CC BY
61
УДК 624.151.1
СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ОБОРУДОВАНИЯ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИИ ФУНДАМЕНТОВ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ*
А.Р. ВАЛЕЕВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа P.P. ТАШБУЛАТОВ, аспирант, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа
М.М. ГАЛИУЛЛИН, к.т.н., доцент кафедры математики
ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д.1). E-mail: [email protected]
Рассмотрены проблемы сооружения фундамента при наличии значительных динамических нагрузок со стороны работающего оборудования, а также способы снижения вибрации фундаментов. Определены недостатки создания массивных фундаментов. Рассмотрено использование виброизоляторов, в том числе и виброизоляторов с квазинулевой жесткостью, для уменьшения массы фундамента и ускорения строительства сооружений в целом. Рассчитан минимально необходимый объем бетона для сооружения фундамента при различных способах монтажа нефтеперекачивающих агрегатов и на различных грунтах.
Ключевые слова: фундамент, вибрация, насосный агрегат, виброизолятор, квазинулевая жесткость.
Фундаменты и основания под насосными агрегатами являются ответственными элементами на нефтеперекачивающей станции. Неправильно возведенный или недостаточно качественный фундамент может привести к осадке сооружения, перекосам, крену, прогибу и появлению трещин. Некачественный фундамент также может привести к вибрационному резонансу от действующего оборудования.
Традиционный и весьма эффективный способ обеспечения высокой надежности фундамента-это сделать его массивным. Глубокий массивный фундамент, во-первых, обладает высокой прочностью и надежностью, во-вторых, из-за своей большой массы слабо поддается вибрации, что с точки зрения различных нормативных норм хорошо. На современных нефтеперекачивающих станциях используются тяжелые нефтеперекачивающие агрегаты, которые обычно требуют большого фундамента. Это ведет к значительным экономическим затратам.
Известно, что при проектировании фундаментов должны быть предусмотрены решения, обеспечивающие надежность, долговечность и экономичность на всех стадиях строительства и эксплуатации сооружений. Необходимо проводить технико-экономическое сравнение возможных вариантов проектных решений для выбора наиболее экономичного и надежного проектного решения, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик
грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов и других подземных конструкций. Эта мысль не только является логичной с инженерно-технической точки зрения, но также и подтверждается требованиями нормативных документов [1].
Однако при всех современных технологических достижениях создание крайне массивного фундамента под оборудованием до сих пор является традиционным, хотя при этом существует ряд надежных методов и средств, которые позволяют отказаться от массивного фундамента. Еще в 1930-е годы П.Л. Капица, занимающийся в то время разработкой мощной и огромной турбины с высокой вибрацией, предлагал отказаться от таких фундаментов [2]. Капица в тот момент отмечал, что нет почти ни одного фундамента, который был бы правильно рассчитан. Массу бетона загоняют зря под фундаменты, которые не только не нужны, но могут быть даже вредны. Согласно расчетам, большинство электроагрегатов (динамо-машины, моторы) вообще не требуют никаких фундаментов; они могут стоять прямо на полу, если под них подложить правильно рассчитанные амортизаторы. Но в большинстве случаев инженеры продолжают устанавливать массивные фундаменты, не только зря затрачивая строительные материалы, но, по существу, облегчая передачу вибрации от машины к стенам здания. Более того, существуют случаи, когда плохо рассчитанные фундаменты оказывают вред. Это относится,
* ИППШПЕППП □□ШШППП □□□ ПП1 lailllllИЛПППШШРФФИ □ Шапап ШаШПЮ I I III на □ 16-38-00825 □□□ а.
например, к случаю плохо уравновешенного компрессора, каким является, в частности, компрессор, описанный в [2]. При установке оборудования с высоким уровнем вибрации на обычном фундаменте часть здания может войти в резонанс и разрушиться.
Но и в XXI веке также случаются разрушения зданий вследствие высокого уровня вибрации. Последнее наиболее известное подобное событие произошло в 2013 году, когда в пригороде столицы Бангладеш Дакки обрушилось восьмиэтажное здание. Число погибших составило 590 человек [3].
Для снижения уровня колебаний фундаментов машин и уменьшения их вредного воздействия используют различные способы и мероприятия. В случае невозможности уменьшения вибрации следует повысить жесткость основания, произвести переустройство фундамента, изменить размещение машины на фундаменте и расположение фундамента машины в плане, а также использовать различные виды активной и пассивной виброизоляции и динамические гасители колебаний. Однако снижение уровня вибрации путем манипуляций с фундаментами является достаточно затратной операцией. Это различные укрепления фундамента, инъекгирования цемента, жидкого стекла или карбамидной смолы, пересадка фундаментов на выносные набивные или забивные сваи и объединение этих свай с телом фундамента путем устройства по его периметру железобетонной обоймы [4]. Также к подобным способам повышения жесткости основания фундаментов можно отнести увеличение площади подошвы фундамента. Это достигается установкой на уровне подошвы по периметру фундамента железобетонного бандажа либо присоединением к нему с одной или с двух сторон железобетонных плит.
