浅析设备基础的设计

浅析充装气体厂储槽设备基础
尹友洪
（昆明兰德设计有限公司，昆明 650041）
摘要：本文对液化天然气(LNG)储槽设备基础设计的安全性进行分析，对一些静力设备的基础进行详细的设计。

重点对地震作用进行了分析，采用了一些相关的规范进行了分析。

地震作用均采用底部剪力法，只在基础的荷载取值上有所不同。

在工程设计上，按"建筑抗震设计规范"进行地震计算，计算地震作用时，地震系数一般采用，计算偏于安全。

关键词：液化天然气储槽设备基础设计
Shallow xi reservoir filling gas plant equipment
foundation
Yin Youhong
(kunming kunming rand design co., LTD., 650041) Abstract: in this paper, the liquefied natural gas (LNG) reservoir were analyzed, and the safety of equipment foundation design for some static equipment on the basis of detailed design.Mainly analyzes the seismic action, the some related specification is analyzed.Earthquakes are the bottom shear method is adopted, differ only in basic load values.In engineering design, according to the "building aseismic design code for seismic calculation, to calculate the seismic action, seismic coefficient, commonly used calculation should be safe.
Keywords: liquefied natural gas storage tank equipment foundation design.
0、引言
随着液化天然气(LNG)工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了迅速发展的时期。

在LNG工业链中，LNG储槽是必不可少的重要环节。

在系统阐述储槽设备基础设计的基础上指出设计中应注意的关键问题：随着装置的大型化，设备尺寸及设备荷载加大，大多数项目都建设于地基条件较差的地区，凭粗糙的设计就不能完全确保设计的安全性，需对一些静力设备的基础进行详细的设计。

现根据某气体充装厂房储槽的基础设计上重点对地震作用进行了分析，采用了一些相关的规范进行分析。

地震作用均采用底部剪力法，只在基础的荷载取值上有所不同。

按"建筑抗震设计规范"进行地震计算计算地震作用时，地震系数一般采用，计算偏于安全。

本文分为：一，遵照《建筑结构设计统一标准》（GB50068-2001）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的原则和规定，对《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）应用于化工、石化建（构）筑物时的补充和具体化；二，小型直立式钢储罐罐基础计算，采用保山鑫利制氧有限责任公司整体搬迁项目中的某一设备为例，进行从条件到结果的详细设计计算；三，热交换器基础计算，同样采用保山鑫利制氧有限责任公司整体搬迁项目中的某一设备为例，进行从条件到结果的详细设计计算。

一：建（构）筑物的荷载
本规定主要针对直接作用（荷载）及部分间接作用所作出的规定，尚应由主导专业提出的荷载条件为依据，并以本规定为最小采用值。

1，荷载的分类：作用于建（构）筑物上的荷载，可分为永久荷
载，可变荷载及偶然荷载。

永久荷载主要有下列荷载：建筑结构的永久配件，构件的材料总重；支承在结构上的设备，也包括设备内的操作荷载；支承在结构或设备上的管道空重和管道内介质的重量；支承在结构、设备上或管道上的梯子、平台及悬挂物的重量；电缆桥架、槽板的重量；设备、管道的保温层重量；结构、设备、管道上的防腐、防火材料的重量（防腐材料需考虑块材、耐腐蚀砂浆及混凝土；防火材料需考虑厚涂型和混凝土类保护层）；操作及维修时采用的辅助设施的重量（固定的、非临时性的）；土重、土的竖向压力和侧向压力、预加应力；池类结构内的盛水压力（静水压力）。

可变荷载为在化工、石化建（构）筑物安装、生产和检修期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略不计的荷载。

主要有：楼面活荷载；屋面活荷载；积灰荷载；设备充水试验时设备、管道内的介质荷载，在进行水压实验时，设备及管道内为的全部液体重量，当某构件支承多个容器时，仅考虑一台容器处于充水实验状态，其他容器为空载或正常操作中；吊车荷载；风荷载；雪荷载；地表或地下水的压力（侧压力、浮托力）。

偶然荷载为在化工、石化建（构）筑物安装、生产和检修期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。

如：事故等原因产生的爆炸力、撞击力等。

2．温度作用：为在建（构）筑物正常操作期间，由于大气温度和工艺生产中温度的变化，使结构、设备和管道产生涨缩对结构产生
的作用。

卧式设备（包括卧式换热器）涨缩摩擦力标准值Pt（KN）: Pt=(G+Q)/2*
式中 G-----卧式设备自重标准值(KN);
Q-----正常操作时，卧式设备内物料重量标准值（KN）;
----卧式设备滑动端底板与基础滑动墩顶部钢板之间摩擦系数；
钢板与钢板间取0.3，潮湿地区取0.4；
聚四氟乙烯滑板与聚四氟乙烯板（或钢）间取0.1；
钢板与混凝土支座间取0.4；
当采用其他材质时，需拒实际情况取值。

