高壓注水泵基礎設計的防振砂技術運用

劉 超，孫曉松，邢 菲，徐金亮，生文博

（中石油渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業泵制造廠，天津 300280）

0 引言

某地采油廠各區塊聯合站注水泵房，安裝好高壓注水泵并投入使用后，由于高壓注水泵往復運動時的振動過大，導致基礎出現開裂，甚至發生底座斷裂，影響高壓注水泵運行，阻礙了油田的正常生產。因此，分析高壓注水泵基礎設計的合理性，結合實際情況采用優化措施，避免高壓注水泵的基礎開裂。

1 高壓注水泵基礎設計要點

某地采油廠各區塊聯合站注水泵房內的高壓注水泵是基于GB 50010—2010《混凝土結構設計規范（2015年版）》、GB 50040—1996《動力機器基礎設計規范》、GB 50391—2014《油田注水工程設計規范》、SH/T 3057—2017《石油化工落地式離心泵基礎設計規范》設計的，屬于大型往復式高壓注水泵。以注水泵房內的1#高壓注水泵基礎設計為例，從角度分析設計要點。

1.1 高壓注水泵機組布置

注水泵房內的高壓注水泵機組為：1#、2#高壓注水泵是其中的常用泵，3#高壓注水泵為備用泵[1]。基于相關規定，在設計高壓注水泵基礎過程中，泵房內注水泵機組排列方式采用單行排列，而關鍵機組布置、通道寬度設計等均能夠滿足設備安裝、維護、檢修、運行等各個方面的要求，并且符合以下4 方面的條件：①機組突出部分、墻體的靜距離≥1.2 m，同時預留出了維修人員的檢修操作空間，滿足泵軸、電機轉動就地檢修等方面的空間要求[2]；②高壓注水泵基礎間凈距要≥1.0 m，能夠滿足高壓注水泵實現整體拆除搬運等工作需求；③由于高壓注水泵工藝配套的高壓閥門、進出口管線、儀表等比較復雜，以及過濾器體積等方面的問題，要求高壓注水泵的基礎間凈距≥1.0 m，否則無法實現高壓閥門、工藝管線配管、過濾器等安全要求[3]；④高壓注水泵的主要通道寬度需設置為1.5 m，這一距離更方便維修人員和操作人員實施操作。

1.2 高壓注水泵基礎形式

基于泵房結構是否連接，高壓注水泵基礎形式可以分為分離式和整體式：地下式泵房、半地下式泵房采用整體式，地面式泵房采用分離式，與鋼筋混凝土底板連接之后，可以成為一個整體[4]。整體式基礎也是泵房結構的設計內容，1#高壓注水泵基礎屬于分離式，所以開展分離式基礎的相關研究。

1.3 基礎尺寸

高壓注水泵基礎設計過程中，基礎尺寸方面有高壓注水泵泵廠給出的泵底座尺寸、地腳螺栓孔相對間距等一系列數據，基于此設置1#高壓注水泵基礎的尺寸是3.8 m×2.3 m[5]。

1.4 重量與高度要求

高壓注水泵、電機的重量為9.0 t，因為基礎重量規范中要求為機組重量的2.5～4.5 倍，所以1#高壓注水泵基礎的重量設定為23 t，滿足基礎重量的規范要求。這意味著高壓注水泵基礎可以承受注水泵與電機總荷載，有效保障高壓注水泵運行的穩定性。其次，高壓注水泵基礎頂面需要高于泵房室內地面100～200 mm，所以設置為100 mm，滿足地面距離、工藝配管管線等要求[6]。

1.5 高壓注水泵基礎螺栓孔的安全條件

（1）為了方便開展地腳螺栓的調整、注水泵的安裝等工作，高壓注水泵基礎設計需要預留螺栓孔，方便安裝地腳螺栓。但螺栓直徑規定，在d＜40 mm 時，螺栓孔中心至基礎邊緣尺寸需＞200 mm。將1#高壓注水泵基礎的腳螺栓直徑設定為24 mm，螺栓孔中心距離基礎邊緣設置為280 mm，可以滿足這一要求[7]。

（2）螺栓孔要求是方孔，尺寸為80～200 mm，大型水泵尺寸必須大于200 mm×200 mm，所以1#高壓注水泵基礎設計必須要滿足這一要求。

（3）地腳螺栓孔的深度是以螺栓長度確定，并且根據螺栓底部和孔底凈距相關規定，要求必須＞50 mm，孔底與基礎底距離需＞100 mm，基于此，將1#高壓注水泵基礎設計為300 mm[8]。

1.6 高壓注水泵基礎設計的混凝土要求

（1）1#高壓注水泵基礎設計要求為：在地腳螺栓孔和地腳螺栓準備好后，使用混凝土將其二次灌實，實現錨固的目的，不會因運行松動對水泵運行產生影響。

（2）1#高壓注水泵基礎混凝土強度為C30，保護層厚度為50 mm，墊層強度為C15。在開展施工期間，1#高壓注水泵基礎混凝土設計要求一次澆灌，避免出現施工縫；如果要求留有施工縫，則需遵守施工縫相關的操作要求和構造預留[9]。

