張劍

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著石化工藝項目的興盛、經(jīng)濟生產(chǎn)規(guī)模的擴大以及壓縮機高排氣壓力技術(shù)的突破和完善，大型石化項目中出現(xiàn)了越來越多的高壓、超高壓壓縮機。容積式壓縮機（以往復(fù)活塞式壓縮機和容積式回轉(zhuǎn)壓縮機為主流）在超高壓、高壓領(lǐng)域獨占鰲頭。

活塞式壓縮機基礎(chǔ)的造價僅占壓縮機設(shè)備價值的一小部分，但不當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)計所造成事后加固的經(jīng)濟損失遠超其基礎(chǔ)本身的造價，故合理的壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計尤為重要。本文基于規(guī)范，結(jié)合具體工程實例，通過計算對影響壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計中最大位移控制的重要參數(shù)逐一分析，討論其對于基礎(chǔ)設(shè)計的影響程度。

1 活塞式壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計理論要點概述

塊式基礎(chǔ)振動計算理論的研究始于上世紀的二十年代，共有四種類型。分別為：質(zhì)量-彈簧-阻尼器模式、剛體-半空間模式、剛體-有限層模式和剛體-薄膜-彈簧-阻尼器模式[1]。現(xiàn)行《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50040-96（以下簡稱《動規(guī)》）是按質(zhì)量-彈簧-阻尼器模式推導(dǎo)計算的。事實上，現(xiàn)行《動規(guī)》要求的地基基本動力特性參數(shù)正是“質(zhì)-彈-阻”模式與彈性半空間理論的融入。

石化裝置中采用的大塊式基礎(chǔ)壓縮機機組主要有兩類，活塞式壓縮機機組就是其中之一。活塞式壓縮機機組以電動機作為驅(qū)動機，轉(zhuǎn)速一般小于1 000 r/min。這類機器工作時所產(chǎn)生的動力荷載是由曲柄連桿機構(gòu)運動所產(chǎn)生的不平衡慣性力（包括旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡離心力和往復(fù)運動產(chǎn)生的慣性力），它使基礎(chǔ)作受迫振動。由于裝置中壓縮機的重要性，其機器擾力的方向、數(shù)值、作用位置和位移變形控制值一般由機器制造廠提供，本文將不贅述其計算過程。

壓縮機基礎(chǔ)動力計算的最終目的是把基礎(chǔ)的振動控制在允許的范圍內(nèi)，以滿足工人正常操作、機器正常運轉(zhuǎn)，對周圍建筑物及儀表無不良影響的要求?？刂苿恿C器基礎(chǔ)振動大小的指標有兩個：一個是允許振動線位移（允許振幅），一個是允許振動速度或加速度，這兩個指標之間存在可相互轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)關(guān)系，可互相推導(dǎo)。須注意在運用規(guī)范作振動控制時，對規(guī)范條文4.3.2 的理解。當(dāng)壓縮機存在兩個諧擾力（矩）時，若150 r/min ≤一諧擾頻≤300 r/min（即300 r/min ≤二諧擾頻≤600 r/min），則應(yīng)雙控位移和速度峰值[2]。

基組的振動可分為豎向、扭轉(zhuǎn)、水平和回轉(zhuǎn)四種形式，當(dāng)基組總重心與基礎(chǔ)底面形心位于同一垂直線上時，基組的豎向和扭轉(zhuǎn)振動是獨立的，而水平和回轉(zhuǎn)振動則耦合在一起。水平方向上的自由振動和繞質(zhì)心的回轉(zhuǎn)自由振動形成耦合的原因是質(zhì)心和剛心不在同一水平線上[1]。所以基組質(zhì)量中心（簡稱質(zhì)心）、基礎(chǔ)底面形心及擾力作用中心要位于同一垂直線上，以避免產(chǎn)生較大的回轉(zhuǎn)力矩或扭轉(zhuǎn)力矩。另據(jù)《動規(guī)》條文說明，應(yīng)注意基礎(chǔ)的垂直振動線位移是垂直擾力引起的垂直線位移和由回轉(zhuǎn)耦合振動引起的垂直線位移兩者的疊加[2]。

