1、离心式压缩机基础设计规定HG 20555-93 条文说明1总则本规定阐述了制订离心式压缩机基础(以下简称压缩机基础)设计规定的目的、基本原则和依据。本规定主要是通过总结分析化工行业和部分石化行业几十年以来，特别是近二十余年以来引进大量装茸(其中包括大型化肥厂和乙烯联合装置)的设计施工和生产实践的成功经验，着重通过对154台压缩机基础的测振分析租大量的普测分析，以及对浙江镇海炼袖厂化肥装桂的压缩机厂房内多台压缩机基础进行全过程(从基础、机器安装、管道连接的自振测试和开、停车的振动反应)的测振分析，同时汲取了国内外成熟的理论与经验而编制的。关于这类机器基础的设计，日前国家尚无相应的规范、标准可资遵
2、循。国标动力机器基础设叶规范)(GBJ40-79)正在修订，其中关于n3000r/min的离心式压缩机基础的规定巳列入其中的第6章中。50 本规定以设计实用为宗旨，将多年来设计、科研和生产实践的成果用简捷实用、深入浅出的方式提供给工程设计人员。本规定制订了基础结构选型原则、各项构造措施的具体规定，提出一般不需要作动力计算，采用简化计算方法即可满足基础的振动控制限制。对于少数需要作精确分析的压缩机基础，本规定给出了采用空间多自由度的计算模型和方法，以供设叶使用。1. O. 2 本规运主要针对工作转速大于3000r/min的离心式压缩机基础的设计，对于与此类似的汽轮鼓风机亦可参照应用，但在规定不适
3、用于下列基础的设计:(1)高转速压缩机的块体式和墙式基础;(2)工作转速等于或低于3000r/min的离心式压缩机基础=(3)螺杆式压缩机及滑片式压缩机基础;(4)钢结构基础。当高转速压缩机基础为块式或墙式基础时，机器扰力按本规定确定，基础构造及动力打算应遵照活塞式压缩机基础设计规定。51 3 基本规定3. 1. 3 本条强调压缩机基础的设计应根据地基土的性质合理确定地基方案和基础形式，力求避免基础产生有害的沉降和偏沉，因机器的主轴为多点支承在轴承上，对基础的沉降和偏沉比较敏感，与机器连接的高压管件由此将产生附加应力。基础的沉降和偏沉值一般不易得到精确的计算结果，因此在设计时应认真研究确定地基
4、处理方案。3. 1. 4 本条要求基组总重心与压缩机基础底面的形心位于同一竖直线上，当偏心不可避免时不得大于相应边长的3%，这有助于防止基础偏沉。3.1.5 基础设置观测点将为生产过程中基础的工作状况提供原始记录，使工厂管理部门形成制度，定期观测并积累资料，在工程设计中设计者宜按具体情况加以说明。3. 1. 7 当厂房内同时布置有活塞式压缩机和离心式压缩机时，据实测表明，活塞式压缩机的振动对离心式压缩机的影响较大，可使其振动幅值增大此处以速度叠加较为合理)，因此在设备布置方面宜远离或使其振动影响最小(严格控制活塞式机器基础的振动.幅值)。关于活塞式压缩机与离心式压缩机之间的相互影响及其相互距离
5、的关系，目前仅限于定性认-识，有关定量指标尚需通过大量实测资料分析确定。3. 1. 9 本条明确了与压缩机连接而产生较大振动的管道设置问题。因为与压缩机连接的管道将产生较大的振动，应设置弹性支座52 或吊架，目的为减少其振动，亦可以减少基础不均匀沉降对管道的影响。如某厂因与离心式压缩机基础连接的管道未设弹性支座，管道的振动较大，特别是焊在管道上的悬臂式支管振动更大.以致焊缝振断而发生了事故。为了减小管道的振动，并考虑压缩机基础与建筑物可能产生不均匀沉降而使管道被破坏，所以与机器基础连接而产生振动的管道，不应直接搁置在建筑物上，而应该采取弹簧支座或吊架等减撮设施。3. 1. 10 缩机基础一般与