Переустройство фундамента, достигаемое увеличением массы фундамента, существенно влияет на уменьшение амплитуды его колебаний лишь тогда, когда дополнительная масса составляет 50-80% основной [4]. Увеличение только массы фундамента (без изменения площади его подошвы) малоэффективно для низкочастотных машин, так как при этом снижается частота его собственных колебаний, приближаясь к частоте вынужденных колебаний и вызывая опасность резонанса.
Риска разрушения здания вследствие резонанса колебаний можно очень просто избежать, если под оборудованием установить виброизоляторы. Зачастую достаточно использовать даже резиновые прокладки, размер и положение которых можно рассчитать теоретически так, чтобы ни одно из собственных колебаний фундамента не совпало ни с одним из периодов колебаний самой машины. Теория показывает, что поставленная на такой фундамент машина колеблется, но зданию эта вибрация почти совсем не передается и при этом внутренние напряжения в машине будут несколько меньше, чем у машины, поставленной на обычный фундамент без виброизоляторов [2].
Таким образом, применение виброизоляторов поможет уменьшить массу фундамента. С теоретической точки зрения это объясняется тем, что уменьшаются динамические воздействия на фундамент, а следовательно, и суммарная нагрузка. Очевидно, что в современных условиях мы не можем просто так решать, какую массу
фундамента устанавливать, необходимо подчиняться существующим нормативным документам. Основные указания при проектировании фундаментов для оборудования с высокой вибрацией представлены в нормативных документах, один из которых предъявляет основные требования к фундаментам и основаниям [1], а другой - к особенностям проектирования фундаментов для оборудования с динамической нагрузкой [5], примером которого может являться нефтеперекачивающий агрегат, газоперекачивающий агрегат, различные вентиляторы и другое оборудование.
Рассмотрим, как значение динамической нагрузки влияет на проектирование фундамента на примере нефтеперекачивающего агрегата, состоящего из магистрального насоса марки НМ10000-210 и электрического привода марки СТДП-6300-2Б. Масса агрегата 34 850 кг. Согласно [1] и [6], среднее давление под подошвой фундамента р не должно превышать расчетное сопротивление грунта основания R, определяемое по формуле
R =
УclYc2
\_M1kzby„ + MqdiYn + (Mq -1) dbYn + McC„ ], (l)
где ус1, Ус2. !<• му мя> МС' кг ~ коэффициенты, принимаемые по [1] и [6]; Ь - ширина подошвы фундамента, м; Ум и Ум - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих соответственно ниже и выше подошвы фундамента, кН/м3; см - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа; с^ - глубина заложения фундаментов, м, с/ь - глубина подвала, расстояние от уровня планировки до пола подвала, м.
При расчете давления под подошвой фундамента, согласно [7], необходимо учитывать как статическую, так и динамическую нагрузку, а также вес самого фундамента. Таким образом, условие прочности запишется как
Mg + F,
S,
д ' Yжб^ ^ YcöYCIr.
(2)
ф
где Бф - площадь фундамента под агрегатом, м2; М -масса агрегата, кг; д - ускорение свободного падения, м/с2; - динамическая нагрузка, передаваемая со стороны агрегата на фундамент; уж6 - удельный вес бетона; ус1, ус2 - коэффициенты, принимаемые согласно [5].
Необходимый объем бетона для заливки агрегата непосредственно под агрегатом можно принять как \/ф = Бф-с!^ с учетом формул (1) и (2) получаем минимальный необходимый объем бетона:
Vф >
di(Mg + Fg)
YdoYgiR - Yжбdi
(3)
Далее определяем значения динамической нагрузки со стороны агрегата на фундамент. В принципе, как было сказано выше, мы можем ее изменять с помощью средств виброизоляции. Сначала определим динамическую нагрузку при жестком закреплении. В этом случае мы пользуемся нормативным документом [5], согласно которому
>=д = Чгг\1=н' (4)
где - нормативное значение динамической нагрузки, соответствующее нормальному эксплуатационному режиму работы агрегата; уг и л - коэффициенты соответственно надежности по нагрузке и динамичности, принимаемые согласно [5].
Отметим, что коэффициенты уг и ц достаточно большие для насосного агрегата НМ10000-210, равные 4 и 10 соответственно, что резко увеличивает значение динамической нагрузки
Согласно [5], нормативное значение динамической нагрузки равно
Ра = цС, (5)
где ц. - коэффициент пропорциональности, для нашего примера ц. = 0,2; С - вес ротора, Н.