（3）為進一步保障1#高壓注水泵基礎的荷載，避免不均勻沉降，使用30～50 mm 厚的二次灌漿材料。對于1#高壓注水泵基礎頂面進行墊鐵固定操作。

（4）1#高壓注水泵基礎設計重點強調了基礎需要等到高壓注水泵核實尺寸之后，才可以施工。

2 高壓注水泵基礎受力

高壓注水泵基礎需承受的荷載，包括高壓注水泵往復運動時產生的作用力、振動荷載和高壓注水泵自重其豎向靜荷載[10]。

經過分析泵基礎受力，鋼性素混凝土基礎在荷載作用下，其四周如果未設置緩沖層的情況下，會出現混凝土泵基礎剛度不足、基礎下降等一系列問題。而導致這一問題的原因在于基礎四周回填土未夯實，并且由于黏性土的固結特性，導致高壓下在振動過程中發生脫離土體的情況，振動無法傳遞到土上。而中粗砂具有非常好的流動性，經過高頻振動能夠更加密實，并且中粗砂所具有的流動性特點能夠填滿高壓注水泵基礎和周圍縫隙。通過基礎振動能夠密實填砂，約束基礎側向，從而使高壓注水泵基礎在運行過程中產生的振動可以由泵基礎吸收、隔離，降低自振頻率，避免出現共振情況[11]。在1#高壓注水泵基礎的優化設計方面，通過在混凝土周圍設置防振溝，在其中填充防振砂，能夠有效防治泵基礎開裂。

3 高壓注水泵基礎結構設計優化

1#高壓注水泵基礎設計如圖1 所示。分析高壓注水泵混凝土基礎開裂的原因，認為主要是高壓注水泵在振動后基礎下降、混凝土疲勞強度不足等問題導致。其優化設計可以基于4 個方面實現。

圖1 高壓注水泵基礎斷面

（1）提高混凝土疲勞強度。在交變荷載的作用下，基礎混凝土疲勞強度無法更好地滿足相關要求，需進一步提高混凝土強度，以往是采用C20，可提升為C30。

（2）避免地下水腐蝕。優化混凝土基礎鋼筋保護層的厚度加以優化，從30 mm 厚度提高為50 mm。

（3）增強注水泵混凝土泵基礎的整體性。以往的注水泵混凝土泵基礎設計為無筋素混凝土，增強注水泵混凝土泵基礎可以優化素混凝土基礎，如配置間距200 mm、直徑10 mm的鋼筋網。

（4）減弱振動影響。高壓注水泵基礎存在的振動問題中，其相關解決措施在于提高阻尼，將基礎周圍設置防振溝，并將粗砂填筑在其中的縫隙內，提高阻尼效果。而基礎四周如果未設置防振溝，可以對基礎周圍進行優化設計，設置尺寸為150 mm 寬、700 mm 深的防振溝。需注意的是，防振溝內填充的防振砂要求具有良好的流動性和干燥性。

4 應用防振砂技術的效果

高壓注水泵和基礎形成完整系統：高壓注水泵基礎如果設計較小，會導致設備受力不均，出現基礎開裂、注水泵損壞等一系列問題；基礎如果相對較大的話，需要耗費大量的資金。通過優化設計，能夠有效延長高壓注水泵基礎的使用壽命，并且不會出現開裂問題，延長高壓注水泵的檢修周期，增加高壓注水泵基礎的使用壽命，無需頻繁更換新設備。

對采油廠注水泵房中的高壓注水泵基礎進行優化設計，在實際施工中遵循設計圖紙，采用防振砂技術開展施工，在完成施工并由專業驗收單位驗收之后，密切關注高壓注水泵基礎是否出現開裂。經過一段時間運行后，高壓注水泵基礎未出現開裂，證明防振砂技術在其中產生了良好效果。1#高壓注水泵運行穩定，未出現安全隱患，保障了油田生產。

5 總結

闡述高壓注水泵的基礎設計要點，分析高壓注水泵的基礎開裂原因，基于混凝土疲勞強度、地下水腐蝕性、振動等方面提出優化措施，在高壓注水泵基礎中應用防振砂技術，可以有效避免高壓注水泵的基礎開裂問題，對保障油田生產具有非常重要意義。

在高壓注水泵基礎設計中應用防振砂技術，需特別注意以下2 方面：①在設計動力設備基礎時，設備基礎如果可以滿足構造要求，高壓注水泵設備基礎周圍必須設置填充有防振砂的防振溝，避免高壓注水泵混凝土基礎開裂，防振砂要保證具有較好的流動性和干燥性；②在設計動力設備結構時，不僅要對設備進行靜力分析，還需開展動力分析，其分析方法眾多，常見的有動力時程和模態定能等。