6、建筑物基础、提凝土地坪分离，其原因之)是考虑到动力基础的振功能量经常不断地传道给房基础及厂房结构，从而使结构产生附加应力而降低其安全储备;具二是机器基础与建筑物基础的荷载相差悬珠，荷载性质不同，从而可能产生不均匀沉降而发生相互影响;其三是为使压缩机基础受力明确。为此，一般情况下应使机器基础与建筑物基础及地坪分开，对此国外有关规范及我国动规都是如此规定的。对于机器基础与厂房基础相连，前苏联动力机器基础设计规范)(CHIIII-19-79)中对这类基础有以下规定.在机器厂房下为整体的共同基础底板，容许直接在该底板上建造构架式机器基础。我国浙江镇海炼油厂的化肥厂的压缩机厂房即将多台构架式基础与厂房的
7、基础设计在共同的底板上，自1978年投产以来使用情况良好。3. 1. 11 本条旨在减少机器振动对厂房结构的影响。3. 1. 12 本条明确建造在设防烈度等于或小于8度地区的压缩机基础，可不进行地震作用计算。关于如何考虑地震荷载的问题，在国内、外规?臣和资料中阐述较少，仅前苏联动力机器基础设i十规范)CHIIII-19-79第1.39条中规定当设计建造在地震区的动力机器基础时.大块式基础构件的强度计算，应不考虑地震作用。当计算在地震作用下的陶架式和墙式基础时，在其荷载组合中不包括由机器产生的动力荷载。本规定为设计实用，将压缩机基础视为单自由度体系。设防烈53 度等于或小于8度地区一般情况下基本
8、组合大于偶然组合，因此验算基础构件强度时基本上是由基本组合确定的，故可不考虑地震荷载的作用，这样规定给压缩机基础的设计带来很大方便。至于设防烈度为8度以上时，则应进行基本组合及偶然组合并取其最不利者进行强度计算。虽不进行地震作用计算，但在构造方面应符合本规定指出的构造要求。54 4 设计原始资料4.1 压缩机组技术资料本节中杂文的核心是明确设计压缩机基础时，需由饥器制造厂提供布关机器性能的技术数据和资料(包括图纸)，这是设计压缩机基础的基本依据。需要说明的是作用在基础上的扰力值.因为本规定的振动限直是采用速度值，因此汁n:基础的振动速度值需具有由机器作用到基础上的扰力。J尤力值与机器转子转速、
9、机器部件加工精度、转r的白重、初始心距、安装的精密度等关系极大，要记分明确这些因素的影响，以确定扰力值。这己不属土建专业的工作范围.M设计拧需要具布识别设计参数真伪的能力.这就要求设计持|司机器制造厂和工艺系统专业密切配合，以得到成功的设计。4.2 设计技术要求本节中的条文列出了应由主艺专业提供的设计资料。55 当确定压缩机基础尺寸及埋深时，需考虑邻近厂房及构筑物的基础尺寸和埋深，尽可能将机器基础和厂房基础置于同一标高上，以方便施工，并可使压缩机基础的振动尽可能少地传递给厂房基础。否则，必须考虑施工程序的可能，如挖较深的基槽时，放坡不致影响浅基础的地基。设计压缩机基础时还要考虑附近各种地沟的布
10、置和尺寸、热力管道、操作平台的布置、二次灌浆层的要求等。在设计压缩机基础时，需考虑由于基础振动向周围传递将对邻近的那些对振动比较敏感的设备、仪器造成危及生产的影响。因为，虽然机器基础本身的设计是成功的，如若影响附近的设备、仪器的正常使用而危及生产亦不妥当，因此要从总图布置、设备布置及基础设计方面采取措施或采取减振措施等，力求最大限度地减小或消除这种潜在的有害的振动影响。同时还应查明基础附近有无其它振动基础的情况，以便综合考虑对该基础的振动影响，特别要注意活塞式压缩机对该基础的振动影响。56 5 构造要求大量的设计实践表明，压缩机基础结构的各部件的合理构造是设计成功的基本前题，是保证压缩机基础正
11、常工作的必要条件。5. 1 一般要求5.1.1 本条根据国外资料和国内大量成功的设计经验总结，要求基组下部固定部分即柱高1/2以下)的总重应大于基组上部参振部分(即柱高1/2以上)的总重;这既是结构稳定性的需要也是动力计算前题的要求，因此基础底板的厚度应大于顶板的厚度。5. 1. 2 本条要求在设计中尽量减少构件承受较大的偏心荷载，以改善构件在动力作用下的工作条件，并使计算模型的假设条件接近实际情况。5.1.4 本条提出的钢筋棍凝土保护层厚度，无论在施工或是抵抗一般化工大气腐蚀都是必需的。当顶板和梁同高时，施工图中宜注出各层、各类钢筋保护层厚度，以利施工。5.1.5 压缩机基础顶面的二次灌浆是
