結構設計設備布置注意問題探討
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摘要：在工業設計中，各種設備的布置在廠區內、裝置區內都有其各自的規定和要求，設備布置的流暢性，直接關系到工藝流程的連貫性，消防布置的合規性，結構基礎方案選擇的合理性以及安全生產的可操作性，綜合其在設計中的全面考慮，論述了結構設計中應注意的問題，以供參考。
在化工企業的設計中，各式各樣的設備布置在廠區及裝置區內，有高塔、機泵、罐、反應器、換熱器、臥式容器、壓縮機等，這些設備的布置都有其自身的特殊性，每種設備在廠區內、裝置區內的布置都應符合各自規范、標準的規定和要求，同時還應考慮與其相連的各種管道（液體管道和壓力管道等）的設計要求，并充分滿足工藝流程的相關需求，這樣才能作出合理、安全、規范、經濟的設計。本文對工業設計的設備布置中遇到的結構問題進行分析，以提高設備布置的結構方案的優化。
1設備布置與工藝專業的聯系
工藝流程是設備布置的源頭，工藝專業的PID圖、物料平衡圖、工藝流程圖、工藝系統圖、設備布置圖是工業設計的精髓，各種設備的布置要求、布置形式，相鄰設備之間的相互關聯，相關設備的安裝標高、預留的檢修空間，以及物料之間的相互反應直接影響著設備布置的方案，在進行設備布置時應充分了解工藝專業的流程，并與其它相關專業進行溝通，在滿足規范要求的前提下，做到業主滿意。
2設備布置的原則
1）設備布置應滿足工藝流程的需求，并應滿足整個廠區、裝置區內的水平布置和豎向布置的連續性、流暢性，將同一類設備如高塔、罐體等盡量集中布置在同一個區域內，使空間得到充分利用。2）通常把空冷器、高位槽布置在框架的頂層，重量較大的槽罐設備以及振動較大的設備（如壓縮機、真空泵等）布置在框架的底層，與其他生產部分隔開，主要設備布置在中間層（如反應器），這樣布置既可以利用位差進出物料，又可以降低建構筑物的高度，減少樓面荷載及振動，使成本得到控制。3）設備布置形式可以采取敞開式布置、半敞開式布置或封閉式布置，且應考慮場地及當地自然條件的影響。風沙較大的地區，不宜敞開布置；冬季氣溫較低的地區，也不宜敞開布置。4）設備布置時，與其相連的壓力管道和熱膨脹管道在布置時應考慮動力系數及熱應力的影響，充分利用工藝專業的應力計算分析和管道安裝的相關要求，及時調整設備布置方案，保證整個體系的正常運轉。
3．1塔的布置
塔是工業生產中最重要的設備之一，塔的布置方式有單排布置、多排布置和構架式布置，從而確定了塔基礎的布置形式，獨立式基礎、聯合式基礎、大厚板框架式塔基礎等。塔基礎的設計是塔設備的重中之重，并決定了塔與塔之間的間距以及與其相關聯的設備布置。
3．1．1塔基礎的設計敞開放置的高塔設備，由于形體較高，受風荷載的影響，在高塔的表面形成了吸力或者壓力，并在橫風向和順風向這兩個方向上產生振動。一種是橫風向的風誘導振動，一種是順風向的常規設計振動。其中橫風向是振動方向與風的流向垂直，順風向是振動方向與風的流向一致。因此，塔基礎設計的總荷載中，風荷載占據著很大的比重。除水平地震作用外，主要的側向荷載由風荷載產生。對于高塔基礎，規范涉及的上部鋼設備的自振周期對于風荷載計算公式里的風振系數的取值和結構自振周期密切相關，其取值的高、低會造成成倍的差異，這就是風的動力特性對塔產生的動力效應。