超高压大块式压缩机基础设计参数分析

张剑

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

随着石化工艺项目的兴盛、经济生产规模的扩大以及压缩机高排气压力技术的突破和完善，大型石化项目中出现了越来越多的高压、超高压压缩机。容积式压缩机（以往复活塞式压缩机和容积式回转压缩机为主流）在超高压、高压领域独占鳌头。

活塞式压缩机基础的造价仅占压缩机设备价值的一小部分，但不当的基础设计所造成事后加固的经济损失远超其基础本身的造价，故合理的压缩机基础设计尤为重要。本文基于规范，结合具体工程实例，通过计算对影响压缩机基础设计中最大位移控制的重要参数逐一分析，讨论其对于基础设计的影响程度。

1 活塞式压缩机基础设计理论要点概述

块式基础振动计算理论的研究始于上世纪的二十年代，共有四种类型。分别为：质量-弹簧-阻尼器模式、刚体-半空间模式、刚体-有限层模式和刚体-薄膜-弹簧-阻尼器模式[1]。现行《动力机器基础设计规范》GB 50040-96（以下简称《动规》）是按质量-弹簧-阻尼器模式推导计算的。事实上，现行《动规》要求的地基基本动力特性参数正是“质-弹-阻”模式与弹性半空间理论的融入。

石化装置中采用的大块式基础压缩机机组主要有两类，活塞式压缩机机组就是其中之一。活塞式压缩机机组以电动机作为驱动机，转速一般小于1 000 r/min。这类机器工作时所产生的动力荷载是由曲柄连杆机构运动所产生的不平衡惯性力（包括旋转产生的不平衡离心力和往复运动产生的惯性力），它使基础作受迫振动。由于装置中压缩机的重要性，其机器扰力的方向、数值、作用位置和位移变形控制值一般由机器制造厂提供，本文将不赘述其计算过程。

压缩机基础动力计算的最终目的是把基础的振动控制在允许的范围内，以满足工人正常操作、机器正常运转，对周围建筑物及仪表无不良影响的要求。控制动力机器基础振动大小的指标有两个：一个是允许振动线位移（允许振幅），一个是允许振动速度或加速度，这两个指标之间存在可相互转换的数学关系，可互相推导。须注意在运用规范作振动控制时，对规范条文4.3.2 的理解。当压缩机存在两个谐扰力（矩）时，若150 r/min ≤一谐扰频≤300 r/min（即300 r/min ≤二谐扰频≤600 r/min），则应双控位移和速度峰值[2]。

基组的振动可分为竖向、扭转、水平和回转四种形式，当基组总重心与基础底面形心位于同一垂直线上时，基组的竖向和扭转振动是独立的，而水平和回转振动则耦合在一起。水平方向上的自由振动和绕质心的回转自由振动形成耦合的原因是质心和刚心不在同一水平线上[1]。所以基组质量中心（简称质心）、基础底面形心及扰力作用中心要位于同一垂直线上，以避免产生较大的回转力矩或扭转力矩。另据《动规》条文说明，应注意基础的垂直振动线位移是垂直扰力引起的垂直线位移和由回转耦合振动引起的垂直线位移两者的叠加[2]。

2 压缩机基础算例设计参数分析

本次设计的二次压缩机是所在装置的关键设备，用于将乙烯气体注入超高压反应釜，入口压力超过27.6 MPa，出口压力超过225 MPa，流量为85.5 t/h。机组采用正压通风型同步电机驱动，电机功率约为 14 000 kW，属于大功率超高压往复式压缩机。

由于超高压压缩机制造工艺的原因，一般需采用国外制造厂的专有技术，振幅等参数的控制值会比《动规》更严格，制造厂所提供的动力参数也会高于普通活塞式压缩机。为更合理的设计超高压大块式往复式压缩机基础，下文将从三方面的关键参数入手，比较其对于超高压压缩机基础设计中振幅控制的影响。

2.1 压缩机计算模型简介

某超高压大块式活塞二次压缩机，基础平面图见图1，典型剖面见图2。

制造商提供的基组动力参数见表1、表2。

表1 压缩机一阶扰力值

表2 压缩机二阶扰力值

制造商提供的静力参数见表3。

表3 压缩机静力值

图1 压缩机基础平面图

基础下各土层均为砂土层，厚20～30 m，下部基岩层包括强风化砂质泥岩和中风化泥质砂岩。通过 4 000 kN · m 能级强夯处理，表层地基土承载力特征值提高至160 kPa，Es 值达到10 MPa。