Приняв величины у(=4; Т1 = 10; ц. = 0,2; С = 9 т, получаем значение динамической нагрузки Ра = 723 кН, притом, что вес агрегата (статическая нагрузка) равен 453 кН. Отсюда можно сделать вывод, что значение динамической нагрузки очень велико по сравнению со статической нагрузкой. Пренебрежение ею может привести к печальным последствиям.
Теперь мы можем оценить минимальный необходимый объем бетона. Очевидно, что многие параметры и коэффициенты зависят от конкретных условий, ноО чтобы получить оценочные значения, примем следующие значения: грунт - суглинок; ус1 = 1,25; ус2 = 1,088; к = 1,1; к2 = 1 \Му = 0,43; = 2,73; Мс = 5,31; уи = у„ = 15 кН/м3; см = 6000 кН/м3; Ь = 2м;с/1 = 2м;с/ь = 0м; ужб = 24,5 кН/м3. Согласно формуле (3), получаем минимальный объем бетона непосредственно под насосным агрегатом Уф = 60,9 м3.
Рассмотрим, как изменится минимальный объем бетона при применении средств виброизоляции. Эффективность виброизоляторов характеризуется коэффициентом передачи силы К. Используя это понятие, получаем, что
Рис. 1. Зависимость минимального объема бетона от коэффициента виброизоляции
ц / _ Цд цК
(6)
Коэффициент виброизоляции каждого виброизолятора зависит от частоты собственных колебаний виброизолятора и от частоты возбуждающей силы. Для распространенных виброизоляторов частота собственных колебаний равна 10 Гц, при частоте вращения ротора 50 Гц (3000 об/мин) получаем К = 24 [8], что, согласно формулам, (3-6) ведет к минимальному объему бетона \/ф = 25,0 м3. Здесь частота собственных колебаний сознательно берется высокой, поскольку у насосных агрегатов также существует трубная обвязка, которая так или иначе соединена со зданием. Следует использовать различные компенсаторы и упругие опоры на подводящих трубопроводах, что увеличивает общую жесткость виброизоляторов.
Если при жестком закреплении агрегата значение динамической нагрузки имеет тот же порядок, что и статическая нагрузка (вес агрегата), то при применении средств виброзащиты динамическая нагрузка уже становится малой по сравнению со статической.
м3
/и 60 50 40 30 20 10 0 1
3,1 10 31 100 316 1000 Коэффициент виброизоляции
Таблица 1
Минимальный объем непосредственно под
Также следует отметить, что существуют более эффективные средства виброизоляционной защиты, которые позволяют еще сильнее уменьшить фундамент под оборудованием с динамическими нагрузками. Авторами исследуются и разрабатываются виброизоляторы с эффектом квазинулевой жесткости [9-11], которые имеют частоту собственных колебаний около 1 Гц. Это позволяет получить коэффициент виброизоляции 2500, и тогда минимальный объем фундамента уменьшится до 23,5 м3. Не говоря уже о том, что при такой частоте собственных колебаний исключается возникновение резонансных колебаний со зданием.
В целом зависимость минимального объема бетона от коэффициента виброизоляции можно увидеть на рис. 1.
Как следует из зависимости на рис. 1, даже применение несильной виброизоляции позволяет значительно уменьшить капиталовложения при изготовлении фундамента под насосным агрегатом.
Произведем аналогичной расчет для других видов грунтов чтобы показать общий эффект от применения средств виброизоляции при проектировании и сооружении фундаментов под насосным агрегатом. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Согласно данным, приведенным в табл. 1, использование распространенных виброизоляторов типа пружинных и резиновых позволяет уменьшить минимальный объем фундамента примерно на 58%, а использование виброизоляторов с эффектом квазинулевой жесткости - на 62%.
С учетом того что с применением средств виброизоляции масса фундамента уже может быть маленькой,
бетона, требуемый для изготовления фундамента насосным агрегатом при различных способах установки
Грунт Жесткое соединение, м3 Пружинные виброизоляторы, м3 Виброизолятор с эффектом квазинулевой жесткости, м3
Суглинок 60,9 25,0 23,5
Глины 41,7 17,1 16,1
Супесь 41,6 17,1 16,0
Мелкий песок 21,1 8,7 8,1
Песок средней крупности 17,0 7,0 6,5
вместо заливки монолитного фундамента можно использовать готовые фундаментные блоки, в частности фундаментные блоки типа ФБС, которые широко применяются в строительстве. Это позволит значительно ускорить сооружение фундамента и в рассматриваемом примере насосного цеха в целом.
В заключение стоит подчеркнуть, что средства виброизоляционной защиты недостаточно хорошо
используются при возведении фундаментов под машинами с динамическими нагрузками, такими как нефтяные насосные агрегаты, компрессоры, большие электродвигатели, вентиляторы. Применение данного подхода позволит еще на стадии проектирования уменьшить глубину, массу фундамента, а также сократить сроки строительства, снизить общие капитальные затраты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
2. Двадцать два отчета академика П.Л. Капицы // Химия и жизнь. 1985. № 3-5.
