鋼樁基礎在天然氣高速往復機組中的應用

汪 番，余小玲

1.杰瑞石油天然氣工程有限公司，山東 煙臺 264003

2.西安交通大學，陜西 西安 710049

往復壓縮機中不平衡的力和力矩最終傳遞給壓縮機的基礎，合適的基礎和底橇設計可以有效地減少機器的振動。壓縮機基礎的設計方案需根據機組參數、尺寸、不平衡力和力矩大小情況、現場地理條件等因素確定。

1 壓縮機基礎

壓縮機基礎分為兩大類：淺基礎和深基礎。二者的不同之處在于基礎的安裝深度以及荷載從往復式壓縮機組振動源到地層的傳遞方式[1]。

1.1 淺層基礎

混凝土基礎是往復式壓縮機組最常用的淺層基礎，需要大量混凝土來控制機組的靜態和動態響應。混凝土基礎的主要缺點是成本高，特別是對于遠離水泥制造廠的區域。混凝土地基的安裝和養護需要較長的周期，不適用于工期緊張的項目。另一種淺基礎為碎石墊層基礎，應用于小型機組（功率小于750kW），可實現壓縮機組的搬遷，廣泛應用于井口氣增壓。夯實土壤后，鋪設碎石，關鍵要保證壓縮機底橇與基礎充分接觸，壓縮機組底撬和碎石地基之間往往鋪設細砂并壓實。

1.2 深基礎

地勢低洼或需要厚實的地層就需要應用深基礎。往復機組應用的三種常見的深基礎是鋼樁基礎、螺旋樁基礎和現澆樁基礎。

（1）鋼樁基礎。鋼樁基礎，又稱打入樁基礎，作為支撐樁時，能將樁打入高強度持力層，充分利用鋼材獨具的高強度特點，大幅度提高了單樁承載力[2]。常用鋼樁長度為6～12m，通徑為DN150～DN300。鋼樁與壓縮機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，鋼樁通過鋼制開口環與壓縮機組底橇焊接，如圖1所示；第二種為帶混凝土的鋼樁基礎，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

圖2 帶混凝土的鋼樁基礎

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

（3）現澆樁基礎。直接在設計樁位的地基上成孔，在孔內放置鋼筋籠，然后澆筑混凝土成樁。現澆樁通常用于支撐大型設備，與鋼樁基礎相比，現澆樁的樁數更少，直徑更大，具有更高的側向承載力。如果巖層接近地面，優先選用現澆樁。綜上所述，淺基礎和深基礎各自有其優缺點和使用場合，如表1所示。基礎設計要參考壓縮機參數、尺寸，并因地制宜。

表1 各類基礎的優缺點和使用場合

2 鋼樁基礎設計案例

鋼樁基礎的動荷載設計必須考慮壓縮機組、底橇和基礎的整體動力響應。在進行鋼樁基礎設計時，必須考慮壓縮機組的柔韌性和慣性。即使壓縮機底橇選用大型的型鋼或底橇局部灌注混凝土，底橇鋼結構的動態柔韌性也相對較高，壓縮機組件和基礎在一階和二階激振力下可能出現共振現象，因此必須考慮壓縮機組的柔性。文章以某大型燃驅壓縮機組為例，對其鋼樁基礎進行設計分析。

2.1 主要技術參數

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

（2）鋼樁基礎主要技術參數：24個鋼樁，規格為φ530mm×7mm，長度為18m，鋼樁頂部澆筑混凝土，尺寸為14m×5.7m×1.0m。

2.2 機組及基礎的有限元模型

采用有限元軟件建立機組及其基礎的振動分析模型，機組有限元模型如圖3所示。

圖3 機組有限元模型

根據現場地質報告，基礎所在區域共分布8個土層，不同特性如表2所示。

表2 不同土層特性

模型中各個結構的單元類型如下：底橇型鋼和鋼樁，SHELL181；發動機、壓縮機氣缸、緩沖罐和分離器，BEAM或PIPE16；鋼結構及壓力容器支撐，BEAM188；混凝土，BEAM186/187；管路，PIPE16、PIPE17和PIPE18。

壓縮機轉速為1000r/min時，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。

發動機轉速為1000r/min時，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。

壓縮機底橇與基礎用地腳螺栓連接定位，底橇必須進行調平，建議環氧樹脂澆灌，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8個特定位置對基礎對動荷載的響應進行分析：壓縮機底橇與基礎接觸面的4個角，基礎位于發動機下方的2個對角及壓縮機下方的2個對角。

2.3 模擬結果分析

（1）機組的振動分析結果。機組主要設備的振動值如表3所示。從表3中可以看出，主要設備的振動值遠小于規范要求，有利于壓縮機組長期安全可靠地運行。此外，管道、壓力容器及鋼結構件交變應力遠低于ASME標準規定值20.7MPa。

表3 主要設備的振動值

（2）基礎的振動分析結果。考慮極端情況，對壓縮機和發動機的不平衡力及力矩引起的振動進行同向疊加，8個特定位置最大振動值為6.279×10-4mm，遠小于限定值2.43×10-2mm[3]。

支撐壓縮機底撬的混凝土層6個自由度的固有頻率范圍：X和Y方向平行振動固有頻率為32Hz，X和Y方向扭轉振動固有頻率為47Hz，Z方向扭轉振動固有頻率為26Hz。發動機轉速為750～1000r/min，激振力的基頻為12.5～16.7Hz，頻率比值滿足相關要求，不會發生共振。同時，不同土層的振動幅值滿足規范要求，不會對基礎和壓縮機組造成危害。

3 結束語

文章對壓縮機不同類型基礎的特點進行了介紹，并分析了各自的優缺點及使用范圍，并以某大型燃驅壓縮機組為例，對其帶混凝土的鋼樁基礎進行設計分析，計算機組和基礎的振動響應。結果表明，對于凍土地區安裝的大型機器，帶混凝土的鋼樁基礎是控制其振動的最有效方式。