2 壓縮機基礎(chǔ)算例設(shè)計參數(shù)分析

本次設(shè)計的二次壓縮機是所在裝置的關(guān)鍵設(shè)備，用于將乙烯氣體注入超高壓反應(yīng)釜，入口壓力超過27.6 MPa，出口壓力超過225 MPa，流量為85.5 t/h。機組采用正壓通風(fēng)型同步電機驅(qū)動，電機功率約為 14 000 kW，屬于大功率超高壓往復(fù)式壓縮機。

由于超高壓壓縮機制造工藝的原因，一般需采用國外制造廠的專有技術(shù)，振幅等參數(shù)的控制值會比《動規(guī)》更嚴格，制造廠所提供的動力參數(shù)也會高于普通活塞式壓縮機。為更合理的設(shè)計超高壓大塊式往復(fù)式壓縮機基礎(chǔ)，下文將從三方面的關(guān)鍵參數(shù)入手，比較其對于超高壓壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計中振幅控制的影響。

2.1 壓縮機計算模型簡介

某超高壓大塊式活塞二次壓縮機，基礎(chǔ)平面圖見圖1，典型剖面見圖2。

制造商提供的基組動力參數(shù)見表1、表2。

表1 壓縮機一階擾力值

表2 壓縮機二階擾力值

制造商提供的靜力參數(shù)見表3。

表3 壓縮機靜力值

圖1 壓縮機基礎(chǔ)平面圖

基礎(chǔ)下各土層均為砂土層，厚20～30 m，下部基巖層包括強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。通過 4 000 kN · m 能級強夯處理，表層地基土承載力特征值提高至160 kPa，Es 值達到10 MPa。

《動規(guī)》中規(guī)定的允許振動值為200 μm，但要求基組自振頻率與機器擾力頻率錯開25%以上，即基組不在共振區(qū)內(nèi)工作[2]。本次超高壓壓縮機制造廠商的要求則更嚴格，即當(dāng)超高壓壓縮機的基組自振頻率與機器擾力頻率差值在30%以內(nèi)時，要求將最大振動線位移控制在25 μm 以內(nèi)。

圖2 壓縮機基礎(chǔ)典型剖面圖

在綜合考慮工藝布局、壓縮機制造廠及超高壓管線設(shè)計單位對于壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計的限制后，最終確定的超高壓大塊式活塞壓縮機大底板鋼筋砼基礎(chǔ)尺寸為15 m×30.8 m×2 m （厚），埋深-3.5 m。通過計算所得的最大振幅、速度及相關(guān)基組自振頻率與機器擾力頻率見表4、表5。

表4 最大振幅和振動速度

表5 基組自振頻率和機器擾力圓頻率

可見，計算所得的基組最大振幅控制在25 μm 以內(nèi)，能同時滿足《動規(guī)》與制造商對于允許振動值的限值，并留有一定的安全余量。

2.2 基組自振圓頻率、機器擾力圓頻率的相互關(guān)系對于振幅的影響

按《動規(guī)》規(guī)定對壓縮機基礎(chǔ)進行計算后，確定了壓縮機基礎(chǔ)的尺寸與埋深，也就確定了基組自振圓頻率值。為研究當(dāng)基組自振圓頻率不變時，機器擾力圓頻率對于振幅的影響，將基組水平自振圓頻率 W 與一諧擾力圓頻率 W1 的比值分為0.1 至2.0 的二十個數(shù)值，分別代入規(guī)范公式，計算求得所對應(yīng)的最大振幅A，見圖3。

圖3 最大振幅隨機器擾力圓頻率的變化曲線

計算表明，W 與W1 的比值從0.6 至1.5 的范圍內(nèi)時，最大振幅A 有明顯的增大，最大值出現(xiàn)在比值接近1.0 時。上述結(jié)果基本符合規(guī)范及制造商的振幅控制要求，所以在計算超高壓壓縮機基礎(chǔ)時，宜在設(shè)計階段充分考慮共振對于振幅控制的不利影響，以避免因機器振動過大導(dǎo)致日后設(shè)備投產(chǎn)后的再補救、再加固。此外，還須注意對于一般的中、低頻機器基礎(chǔ)，在設(shè)計中盡量使其基組處于共振前工作，即使基組自振頻率高于機器擾力頻率，同時將地基剛度取得偏低一點，這樣的設(shè)計可在結(jié)構(gòu)的安全度上增加一道防線[3]。