3. Обрушение здания в Бангладеш // РИА Новости. 06.06.2013. http://ria.ru/trend/Bangladesh_collapse_24042013.
4. РД 34.21.306-96 Методические указания по обследованию динамического состояния строительных конструкций сооружений и фундаментов оборудования энергопредприятий.
5. СП 26.13330.12 Фундаменты машин с динамическими нагрузками. Актуализированная редакция СНиП 2.02.05-87.
6. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.
7. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
8. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удар. - Л.: Политехника, 1990. 272 с.
9. Валеев А.Р., Зотов А.Н. Защита от вибрации и ударов системами с квазинулевой жесткостью. -Уфа: Нефтегазовое дело, 2013.166 с.
10. Валеев А.P.Application of Disk Springs for Manufacturing Vibration Isolators with Quasi-Zero Stiffness /А.Р. Валеев, А.Н. Зотов, Ш.А. Харисов // Chemical and Petroleum Engineering/ Springer New York Consultants Bureau, 2015. T. 51. C. 194-200.
11. Валеев A.P. Моделирование виброизолятора с малой жесткостью для нефтегазоперекачивающего оборудования / А.Р. Валеев, Г.Е. Коробков // Нефтегазовое дело. 2012. Т. 10, № 1. С. 27-30
REDUCTION OF EQUIPMENT DYNAMIC LOAD AT A FOUNDATION DESIGN PHASE OF OIL PUMPING STATIONS
VALEEV A.R., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof, of Department of Transport and Storage of Oil and Gas TASHBULATOV R.R., Post-graduate, Assistant of Department of Transport and Storage of Oil and Gas GALIULLIN M.M., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof, of Department of Mathematics
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The problems of constructing a foundation in the presence of significant dynamic load from the operating equipment are discussed. The methods of reducing vibration of foundations are observed. Disadvantages of creating massive foundations are analyzed. Vibration isolators allow reducing the mass of building foundations and duration of structures in general. Application of vibration Isolators with quasi-zero stiffness in these circumstances is also analyzed. Minimum required amount of concrete for the construction of the foundation for different methods of installation of oil pumping units is calculated as well as for different soils.
Keywords: foundation, vibration, pumping unit, vibration isolator, quasi-zero stiffness REFERENCES
1. SP 22.13330.2011 Osnovaniya zdaniy i sooruzheniy. Aktuaiizirovannaya redaktsiya SNiP 2.02.01-83 [Construction norms and regulations 13330.2011 Foundations of buildings and structures],
2. Twenty two reports of Academician P.L. Kapitsa. Khimiya i zhizn', 1985, no. 3-5. (In Russian).
3. RIA News (2013). Obrusheniye zdaniya vBangladesh (Building collapse in Bangladesh) Available at: http://ria.ru/trend/ Bangladesh_collapse_24042013 (accessed 6 June 2013).
4. RD 34.21.306-96 Metodicheskiye ukazaniya po obsledovaniyu tekhnicheskogo sostoyaniya stroitel'nykh konstruktsiy sooruzheniy i fundamentov oborudovaniya energopredpriyatiy [Methodical instructions on inspection of the dynamic state of building constructions and equipment foundations of electric utilities].
5. SP 26.13330.12 Fundamenty mashin s dinamicheskimi nagruzkami [Construction norms and regulations 26.13330.12 Foundations machines with dynamic load].
6. SP 50.101.2004 Proyektirovaniye i ustroystvo osnovaniyi fundamentov zdaniy i sooruzheniy [Construction norms and regulations 50.101.2004 Design and installation of bases and foundations of buildings and structures],
7. SP 20.13330.2011 Nagruzki i vozdeystviya [Construction norms and regulations 20.13330.2011 Loads and effects],
8. Panovko, Y.G. Osnovy prikladnoy teorii kolebaniy i udara [Basics of the applicable theory of vibration and shock], Leningrad, Politekhnika Publ., 1990, 272 p.
9. Valeev, A. R., Zotov, A. N. (2013) Zashchita ot vibratsil i udarov sistemami s kvazinulevoyzhestkost'yu [Protection from shock and vibration by systems with a quasi-zero stiffness]. Ufa, Neftegazovoye delo Publ., 2013,166 p.
10. Valeev, A.R., Zotov ,A. N., Kharisov Sh. A. Application of disk springs for manufacturing vibration isolators with quasi-zero stiffness. ChemiceJ and Petroleum Engineering, 2015, vol. 51, pp. 194-200.
11. Valeev, A.R., Korobkov, G. Ye. Modeling of vibration isolator with low rigidity for oil and gas pumping equipment. Neftegazovoye delo, 2012, vol. 10, no. 1, pp. 27-30. (In Russian).