12、指在机器就位并经垫片找平，校准地脚螺栓固定后，将基础顶面与机器底盘之间空隙(此预留空隙一般均大于50mm)用细石?昆凝土或无收缩砂浆烧灌，如果57 做块材面层，则应根据操作层的设计标高确定预留二次灌浆层的厚度。对二次灌浆的要求见附录C。5.2 构造要求5.2.1 基础底板厚度的定量规定目前在理论方面仍不够完备，国标动规对汽轮发电机基础的底板厚度规定为基础底板长度的1/15-1/20。随着发电机组的功率不断增加，基底板长度亦随之增长，目前已达30-40m。德国规艳DIN4024对此类机器基础的底板厚度规定应不少于其底板长度的1/10.多年来化工部门设计的压缩机基础的底板长度一般为6-12m.超过
13、15m者较少，根据大量工程实例统计分析，本规定提出基础底板的最小厚度取其底板长度的1/10-1/12，同时不宜小于800mm。本条规定将保证底板具有足够的刚度，以避免基础不均匀下沉并降低基础顶板的振动。5.2.2 根据工程实例统计，柱截面尺寸相差较大，其中较小者为500mm X 500mm.个别最小者为400mmX 400mm.最大者为1200mm X 1200mm，个别最大者为1800mmX 1800mm。柱截面尺寸与柱子净高度之比差异很大，最小者为1/12.2.最大者为1/3.7. 59个柱子截面尺寸与柱净高之比的统计，见表5-1:b/H。(h/Ho) 柱子数量(个柱截面尺寸与柱净高比值注
14、g表中b为柱子截面沿基础纵向尺寸，h为沿基础横向尺寸FH。为柱子净高尺寸。58 表5-)16mm，间距为200-250mm。架立钢筋的直径取决于板的厚度，间距取决于钢筋网的问距(般为钢筋网间距的3倍).本条规定为414-16mm，间距为600-750mm。5.3.2 柱子配筋按强度计算确定，纵向钢筋沿柱截面周边对称配置。通过大量工程实例分析，有的设计柱子配筋太大，而配筋量的差别也很大，如相同型号机组，基础结构基本相同步但柱子配筋有的用.，20、422.有的用428。这些基础虽然都在正常使用，但这表明了个别设计的盲目性。在现有的设计中，柱子断面的差别更大，有400mm X 400mm , 500
15、mm X 500mm、1200mmX1200mm等等。柱子的配筋率是随断面的改变而成正比例变化，简单规定一个总配筋率是不妥的。在大量工程实例分析的基础上，根据多年工程实践统计，按照、属凝土结构设计规范和建筑抗震设计规范的构造要求，本条文给出了随柱子断面变化的纵向钢筋总配筋率的范围。IP: 60 当bX h:;:450mm X 450mm时，一般为1.2%2. 0%; 当bXh450mmX450mm时，一般为O.8%1. 6%。从方便和保证施工质量考虑，应避免钢筋密度大，尤其在柱与纵、横向刚架梁交汇处，否则易造成施工困难。5.3.3 顶板中的暗梁或明梁与柱子构成纵、横向刚架，梁中配筋经计算确定，
16、由于扰力值及其方向是随机的，因此纵、横向刚架梁截面上下应对称配纵筋，并需具有可靠的锚固长度。纵钢筋的总配筋辛每一般取O.4%1. 0%。5.3.4 根据国家现有的规范、标准和国外资料以及大量的工程实践，基础的表面温度均低于800C.压缩机基础无需计算温度应力。本条是从构造要求给出的配筋量。61 6 振动计算本章重点说明压缩机基础动力计算的基本观点，是条文编制的主要依据。动力计算的指导思想是在满足本规定各项构造要求的前提下给出不做动力汁算功界限或采用简化计算方法。同时对少数要求作精确计算者提供了空间多自出!t体系的计算模型并推荐了计算程序。其结果可使工程设计中大量常用的机器基础省略了动力计算，或