3．荷载效应及组合：
a．在正常操作、充水试验、安装、检修及地震等状态下采用的荷载组合参照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）执行。

b．永久荷载与可变荷载的分项系数参照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）执行。

在使用通用软件时，如分项系数的值与软件的设置不同时，可改变荷载标准值以采用软件的分项系数。

c．可变荷载的组合值系数参照《建筑结构荷载规范》
（GB50009-2012）执行。

二、小型直立式钢储罐罐基础计算
1．采用标准规范
建筑抗震设计规范 GB50011-2010
石油化工塔型设备基础设计规范 SH3030-1997
建筑结构荷载规范 GB50009-2012
2．设计条件
风荷载：基本风压 W=0.74kN/m
场地条件：Ⅱ类场地，特征周期Tg=0.35s,fa=120kN/m2;
φ600钻孔灌注桩，单桩竖向承载力Ra=1100kN
地震设防：7度，αmax=0.08
设备荷载：空载标准值Gnk=122kN
操作总荷重标准值 Gbk=275kN
充水总荷重标准值 Grk=275kN
3．计算简图：
4．荷载计算：
a．竖向荷载标准值
设备空荷载：Gnk=122kN
设备操作总荷载：Gbk=275kN
基础自重：
=623kN
b．水平荷载标准值：
风荷载：
沿高度作用的风荷载标准值（按石油化工塔型设备基础设计规范SH3030-1997公式）Wk=βzμsμzμr(1+μe)(D0+2δ2)W0 式中μe=0.26 μs=0.6 μr=1.0
基本自振周期：
由于：h2/D<700
故T=0.35+0.85*10-3*h2/D=0.44S
故：βz=1+ξνφz/μz=1.877
W1k=1.94kN/m
对于H=10~13m：μz=1.056
W2k=2.1kN/m
Vwk=W1k*H1+W2k*H2=23.6kN
Mwk=W1k*H12/2+W2k*H2*(H1+H2/2)=143kN.m 作用在基础底面的风荷载：
Mwk'=Mwk+Vwk(T+R)=185.5kN.m
V=23.6kN
地震作用：
按GB50011-2001底部剪力法：
Fek=α1Geq
已知T1=0.44S;Tg=0.35S;取α1=αmax
取Geq=(Gbk+0.5Gjk)
已知设备操作总荷载：Gbk=275kN=G1
基础自重：Gjk=394kN=2G2
F1k=G1H1Feq/ΣGjHj=36.8kN
F2k= G2H2Feq/ΣGjHj=0.96kN
基础底面的地震作用：
Mek=F1k(H1+T+R-0.3)+F2k(H2+T+R-0.3)
=378kN
5．荷载组合（作用于基础底面）
操作+风载：S=CGGBK+CGGjk+ψ(CQQK+CWQk)
Fk=898kN,Mk=Mwk=185.5kN.m,Vk=Vwk=23.6kN 操作+地震：S=CGGBK+CGGjk+CeqFeq
Fk=898kN,Mk=378kN.m,Vk=37.76kN
检修+风：S=CGGRK+CGGjk+ψ(CQQK+CWQk)
Fk=898kN,Mk=Mwk=185.5kN.m,Vk=Vwk=23.6kN 6．地基验算：
天然地基：fa=120kN/m2,A=13.8m2,W=7.26m3
操作+风（计算公式见GB50007-2002）
P=Fk/A=65kN/m2
Pmax=P+Mk/W=91kN/m2
Pmin= P-Mk/W>0
满足要求
操作+地震（计算公式见GB50007-2002）
P=Fk/A=65kN/m2
Pmax=P+Mk/W=117kN/m2
Pmin= P-Mk/W>0
满足要求
检修+风（计算公式见GB50007-2002）
P=Fk/A=65kN/m2
Pmax=P+Mk/W=91kN/m2
Pmin= P-Mk/W>0
满足要求
三、热交换器基础计算
1．采用标准规范
石油化工企业冷换设备和容器基础设计规范 SH-T3058-2005 建筑抗震设计规范 GB50011-2010
建筑结构荷载规范 GB50009-2012
2．设计条件
风荷载：基本风压 W=0.74kN/m,地面粗糙度B类
场地条件：Ⅱ类场地，特征周期Tg=0.35s,fa=120kN/m2;
地震设防：7度，αmax=0.08
设备荷载：空载标准值Gnk=300kN
操作总荷重标准值 GBK=520kN
充水总荷重标准值 GTK=485kN
可拆件重量 F=160kN
材料特性：混凝土：C30 fc=14.3N/m2 Ec=3.00X104 N/m2
钢筋：fy=300 N/m2
3．计算简图：
4．荷载计算：
a．竖向荷载标准值
容器操作荷载标准值：Fek=520kN
容器空荷载标准值：Fnk=275kN
基础自重标准值：
=179.7kN
（基础加土）自重标准值：
=280.1kN
b.水平荷载：
热膨胀摩擦力：
ftk=FekXμ=78kN
温度作用在一个基础上的荷载：
Ftk=78kN
Mtk=Ftk(E+R)=287kN.m
管束抽芯力：
管束抽芯作用于一个基础上的荷载：
Fbk=Gbk=160kN
Mbk=fbk(E+R+y)=736kN.m
Nbk=fbk*y/L=36.8kN
地震作用：
按石油化工钢制设备抗震设计规范（SH3048-1999）计算：
TX(设备轴向自振周期)==0.32S
Ty(设备横向自振周期)==0.096S
式中，meq为操作状态下的等效质量，取设备操作质量的1/2和
1个基础质量的1/4之和。

