钢桩基础在天然气高速往复机组中的应用

汪 番，余小玲

1.杰瑞石油天然气工程有限公司，山东 烟台 264003

2.西安交通大学，陕西 西安 710049

往复压缩机中不平衡的力和力矩最终传递给压缩机的基础，合适的基础和底橇设计可以有效地减少机器的振动。压缩机基础的设计方案需根据机组参数、尺寸、不平衡力和力矩大小情况、现场地理条件等因素确定。

1 压缩机基础

压缩机基础分为两大类：浅基础和深基础。二者的不同之处在于基础的安装深度以及荷载从往复式压缩机组振动源到地层的传递方式[1]。

1.1 浅层基础

混凝土基础是往复式压缩机组最常用的浅层基础，需要大量混凝土来控制机组的静态和动态响应。混凝土基础的主要缺点是成本高，特别是对于远离水泥制造厂的区域。混凝土地基的安装和养护需要较长的周期，不适用于工期紧张的项目。另一种浅基础为碎石垫层基础，应用于小型机组（功率小于750kW），可实现压缩机组的搬迁，广泛应用于井口气增压。夯实土壤后，铺设碎石，关键要保证压缩机底橇与基础充分接触，压缩机组底撬和碎石地基之间往往铺设细砂并压实。

1.2 深基础

地势低洼或需要厚实的地层就需要应用深基础。往复机组应用的三种常见的深基础是钢桩基础、螺旋桩基础和现浇桩基础。

（1）钢桩基础。钢桩基础，又称打入桩基础，作为支撑桩时，能将桩打入高强度持力层，充分利用钢材独具的高强度特点，大幅度提高了单桩承载力[2]。常用钢桩长度为6～12m，通径为DN150～DN300。钢桩与压缩机组底橇的连接方式有两种，第一种为不带混凝土的钢桩基础，钢桩通过钢制开口环与压缩机组底橇焊接，如图1所示；第二种为带混凝土的钢桩基础，钢桩顶部浇灌一层混凝土，选用地脚螺栓安装，如图2所示。

图1 不带混凝土的钢桩基础

图2 带混凝土的钢桩基础

（2）螺旋桩基础。螺旋桩与钢桩相似，在桩导程段上有1个或多个螺旋叶片，这些螺旋叶片提供了额外的承载能力。螺旋桩由液压动力头施加扭矩旋入地层，检测和调整扭矩，保证螺旋桩安装牢靠。

（3）现浇桩基础。直接在设计桩位的地基上成孔，在孔内放置钢筋笼，然后浇筑混凝土成桩。现浇桩通常用于支撑大型设备，与钢桩基础相比，现浇桩的桩数更少，直径更大，具有更高的侧向承载力。如果岩层接近地面，优先选用现浇桩。综上所述，浅基础和深基础各自有其优缺点和使用场合，如表1所示。基础设计要参考压缩机参数、尺寸，并因地制宜。

表1 各类基础的优缺点和使用场合

2 钢桩基础设计案例

钢桩基础的动荷载设计必须考虑压缩机组、底橇和基础的整体动力响应。在进行钢桩基础设计时，必须考虑压缩机组的柔韧性和惯性。即使压缩机底橇选用大型的型钢或底橇局部灌注混凝土，底橇钢结构的动态柔韧性也相对较高，压缩机组件和基础在一阶和二阶激振力下可能出现共振现象，因此必须考虑压缩机组的柔性。文章以某大型燃驱压缩机组为例，对其钢桩基础进行设计分析。

2.1 主要技术参数

（1）压缩机组主要技术参数：运行转速为750～1000r/min，进气压力为6MPa，排气压力为25MPa，处理量为73520m3/h（20℃，0.101MPa）。压缩机组操作重量为114t，主底橇尺寸为14m×2.8m×0.588m，选用型钢HM588mm×300mm×12mm×20mm。

（2）钢桩基础主要技术参数：24个钢桩，规格为φ530mm×7mm，长度为18m，钢桩顶部浇筑混凝土，尺寸为14m×5.7m×1.0m。

2.2 机组及基础的有限元模型

采用有限元软件建立机组及其基础的振动分析模型，机组有限元模型如图3所示。

图3 机组有限元模型

根据现场地质报告，基础所在区域共分布8个土层，不同特性如表2所示。

表2 不同土层特性

模型中各个结构的单元类型如下：底橇型钢和钢桩，SHELL181；发动机、压缩机气缸、缓冲罐和分离器，BEAM或PIPE16；钢结构及压力容器支撑，BEAM188；混凝土，BEAM186/187；管路，PIPE16、PIPE17和PIPE18。

压缩机转速为1000r/min时，一阶不平衡力：水平3.632kN，垂直0kN；一阶不平衡力矩：水平3.759kN·m，垂直0.046kN·m；二阶不平衡力：水平0.564kN，垂直0kN；二阶不平衡力矩：水平0.584kN·m，垂直0kN·m。

发动机转速为1000r/min时，最大不平衡力：水平7.015kN，垂直11.133kN，轴向0kN；最大不平衡力矩：水平 7.840kN·m，垂直 11.931kN·m，轴向 0kN·m。

压缩机底橇与基础用地脚螺栓连接定位，底橇必须进行调平，建议环氧树脂浇灌，保证地脚螺栓正确安装，所有钢桩上部与混凝土层刚性连接，钢桩下部处理为自由端。

通常选取基础8个特定位置对基础对动荷载的响应进行分析：压缩机底橇与基础接触面的4个角，基础位于发动机下方的2个对角及压缩机下方的2个对角。

2.3 模拟结果分析

（1）机组的振动分析结果。机组主要设备的振动值如表3所示。从表3中可以看出，主要设备的振动值远小于规范要求，有利于压缩机组长期安全可靠地运行。此外，管道、压力容器及钢结构件交变应力远低于ASME标准规定值20.7MPa。

表3 主要设备的振动值

（2）基础的振动分析结果。考虑极端情况，对压缩机和发动机的不平衡力及力矩引起的振动进行同向叠加，8个特定位置最大振动值为6.279×10-4mm，远小于限定值2.43×10-2mm[3]。

支撑压缩机底撬的混凝土层6个自由度的固有频率范围：X和Y方向平行振动固有频率为32Hz，X和Y方向扭转振动固有频率为47Hz，Z方向扭转振动固有频率为26Hz。发动机转速为750～1000r/min，激振力的基频为12.5～16.7Hz，频率比值满足相关要求，不会发生共振。同时，不同土层的振动幅值满足规范要求，不会对基础和压缩机组造成危害。

3 结束语

文章对压缩机不同类型基础的特点进行了介绍，并分析了各自的优缺点及使用范围，并以某大型燃驱压缩机组为例，对其带混凝土的钢桩基础进行设计分析，计算机组和基础的振动响应。结果表明，对于冻土地区安装的大型机器，带混凝土的钢桩基础是控制其振动的最有效方式。