因此，設計時要弄清楚塔設備的設計參數，包括塔的壁厚、內、外徑及塔身材料的彈性模量，設計壓力、工作壓力，設計溫度、工作溫度，物料成分及密度等，因為塔設備幾何參數的取值直接決定塔的剛度從而確定塔的自振周期。在設計時，當靠近的兩座或多座塔之間的相互影響是不可忽略的，體型系數的取值應當嚴謹，X方向和Y方向不一樣，不能作為獨立塔分別計算，而是應該整體考慮。而塔基礎的埋深在規范里面沒有明確的指引，塔基礎的埋深問題，建議參考《高層建筑混凝土技術規程》JGJ3－2010第12．1．8條規定：天然或復合地基取房屋高度的1／15；樁基可取1／18。特別是獨立高塔基礎，執行這個規定更安全些，對抗滑移抗傾覆更有利。
3．1．2塔布置的要求塔與管廊之間應當至少留有寬度為1．8m的安裝檢修通道，管廊柱中心與塔設備外壁的距離不應小于3m，管廊柱基礎與塔基礎的凈間距應大于300mm，塔安裝的設計要滿足操作和檢修的要求，基礎露出地面高度，最小要高出地面200mm。
3．2泵的布置
在工業廠區內機泵的布置比比皆是，有露天布置、半露天布置和封閉的室內布置，并將泵布置成單排、雙排或多排，有時亦將泵布置在管廊下面，節省用地。
3．2．1泵基礎的設計泵基礎設計時基礎質量應大于機泵質量的3～5倍，泵的基組總重心與基礎底面形心應當位于同一鉛垂線上，其相對偏心不應超過3％，且基礎底面平均靜壓力設計值應小于等于0．5～0．7倍的地基承載力設計值。泵布置時應考慮操作條件、物料特性和其物料類別的防火要求分組布置，并按照泵出口中心線或泵端基礎邊為基準對齊布置。
3．2．2泵布置的要求當泵成排布置在管廊下時，泵出口中心線或泵端基礎邊對齊線宜與管廊平行；雙排布置泵時，應將泵的驅動力端相對，中間留出檢修通道，通道最小凈寬2m，最小凈高3．2m，泵端前面的操作通道和四周與墻的間距應大于1m。大型泵檢修時需要叉車走動時，應當留出叉車通道，通道應滿足叉車的最小寬度要求。泵的操作溫度等于或高于物料自燃點時，宜集中布置；與操作溫度低于自燃點的可燃液體泵之間防火間距應不小于4．5m；與液體烴泵之間防火間距應不小于7．5m；當泵布置在廠區主管廊下方或框架下方時，其上方應留出泵體吊裝、安裝和檢修時所需的空間；除了放置在聯合基礎上的小型泵外，兩臺泵之間的凈距宜大于0．7m，泵基礎面宜高出地面200mm，且不得小于100mm。
3．3壓縮機的布置
壓縮機的基礎屬于動力機器基礎，設計時應合理的選擇有關的動力參數和基礎形式，布置時應根據工藝流程的需求，選擇符合要求的結構形式。
3．3．1壓縮機基礎的設計在設計壓縮機基礎時，應當確定好壓縮機自重及其重心位置，以及壓縮機產生的擾力和擾力距方向。進行荷載取值時，靜力計算采用設計值，動力計算選用標準值。當進行動力計算時，基礎的振動應能同時控制基礎頂面的最大振動線位移和最大振動速度，還應保證壓縮機及其基礎整體在通過其重心豎向各擾力的作用下，其豎向振動線位移和固有圓頻率符合相應的規范要求。當多臺同類型壓縮機置于同一底板基礎上，構成聯合基礎，可將聯合基礎做為剛性基礎進行動力計算。當壓縮機基礎的質量大于壓縮機質量的5倍時，基礎底面的平均靜壓力設計值小于地基承力設計值的1．2倍時，可不做動力計算。
