機(jī)不同類型基礎(chǔ)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍，并以某大型燃驅(qū)壓縮機(jī)組為例，對(duì)其帶混凝土的鋼樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，計(jì)算機(jī)組和基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果表明，對(duì)于凍土地區(qū)安裝的大型機(jī)器，帶混凝土的鋼樁基礎(chǔ)是控制其振動(dòng)的最有效方式。