由于基础的轴向和横向计算周期T/Tg大于0.1和小于1.0，故轴向和横向地震作用值相同。

Fi=（GiHi/ΣGjHj）Fek
Fxk=Fyk=F1k+F2k=28kN
Mxk=Myk=F1k(E+R+y)+F2k(E+R)=123.6kN.m
风荷载：
一，纵向风荷载计算：
Fw1k=μsμzW0A1；μs=1.3；μz=1.0
W0=0.74kN/m2
A1=DR+(φ+0.3X2)(y+φ/2+0.3)
Fw1k=6.24kN
作用在一个基础上的风荷载：
Fw1k/2=3.12kN
Mw1k=0.5{(D+R)(R/2+E)+(φ+0.3X2)(y+φ/2+0.3)[(y+φ
/2+0.3)/2+R+E]}μsμzW0=12.0kN.m
二，横向风荷载计算：
Fw2k=μsμzW0A2；μs=0.7；μz=1.0；W0=0.74kN/m2
A1=（φ+0.3X2）（L+L1+L2+2X0.3)+2XCXR
Fw2k=11.0kN
作用在一个基础上的风荷载：
Fw2k/2=5.5kN
Mw1k=0.5{[(φ
+0.3X2)(y+R+E)](L+L1+L2+2X0.3)+2XRXC(R/2+E)}μsμzW0=24.48kN.m
c.荷载组合：
纵向作用：
操作+温度+风：
FA=FBK/2+Gjk=540.1kN
MA=Mtk+Mw1k=299kN.m
VA=Ftk+Fw1k=81.12kN
操作+温度+地震：
FB=FBK/2+Gjk=540.1kN
MB=Mtk+Mek=410.6kN.m
VB=Ftk+Fek=106kN
检修+抽芯：
Fc=485/2+280=522.5kN
MC=Mbk=736kN.m
VC=Fbk=160kN
横向作用：
操作+地震：
FD=540kN
MD=123.6kN.m
VD=28kN
检修+风：
FE=522.1kN
ME=24.48kN.m
VE=5.5kN
5. 地基承载力核算：
沿纵向：
a．操作+温度+地震：
P=FB/A0=62.5kN/m2
Pmax=P+MB/Wy=141.8
Pmin=P-MB/Wy<0
因为，e=MB/FB>B/6
故Pmax=2FB/(3La)
Pmax=144.2kN/m2
b．检修+抽芯
P=Fc/A=60.4kN/ m2
Pmax=P+Mc/Wy=202kN/ m2 不满足
横向：
a．操作+地震
P=FD/A=62.5kN/m2
Pmax=P+MD/Wx=98.2 kN/m2
6. 稳定性演算：
a．纵向：
M倾=736kN.m
M抗=467X1.8=841kN.m
K=M抗/M倾=1.14<1.6
b．横向：
M倾=123.6kN.m
M抗=540X1.2=648kN.m
K=M抗/M倾=5.24>1.6
结论：
基础的纵向地基强度和稳定性不能满足，建议将两个基础底板纵向连成整体，减小抽芯力的影响。

四，束语：
宗上所述从塔型设备和卧式设备的基础计算，说明了设备基础的计算，现实中，还存在一些其他很多种的设备及结构形式，计算原理大致相同，并参看相关方面的规定。

比如：石油化工离心压缩机工程设计规定（SHT3144-2004），石油化工离心泵基础设计规范
（SHT3057-2007）等等。

另外，各规范对同一意义上的规定可能有所区别，这时，按较大值取。