《动规》中规定的允许振动值为200 μm，但要求基组自振频率与机器扰力频率错开25%以上，即基组不在共振区内工作[2]。本次超高压压缩机制造厂商的要求则更严格，即当超高压压缩机的基组自振频率与机器扰力频率差值在30%以内时，要求将最大振动线位移控制在25 μm 以内。

图2 压缩机基础典型剖面图

在综合考虑工艺布局、压缩机制造厂及超高压管线设计单位对于压缩机基础设计的限制后，最终确定的超高压大块式活塞压缩机大底板钢筋砼基础尺寸为15 m×30.8 m×2 m （厚），埋深-3.5 m。通过计算所得的最大振幅、速度及相关基组自振频率与机器扰力频率见表4、表5。

表4 最大振幅和振动速度

表5 基组自振频率和机器扰力圆频率

可见，计算所得的基组最大振幅控制在25 μm 以内，能同时满足《动规》与制造商对于允许振动值的限值，并留有一定的安全余量。

2.2 基组自振圆频率、机器扰力圆频率的相互关系对于振幅的影响

按《动规》规定对压缩机基础进行计算后，确定了压缩机基础的尺寸与埋深，也就确定了基组自振圆频率值。为研究当基组自振圆频率不变时，机器扰力圆频率对于振幅的影响，将基组水平自振圆频率 W 与一谐扰力圆频率 W1 的比值分为0.1 至2.0 的二十个数值，分别代入规范公式，计算求得所对应的最大振幅A，见图3。

图3 最大振幅随机器扰力圆频率的变化曲线

计算表明，W 与W1 的比值从0.6 至1.5 的范围内时，最大振幅A 有明显的增大，最大值出现在比值接近1.0 时。上述结果基本符合规范及制造商的振幅控制要求，所以在计算超高压压缩机基础时，宜在设计阶段充分考虑共振对于振幅控制的不利影响，以避免因机器振动过大导致日后设备投产后的再补救、再加固。此外，还须注意对于一般的中、低频机器基础，在设计中尽量使其基组处于共振前工作，即使基组自振频率高于机器扰力频率，同时将地基刚度取得偏低一点，这样的设计可在结构的安全度上增加一道防线[3]。

本次超高压二次压缩机基础设计中，各基组自振圆频率值均高于机器扰力圆频率，即基础处于共振前工作区域，又称低频振动区域，相应于这一区域的基础称为高调频基础。对于这类基础的振幅主要取决于地基刚度，即地基刚度越大，振幅越小。此外，通过比对1965～2004 年多次大块式基础设计资料，发现对高压、超高压活塞式压缩机的最大振幅控制问题，大部分的制造商均提出特殊要求。在考虑共振情况时，制造商大都要求把压缩机最大振幅控制在25 μm 以内。因此，在综合考虑制造商要求后，设计者宜通过适当增加基础尺寸等方式，将最大振幅严格控制在25 μm以内。

2.3 埋深变化对于振幅的影响

因动力荷载所产生的位移与扰力和结构刚度有密切关系，在扰力与基础底面积不变的情况下，影响位移的主要因素是基础的埋置深度。增加基础埋深可增加基础的阻尼，同时对于地基抗压刚度有一定的提高作用，这两点均对振幅控制产生积极影响。但如果水平扰力作用较大，则会增加作用于基础上的扰力矩，从而通过扰力的作用增加最大振幅值。因此，设计者在计算过程中应注意两者的关系配合调整。

鉴于1965～2004 年的大块式基础设计资料所示，活塞式压缩机水平扰力值一般在1～80 kN 范围内。为研究埋深变化对于本次超高压压缩机基础振幅控制的影响，在保持基础底面积不变的情况下，分别比对水平扰力为18.2 kN 和80 kN 两种情况下基础埋深与最大振幅的关系。

首先，当水平扰力为18.2 kN 时，将基础埋深Hc从2.0 m 取至4.0 m，分别代入规范公式，计算求得所对应的最大振幅A，见图4。

图4 最大振幅随埋深变化曲线

计算表明，随着基础埋深的增加，振幅相应增加。可见在水平扰力并不大的情况下，增加基础埋深时，由基础阻尼、地基抗压刚度提高对于振幅的控制力仍略小于水平扰力矩增大所带来的不利影响。