3．3．2壓縮機布置的要求壓縮機基礎設計時應與建筑物的基礎、上部結構以及混凝土地面分開。其管道與機器連接產生振動時，管道與建筑物相接處應采用隔震措施。基礎采用鋼筋混凝土結構，頂板的厚度不宜小于150mm，頂板的懸臂長度不宜大于2m；底板厚度不宜小于600mm，底板的懸臂長度，在豎向振動時，不宜大于2．5倍的板厚，水平振動時，不宜大于3倍的板厚。
3．4換熱器的布置
3．4．1換熱器基礎的設計換熱器基礎通常由兩個支礅（固定礅、滑動礅）及底板構成，當固定礅和滑動礅相距較遠，底板承受的水平力及力矩較小時，可采用分離式基礎；當固定礅和滑動礅相距較近，底板承受的水平力及力矩較大時，可采用整體式基礎。換熱器基礎計算時，應考慮水平地震作用的影響，基礎支礅應按偏心受壓構件計算與配筋。基礎連梁內力計算應按偏拉或者偏壓進行計算。
3．4．2換熱器布置的要求成組布置的換熱器設備，宜將換熱器支礅基礎中心線對齊，當支礅基礎中心間距不相同時，宜取一端支礅基礎中心線對齊，避免造成偏心。為了與管道連接方便，地面上放置的換熱器亦可采用管程進出口管嘴中心線對齊的方式布置；換熱器之間、換熱器與其他相鄰設備之間的凈距宜大于0．7m。
3．5罐的布置
3．5．1罐基礎的設計罐基礎設計時，可不考慮豎向地震作用，水平地震作用按單質點單自由度體系進行計算，荷載取值按照基本組合選取。當地基承載力標準值不小于200kPa，壓縮層范圍內無軟弱層時可不做地基變形計算。地震作用下，環形基礎底面與地基土之間零應力區面積不應大于基底面積的1／4。多邊形或環形基礎可按基底均布荷載作用下的倒置圓弧形連續梁進行計算，梁上荷載即地基凈反力，基礎柱礅承載力應按偏心受壓構件計算。
3．5．2罐布置的要求罐基礎布置時，基礎埋深不宜小于1．5m，基礎柱礅截面中心應與球罐支柱中心重合。當采用環形基礎時，底板邊緣厚度不得小于250mm，懸挑長度與根部厚度之比應不大于2．5。
3．6臥式容器的布置
3．6．1臥式容器基礎的設計臥式容器多集中布置，在地面上時多做成聯合基礎；容器若放置在框架上，應將基礎布置在梁上，使荷載直接由次梁傳給主梁，主梁傳給框架柱，荷載傳遞路線要明確。在基礎的支礅上，容器的滑動側和固定側應按有利于容器上所連接的主要管線的柔性計算來確定荷載的取值，在布置時工藝專業要向結構專業明確滑動支礅和固定支礅。
3．6．2臥式容器布置的要求多臺臥式容器按排集中布置時，可按容器支礅中心線或者容器封頭頂端對齊的方式布置，這樣基礎中心線也可對齊，避免基礎偏心受力。臥式容器若置于框架上，應有一定的安裝高度，并保證操作和檢測儀表所需的足夠空間；臥式容器底部排液管線的最低點與地面或平臺的最小距離為150mm。支承單個臥式容器的框架，柱與柱之間的中心距離應當比容器的直徑至少大0．8m；容器下方需通行時，其最小凈空高度為2．2m。
4結語
工業設計中，針對不同的設備，在做平面布置的同時，還應推敲結構基礎的設計，除了參考行業的規范標準，還應借鑒一些成熟的、好的工程經驗，不斷地優化設備布置方案，優化結構方案，使工程設計保證良好的品質，更好地服務于項目本身。
參考文獻
［1］HG／T20643－2012化工設備基礎設計規定［S］
［2］HG／T20546－2009化工裝置設備布置設計規定［S］
作者：楊蕾 單位：唐山三友化工工程設計有限公司