本次超高壓二次壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計中，各基組自振圓頻率值均高于機器擾力圓頻率，即基礎(chǔ)處于共振前工作區(qū)域，又稱低頻振動區(qū)域，相應(yīng)于這一區(qū)域的基礎(chǔ)稱為高調(diào)頻基礎(chǔ)。對于這類基礎(chǔ)的振幅主要取決于地基剛度，即地基剛度越大，振幅越小。此外，通過比對1965～2004 年多次大塊式基礎(chǔ)設(shè)計資料，發(fā)現(xiàn)對高壓、超高壓活塞式壓縮機的最大振幅控制問題，大部分的制造商均提出特殊要求。在考慮共振情況時，制造商大都要求把壓縮機最大振幅控制在25 μm 以內(nèi)。因此，在綜合考慮制造商要求后，設(shè)計者宜通過適當(dāng)增加基礎(chǔ)尺寸等方式，將最大振幅嚴格控制在25 μm以內(nèi)。

2.3 埋深變化對于振幅的影響

因動力荷載所產(chǎn)生的位移與擾力和結(jié)構(gòu)剛度有密切關(guān)系，在擾力與基礎(chǔ)底面積不變的情況下，影響位移的主要因素是基礎(chǔ)的埋置深度。增加基礎(chǔ)埋深可增加基礎(chǔ)的阻尼，同時對于地基抗壓剛度有一定的提高作用，這兩點均對振幅控制產(chǎn)生積極影響。但如果水平擾力作用較大，則會增加作用于基礎(chǔ)上的擾力矩，從而通過擾力的作用增加最大振幅值。因此，設(shè)計者在計算過程中應(yīng)注意兩者的關(guān)系配合調(diào)整。

鑒于1965～2004 年的大塊式基礎(chǔ)設(shè)計資料所示，活塞式壓縮機水平擾力值一般在1～80 kN 范圍內(nèi)。為研究埋深變化對于本次超高壓壓縮機基礎(chǔ)振幅控制的影響，在保持基礎(chǔ)底面積不變的情況下，分別比對水平擾力為18.2 kN 和80 kN 兩種情況下基礎(chǔ)埋深與最大振幅的關(guān)系。

首先，當(dāng)水平擾力為18.2 kN 時，將基礎(chǔ)埋深Hc從2.0 m 取至4.0 m，分別代入規(guī)范公式，計算求得所對應(yīng)的最大振幅A，見圖4。

圖4 最大振幅隨埋深變化曲線

計算表明，隨著基礎(chǔ)埋深的增加，振幅相應(yīng)增加?？梢娫谒綌_力并不大的情況下，增加基礎(chǔ)埋深時，由基礎(chǔ)阻尼、地基抗壓剛度提高對于振幅的控制力仍略小于水平擾力矩增大所帶來的不利影響。

當(dāng)水平擾力為80 kN 時，將基礎(chǔ)埋深Hc 從2.0 m取至4.0 m，分別代入規(guī)范公式，計算求得所對應(yīng)的最大振幅A，見圖5。

圖5 最大振幅隨埋深變化的曲線

通過比對圖4、圖5 中的振幅值隨Hc 變化曲線，發(fā)現(xiàn)水平擾力在18～80 kN 范圍內(nèi)，振幅隨基礎(chǔ)埋深增加而增加的曲線曲率基本相同。由此可知，當(dāng)超高壓活塞式壓縮機的水平擾力在18～80 kN 范圍內(nèi)變化時，增加基礎(chǔ)埋深所帶來的振幅減小程度要小于水平擾力矩增大所引起的振幅增大影響。故從經(jīng)濟角度出發(fā)，建議盡量淺埋基礎(chǔ)，以獲得更好的控制振幅效果。