当水平扰力为80 kN 时，将基础埋深Hc 从2.0 m取至4.0 m，分别代入规范公式，计算求得所对应的最大振幅A，见图5。

图5 最大振幅随埋深变化的曲线

通过比对图4、图5 中的振幅值随Hc 变化曲线，发现水平扰力在18～80 kN 范围内，振幅随基础埋深增加而增加的曲线曲率基本相同。由此可知，当超高压活塞式压缩机的水平扰力在18～80 kN 范围内变化时，增加基础埋深所带来的振幅减小程度要小于水平扰力矩增大所引起的振幅增大影响。故从经济角度出发，建议尽量浅埋基础，以获得更好的控制振幅效果。

2.4 不同基础形式对于振幅的影响

活塞式大块式压缩机基础一般采用天然地基与桩基两种类型。就本次超高压大块式活塞压缩机基础设计模型，分天然地基基础、按4.5 倍D 桩间距控制的桩基基础和按10 倍D 桩间距控制的桩基基础三种情况进行最大振幅比较。设计结果比对中，三种情况的基础埋深均为3.5 m，基础大底板底面积均为15×30.8 m。所得最大振幅结果见表6。

表6 三种基础的最大振幅

由表6 可见，相同计算条件下，天然地基的最大振幅A1 比桩基基础最大振幅A2 大30%左右。这是由于本次超高压压缩机的控制扰力为扭转扰力矩，其对应的最大振幅为基组在机器扭转力矩Mψ 和横向扰力Px 沿Y 轴偏心时的扭转振动所引起的，故最大振幅主要取决于基础的抗扭刚度。根据近年来在桩基动力试验中累积数据的分析，《动规》将桩基的抗扭刚度定为天然地基的抗扭刚度的1.4 倍[2]，故A1 与A2 的差值是合理的。

桩间距由4.5 倍桩径增至10 倍桩径时，最大振幅的增加值并不明显。这是由于《动规》中只区分了天然地基与桩基的抗扭刚度取值，并没对布桩疏密程度导致的桩基抗扭刚度差异作出定义。建议规范能增加布桩疏密程度对于桩基抗扭、抗剪刚度的影响系数，以提高压缩机桩基设计的精确性和经济性。

通过三种基础类型的方案比较，可知当基础埋深和底面积相同，且超高压压缩机基础的控制扰力是扭转扰力矩时，若基底各土层的综合抗压刚度较高，宜首选经济的天然地基基础。否则，宜采用桩基基础，相同情况下桩基的最大振幅将比天然地基减小30%～40%。

3 结束语

针对具体工程实例，基于规范所进行的计算，对影响压缩机基础设计中最大振幅控制的三个重要参数进行逐一分析，结果表明：

（1）当基组自振圆频率与机器扰力圆频率差值在30%以内时，共振对于最大振幅控制的影响明显增加。结合国外制造商的建议，宜将基组自振圆频率与机器扰力圆频率差值控制在30%以外。若受到工艺布置、管线布置等因素的限制而无法错开两个频率的差值时，宜将最大计算振幅控制在25 μm 以内，并尽量使基组各自振圆频率值均高于机器扰力圆频率，以增加设计安全度。

（2）对于超高压活塞式压缩机，增加基础埋深时，由基础阻尼、地基抗压刚度提高对于振幅的控制力略小于扰力矩增大所带来的负面影响。振幅随埋深增加而相应增加，故从经济角度出发，建议尽量浅埋基础，以更好的控制基组的最大振幅。

（3）当基础埋深和底面积相同的情况，且超高压压缩机基础的控制扰力是扭转扰力矩时，桩基的位移控制能力比天然地基要高30%～40%。同时，建议《动规》能增加布桩疏密程度对于桩基抗扭、抗剪刚度的影响系数，以提高压缩机桩基设计的精确性和经济性。

[1] 郭长城.建筑结构振动计算[M].北京：中国建筑工业出版社, 1982.

[2] GB50040—96, 动力机器基础设计规范[S].

[3] 第一机械工业部设计研究院.动力机器基础设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社, 1983.