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工程师中级职称论文

小型石油化工设备基础

北京XX化工技术有限公司 土建室XX

摘要：

随着石油化工装置的大型化，设备尺寸及设备荷载加大，大多数石化项目都建设于地基条件较差的的设计。本计算中，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"进行地震计算较为合理，而且，计算地震作用时，地震系数一般采用即可，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》（GB50009-2001）的原则和规定，对《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）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，采用茂名64万吨/年裂解汽油加氢装置改造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，同样采用茂名64万吨/年裂解汽油加氢装置改造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：化工、石化建（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的摩擦系数；

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见下表：

荷载（或作用）元素 正常操作 充水

试验 安装 检修 地震 撞击 无风 有风 永久荷载 有 有 有 有 有 有 有 楼面操作活荷载 有 有 有 有 楼面安装、检修活荷载 有 有 有 积灰荷载 有 有 有 有 有 有 有 雪荷载和屋面活

荷载之大值 有 有 有 有 有 有 有 设备内操作重 有 有 有 有 设备内充水试验重 有 吊车荷载 有 有 有 有 卧式换热器抽芯力 有 风荷载 有 有 有 有 有

有 撞击力 有 温度作用 有 有 有 有 地震作用 有 注：爆炸状态按专门规定设计。

b．永久荷载与可变荷载的分项系数、见下表：

序号 永久荷载或可变荷载 分项系数 1 设备自重、保温重、衬里重 1.2 2 设备操作介质重（包括催化剂

重） 1.2 3 设备充水重 1.1 4 管线自重、保温重、衬里重 1.2 5 管线操作介质重 1.2 6 管线充水重 1.1 7 结

构自重 1.2 8 操作平台、斜（直）梯 1.2 9 催化剂波动引起的水平振动力 1.2 10 空冷风机和电机等动力设

备的竖向当量静荷载 1.2 11 空冷风机和电机等动力设备的水平当量静荷载 1.2 12 卧式换热器、卧式设备

温度产生的摩擦力或弹性力 1.2 13 卧式设备的抽芯力 1.1 14 管线水平力 1.3 15 池类结构壁内水压力

1.2 16 池类结构壁外水压力 1.2 17 土压力 1 18 操作平台及地面活荷载 >4kN/m2 1.3 <4kN/m2

1.4 19 楼面检修荷载 1.3 20 风荷载、雪荷载、吊车荷载 1.4 21 水平地震作用 1.3 22 竖向地震作用 仅考虑竖向地震作用 1.3 同时考虑水平地震作用和竖向地震作用 0.5 23 温度作用 1.2 注：1 永久荷载

的分项系数，当其效应对结构有利时取1.0；在验算倾覆和漂移时，对抗倾覆和滑移有利时可取0.9。

c．可变荷载的组合值系数，可按下表采用

状态 0.6 0.7 0.7 4 停产检修状态 0.6 0.7 0.7 5 地震作用或撞击状态 0.2或0 0.5 0.7 注：1 ，分别为风荷载、活荷载（正常操作或安装、检修活荷载）的组合值系数，为除以上荷载以外的可变荷载的组合值系数。 2 塔型设备在充水试压状态，基本风压值可取0.15kN/m2，其他按有关规范。

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 GB50011-2001 石油化工塔型设备基础设计规范 SH3030-1997 建筑结构荷载规范 GB50009-2001

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 GB50011-2001

建筑结构荷载规范 GB50009-2001

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

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：

本文从塔型设备和卧式设备的基础计算，说明了石油化工方面小型设备基础的计算，现实中，还存在一

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。