17、进行简化分析即可得到满意的设计。因此可大量地节省设计劳动。上述基本观点是基于三十余年来生产实践的积累。特别是近二十年来，化工部建筑设计技术中心站，对于自1974年以来大量引进的装置，先后会同化工、石油化工和冶金部门的设计、科研单位等30余位专家共同对压缩机基础的计算理论和方法作了深入分析和研究，包括:广泛收集国外有关标准规范;对15套大型化肥装置和3套乙烯及其深加工装置的压缩机基础进行了振动实测;调查了300台正常运转的压缩机基础;对其中154台进行了普测和系统分析，制订了供设计应用的高转速压缩机基础设计暂行规定)(TC62Al-82)。为了更深入揭示这类基础的实际工作状态，从中找出规律，化工
18、部第四设计院与冶金部建筑科学研究总院于19811984年共同对浙江镇海炼油厂的化肥装置4台压缩机基础进行了全过程分阶段系统测试，其中包括:基础施工结束阶段;机器就位尚未灌浆阶段;基座灌浆阶段;管道安装结束阶段:开、停车及正常运转阶段。由此得到各阶段及全过程的动力特性，对其客观规律有了质的认识，通过实、践提高了理论认62 识。大量的实践和有说服力的理论分析为这类基础的简化计算提供了有力的科学依据。建国以来，对这类基础的设计大致经历三个阶段z五十年代七十年代不作动力计算，比较盲目强调构造;七十年代九十年代由于计算机的发展，使得精确的空间多自由度分析成为可能，通过大量实测分析，推出了简化计算方法。九
19、十年代以来，由于掌握这类机器基础的客观规律趋于成熟，对空间多自由度分析和简化法分析形成了比较完整的体系。设计人员为提高效率，多倾向于简化计算，希望规定不作动力计算的界限。三十余年来对这类基础的计算经历了-个从必然王国到自由王国的过程。然而实践表明，目前无论何种计算方法尚未能真实地充分反映机器基础实际工作状态，因此计算往往成为设计者取得法律依据的目的。作为科研和学术的一个课题，这方面仍有待深入研讨。6.0.1 (1)本条不作动力计算界限:P，25kN是通过对大量运行良好机器的基础进行振动实测数据，统计分析得出。(2)公式(6.O. 1-1)是将扰力计尊公式Pz=口风(命)和基础振动允许值A运5m
20、m值代入(6.O. 5-2)式导出:V =A 21.3 106ZL w_n =1. 3X106XO. 25W.(牛)tx百LQ .:5 UUU w ,n 2.6WsW. rn 6.0.2 理论分析刚架式机器基础是一个无限自由度的空间结构，民3采用多自由度体系分析，从计算简图和理论研究观察比较接近基础的理想振动状态，但是由于存在着许多参数的不准确性、假设的差异性，使得理想的数学模型和精确运算结果最终仍未能反映实际，其参数和假设的差异主要表现在:扰力取值和荷载分布的任意性;忽略了机座、机壳和管道的刚度(实际上它们与基础共同整体工作h强劲的顶板计算中未按深梁考虑F机器的主轴并非刚性，1昆凝土的动弹模
21、与静弹模的差异;以及阻尼随频率变化等因素。同简化计算相比较，空间多自由度计算在理论方面能够比较逻辑地分析基础振动模式，目前国际上不少国家(美、日、俄、德等)明确要求采用单自由度简化分析，仅控制基础的基频(自振频率)或振动幅值。有的国家要求采用多自由度分析(如瑞士)。在涉外工程设计中，如机器制造厂或工艺专业有特殊要求，可采用空间多自由度体系分析，采用本规定推荐的计算程序。6.0.3 公式Pz=Px=Pr=0.25Wg(-L灶，是来自美国石油学.3000 会标准API617-1967的规定。由于本规定计算采用振幅法，计算位移和速度时需要有作用在基础上的扰力，而扰力值取决于机器制造的加工精度、动平衡