2.4 不同基礎(chǔ)形式對于振幅的影響

活塞式大塊式壓縮機基礎(chǔ)一般采用天然地基與樁基兩種類型。就本次超高壓大塊式活塞壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計模型，分天然地基基礎(chǔ)、按4.5 倍D 樁間距控制的樁基基礎(chǔ)和按10 倍D 樁間距控制的樁基基礎(chǔ)三種情況進行最大振幅比較。設(shè)計結(jié)果比對中，三種情況的基礎(chǔ)埋深均為3.5 m，基礎(chǔ)大底板底面積均為15×30.8 m。所得最大振幅結(jié)果見表6。

表6 三種基礎(chǔ)的最大振幅

由表6 可見，相同計算條件下，天然地基的最大振幅A1 比樁基基礎(chǔ)最大振幅A2 大30%左右。這是由于本次超高壓壓縮機的控制擾力為扭轉(zhuǎn)擾力矩，其對應(yīng)的最大振幅為基組在機器扭轉(zhuǎn)力矩Mψ 和橫向擾力Px 沿Y 軸偏心時的扭轉(zhuǎn)振動所引起的，故最大振幅主要取決于基礎(chǔ)的抗扭剛度。根據(jù)近年來在樁基動力試驗中累積數(shù)據(jù)的分析，《動規(guī)》將樁基的抗扭剛度定為天然地基的抗扭剛度的1.4 倍[2]，故A1 與A2 的差值是合理的。

樁間距由4.5 倍樁徑增至10 倍樁徑時，最大振幅的增加值并不明顯。這是由于《動規(guī)》中只區(qū)分了天然地基與樁基的抗扭剛度取值，并沒對布樁疏密程度導(dǎo)致的樁基抗扭剛度差異作出定義。建議規(guī)范能增加布樁疏密程度對于樁基抗扭、抗剪剛度的影響系數(shù)，以提高壓縮機樁基設(shè)計的精確性和經(jīng)濟性。

通過三種基礎(chǔ)類型的方案比較，可知當(dāng)基礎(chǔ)埋深和底面積相同，且超高壓壓縮機基礎(chǔ)的控制擾力是扭轉(zhuǎn)擾力矩時，若基底各土層的綜合抗壓剛度較高，宜首選經(jīng)濟的天然地基基礎(chǔ)。否則，宜采用樁基基礎(chǔ)，相同情況下樁基的最大振幅將比天然地基減小30%～40%。

3 結(jié)束語

針對具體工程實例，基于規(guī)范所進行的計算，對影響壓縮機基礎(chǔ)設(shè)計中最大振幅控制的三個重要參數(shù)進行逐一分析，結(jié)果表明：

（1）當(dāng)基組自振圓頻率與機器擾力圓頻率差值在30%以內(nèi)時，共振對于最大振幅控制的影響明顯增加。結(jié)合國外制造商的建議，宜將基組自振圓頻率與機器擾力圓頻率差值控制在30%以外。若受到工藝布置、管線布置等因素的限制而無法錯開兩個頻率的差值時，宜將最大計算振幅控制在25 μm 以內(nèi)，并盡量使基組各自振圓頻率值均高于機器擾力圓頻率，以增加設(shè)計安全度。

（2）對于超高壓活塞式壓縮機，增加基礎(chǔ)埋深時，由基礎(chǔ)阻尼、地基抗壓剛度提高對于振幅的控制力略小于擾力矩增大所帶來的負面影響。振幅隨埋深增加而相應(yīng)增加，故從經(jīng)濟角度出發(fā)，建議盡量淺埋基礎(chǔ)，以更好的控制基組的最大振幅。

（3）當(dāng)基礎(chǔ)埋深和底面積相同的情況，且超高壓壓縮機基礎(chǔ)的控制擾力是扭轉(zhuǎn)擾力矩時，樁基的位移控制能力比天然地基要高30%～40%。同時，建議《動規(guī)》能增加布樁疏密程度對于樁基抗扭、抗剪剛度的影響系數(shù)，以提高壓縮機樁基設(shè)計的精確性和經(jīng)濟性。

[1] 郭長城.建筑結(jié)構(gòu)振動計算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1982.

[2] GB50040—96, 動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 第一機械工業(yè)部設(shè)計研究院.動力機器基礎(chǔ)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1983.