22、水平、安装精度和初始偏心距等多种因素，因此计算确定准确的扰力值是非常困难的。由于各国的计算方法不同，其结果各异，计算振幅所用的扰力值并非真实数值，而是与经验和基础的计算模型有关的计算扰力值。扰力是因转子主轴的偏心距(包括初始偏心距产生的，其计算扰力如下:P，=mr，2 式中:P，-一机器的计算扰力.kN;64 m一一转子的质量，kNs2/m;r-一一转子的质量中心旋转半径，m;一一转子的旋转角速度，rad/s，=0.105n;n 一一机器的工作转速，r/min。按API617-1967，轴相对轴承的允许振动(双振幅)为zA=O. 9/;-言，转子轴颈的振幅为A=O.45/.r;z，将r值代入上
23、式则得zPz=0.25We(-L疗也3000据西安冶金建筑学院研究认为，上述公式的计算结果与实测值比较接近，上式己编入冶金部的条例中，故本规定仍推荐该式。6.0.4、6.0.8确定振动允许值的原则应是z振动不影响机器正常工作;不妨碍工作人员的操作和健康z不产生对相邻建(构)筑物结构的有害振动。对此，各个国家的标准差异较大。本规定基于我国多年来的实践结果，考虑到多年实际应用和习惯，并与国标动规一致，根据不同转速施围予以不同的限制物理量，对工作转速n3000r/min者以速度和有效速度控制较为合理。参考德国标准VDI2056对各种机器的振动标准为好可用飞、尚许可飞、不允许等，对离心式压缩机组有效速
24、度V叽rmss 定为3.5mm/s，属可用范围的上限，接近好的范围。按冶金部条例规定，振动速度限值V=5mm/s是建立在19台高转速离心式机器基础(空分制氧装置)的实测结果，其中大多数振动速度小于5mm/s，仅有2台分别为V=6.76mm/s和5. 37mm/s，占总数的10.5%，且机器工作状态均良好。根据原石油部北京炼油设计院设计的19台机组的测振报告，振动速度绝大多数小手5mm/s，仅3台分别为V=9.77mm/s、6.07mm/s和5.9mm/s.占总数15.7%.使用情况仍为良好状态范围。19841985年化手部建筑中心站组织国标动规第6章编制组对88台机组进行了普测分析，证明其中仅
25、2台实测值大于6.3mm/s.占2.2%.使用情况良好，因此将振动限值定为5mm/s是合适的。6.0.5 本条的简化公式系由化工部第四设计院冯文龙同志首先提出，该式建立在空间多自由度的理论分析，进行数理统汁，通过二十余个工程实例进行系数调整后建立的。该式深入浅出，具有空间多自由度理论分析的内涵又具有单自由度简明的表达形式，并己列入1982年化工部编制的暂行规定中。通过十余年的应用实践，表明它具有可靠的实用性。6.0.6 本条规定对基础承受多个不同频率的扰力作用时，计算速度组合原则。透平机组一般有多个不同频率的扰力同时作用在基础上。这些不同频率的扰力值和相位都是随机章。扰力值与工作转速成正比，所
26、计算的这些扰力值均为机器在正常运行状态时最大的扰力值。从机率分析，每个转子均达到正常运行下的最大不平衡量，其扰力均达到最大值的机率是极小的。而且扰力的相位是随机的，各扰力的方向与所计算共振频率的主振型完全相同的机率也是极少的，假定扰力值在O-Pr之间变化，相位在00-360。之间变化，据概率理论分析，比较可能出现的最大动位移即为这些扰力产生的动位移幅值的平方和的平方根。6.0.7 通过对压缩机基础的大量实测可观察到，在机器开车、停车的过程中都会出现若干不同的共振峰值，这是因为当机器转速通过转子的某一临界转速或通过基础的自振频率时都将出现并发生共振峰，由于机器转速升、降变化很快，只是短暂的一瞬间
27、就掠过，且振动幅值很小实际上对基础的振动影响甚微，所以本规定不考虑开、停车过程瞬时作用，而是按机器在正常工作状况下进行振动计算。7 强度计算构造要求、动力计算和强度计算是压缩机基础合理设计的三项主要内容，同本规定第6章相似，本章的各条规定主要依据是通过对300余台已运行良好的压缩机基础的调查，和对154台压缩机基础的普测分析的结果，并对近二十余年来大量引进的化肥、Z烯装置的压缩机基础的设计实例进行分析比较，对基础的强度计算提出了实用性的要求。7, 1, 1 本条明确指出强度计算的两项主要内容，这是基础强度计算的必要内容。7, 1.2 规定可不作强度计算的九项指标，若工程设计能满足该九项指标则基
28、础可不作强度计算，这将非常有助手设讨效率的提高。7.2.1、7.2.2、7.2.3指出刚架计算应考虑的四项荷载及其荷或组合，安装荷载、操作荷载在实际工程中由工艺专业提出，否则可按本规定给出的数值或参照化工建(构)筑物楼面荷载设计规定(HGJ 27-89)确定。凝汽器的真空吸力是由于凝汽器内蒸汽的冷凝形成真空与大气间产生压差所致。当凝汽器与汽轮机为柔性联接时(用披纹管或其他形式的补偿器)，该力以拉力作用于基础上，若刚性联接时真空吸力则形成为系统的内力不作用于基础上。真空吸力仅存在于冷凝式汽轮机或中l哥抽汽式汽轮机作驱动机时，且凝汽器与汽轮机为柔性联接。真空吸力仅用于计算基础构件强度，由机器;创造
29、厂提供，仅当其不能提供时则按本规定给出的公式计算。同步电动机的短路力矩:若离心式压缩机由电动机驱动，当电机突然短路时，由于定子与转子之间的相互作用而产生短路力矩Mo。该力为偶然荷载，其动力系数=2.将短路力矩乘以动力系数，即简化成静力荷载。短路力矩应由制造厂提供，若提不出时，可按本条公式计算。目前短路力矩计算公式较多，本规定选用的是机电制造部门提出的计算公式:9.75P 70P Ll.T Mo=K，一一-=一-mKN n n 在式中取9.75K，=70.目前系数K，的取值不一致，如美国凯洛格公司取K，=15.相当于极限状态p由透平压缩机基础设计资料汇编中取K，=5-7。7.2.4 当验算压缩机
30、基础的强度时，除考虑作用在基础上的静力荷载外，尚应考虑动力荷载，该力是由转子不平衡所产生的扰力引起的。该力又被称为当量静力、等效静力等，但其计算公式的表达形式大致相同，系将转子的不平衡力乘以疲劳系数和动力系数，各国公式的形式相同，仅动力系数、疲劳系数、扰力取值差异较大，经国内专家多次讨论研究推荐该公式，如化工部的高转速透平压缩机基础暂行设计规定、冶金部的制氧机等动力机器基础勘察设计暂行条例、中石化总公司的动力机器基础设计规定和水电部的汽轮发电机基础设计手册均采用此公式，经多年实践认为该公式是适宜的。7.2.5 当量静力荷载，在竖向和横向不同时组合，因为竖向和横向实际上是同一扰力，为计算方便将其
31、分解为两个方向，即:P，=Psin伊及Px=Pcose.因为都是取最大值作两个方向计算动内力的68 荷载，但其相位差为12，所以坚向与横向不应同时出现。水平纵向与竖向、横向无直接关系，可能会同时出现，本应进行组合，但考虑到最大动内力出现的频率不同，而不应同时取峰值叠加。按空间多自由度体系计算时，当其一方向的主振型出现时，其它两个方向的分量一般都较小，而其动荷载已将正常运行时的扰力增大了，已有较大的安全储备。因此当一个方向取最大动力荷载时，其它方向的分量可以略去，所以无论是竖向、横向、纵向都可以不进行叠加组合，即:各项的当量静力荷载只考虑单向作用。偶然组合时，短路力矩或地震作用出现是以正常运行为
32、标准的，而动力荷载是以机器极限不平衡为标准计算出来的，较正常运行不平衡增大了，故将当量静力荷载乘以0.25的荷载组合值系数。7.3.1 由于纵向的当量静力荷载比横向小-倍，而柱子又是周边对称配筋，所以一般可不进行纵向刚架计算，柱子配筋已经能满足强度要求。考虑到特殊情况下纵梁跨度较大、荷载较大需要验算时，可按竖向荷载作用下的连续梁计算。按现行规范、规定取可能出现的最不利的荷载组合进行强度计算。69 责任编辑意启攫;25 中华人民共和国行业柯:准离心式压缩机基础设计规定HG 20SSS-9) 食食食编辑化工部工程建设标准;编辑叶心北京和平里北街化工大院3号)由J皮编码:100013EP 屠4河北省沧州市人民印刷1994年10月
