结构设计设备布置注意问题探讨

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摘要：在工业设计中，各种设备的布置在厂区内、装置区内都有其各自的规定和要求，设备布置的流畅性，直接关系到工艺流程的连贯性，消防布置的合规性，结构基础方案选择的合理性以及安全生产的可操作性，综合其在设计中的全面考虑，论述了结构设计中应注意的问题，以供参考。

关键词：工业设计；设备布置；结构设计；原则

在化工企业的设计中，各式各样的设备布置在厂区及装置区内，有高塔、机泵、罐、反应器、换热器、卧式容器、压缩机等，这些设备的布置都有其自身的特殊性，每种设备在厂区内、装置区内的布置都应符合各自规范、标准的规定和要求，同时还应考虑与其相连的各种管道（液体管道和压力管道等）的设计要求，并充分满足工艺流程的相关需求，这样才能作出合理、安全、规范、经济的设计。本文对工业设计的设备布置中遇到的结构问题进行分析，以提高设备布置的结构方案的优化。

1设备布置与工艺专业的联系

工艺流程是设备布置的源头，工艺专业的PID图、物料平衡图、工艺流程图、工艺系统图、设备布置图是工业设计的精髓，各种设备的布置要求、布置形式，相邻设备之间的相互关联，相关设备的安装标高、预留的检修空间，以及物料之间的相互反应直接影响着设备布置的方案，在进行设备布置时应充分了解工艺专业的流程，并与其它相关专业进行沟通，在满足规范要求的前提下，做到业主满意。

2设备布置的原则

1）设备布置应满足工艺流程的需求，并应满足整个厂区、装置区内的水平布置和竖向布置的连续性、流畅性，将同一类设备如高塔、罐体等尽量集中布置在同一个区域内，使空间得到充分利用。2）通常把空冷器、高位槽布置在框架的顶层，重量较大的槽罐设备以及振动较大的设备（如压缩机、真空泵等）布置在框架的底层，与其他生产部分隔开，主要设备布置在中间层（如反应器），这样布置既可以利用位差进出物料，又可以降低建构筑物的高度，减少楼面荷载及振动，使成本得到控制。3）设备布置形式可以采取敞开式布置、半敞开式布置或封闭式布置，且应考虑场地及当地自然条件的影响。风沙较大的地区，不宜敞开布置；冬季气温较低的地区，也不宜敞开布置。4）设备布置时，与其相连的压力管道和热膨胀管道在布置时应考虑动力系数及热应力的影响，充分利用工艺专业的应力计算分析和管道安装的相关要求，及时调整设备布置方案，保证整个体系的正常运转。

3设备布置在结构设计中应注意的问题

3．1塔的布置

塔是工业生产中最重要的设备之一，塔的布置方式有单排布置、多排布置和构架式布置，从而确定了塔基础的布置形式，独立式基础、联合式基础、大厚板框架式塔基础等。塔基础的设计是塔设备的重中之重，并决定了塔与塔之间的间距以及与其相关联的设备布置。

3．1．1塔基础的设计敞开放置的高塔设备，由于形体较高，受风荷载的影响，在高塔的表面形成了吸力或者压力，并在横风向和顺风向这两个方向上产生振动。一种是横风向的风诱导振动，一种是顺风向的常规设计振动。其中横风向是振动方向与风的流向垂直，顺风向是振动方向与风的流向一致。因此，塔基础设计的总荷载中，风荷载占据着很大的比重。除水平地震作用外，主要的侧向荷载由风荷载产生。对于高塔基础，规范涉及的上部钢设备的自振周期对于风荷载计算公式里的风振系数的取值和结构自振周期密切相关，其取值的高、低会造成成倍的差异，这就是风的动力特性对塔产生的动力效应。因此，设计时要弄清楚塔设备的设计参数，包括塔的壁厚、内、外径及塔身材料的弹性模量，设计压力、工作压力，设计温度、工作温度，物料成分及密度等，因为塔设备几何参数的取值直接决定塔的刚度从而确定塔的自振周期。在设计时，当靠近的两座或多座塔之间的相互影响是不可忽略的，体型系数的取值应当严谨，X方向和Y方向不一样，不能作为独立塔分别计算，而是应该整体考虑。而塔基础的埋深在规范里面没有明确的指引，塔基础的埋深问题，建议参考《高层建筑混凝土技术规程》JGJ3－2010第12．1．8条规定：天然或复合地基取房屋高度的1／15；桩基可取1／18。特别是独立高塔基础，执行这个规定更安全些，对抗滑移抗倾覆更有利。

3．1．2塔布置的要求塔与管廊之间应当至少留有宽度为1．8m的安装检修通道，管廊柱中心与塔设备外壁的距离不应小于3m，管廊柱基础与塔基础的净间距应大于300mm，塔安装的设计要满足操作和检修的要求，基础露出地面高度，最小要高出地面200mm。

3．2泵的布置

在工业厂区内机泵的布置比比皆是，有露天布置、半露天布置和封闭的室内布置，并将泵布置成单排、双排或多排，有时亦将泵布置在管廊下面，节省用地。

3．2．1泵基础的设计泵基础设计时基础质量应大于机泵质量的3～5倍，泵的基组总重心与基础底面形心应当位于同一铅垂线上，其相对偏心不应超过3％，且基础底面平均静压力设计值应小于等于0．5～0．7倍的地基承载力设计值。泵布置时应考虑操作条件、物料特性和其物料类别的防火要求分组布置，并按照泵出口中心线或泵端基础边为基准对齐布置。

3．2．2泵布置的要求当泵成排布置在管廊下时，泵出口中心线或泵端基础边对齐线宜与管廊平行；双排布置泵时，应将泵的驱动力端相对，中间留出检修通道，通道最小净宽2m，最小净高3．2m，泵端前面的操作通道和四周与墙的间距应大于1m。大型泵检修时需要叉车走动时，应当留出叉车通道，通道应满足叉车的最小宽度要求。泵的操作温度等于或高于物料自燃点时，宜集中布置；与操作温度低于自燃点的可燃液体泵之间防火间距应不小于4．5m；与液体烃泵之间防火间距应不小于7．5m；当泵布置在厂区主管廊下方或框架下方时，其上方应留出泵体吊装、安装和检修时所需的空间；除了放置在联合基础上的小型泵外，两台泵之间的净距宜大于0．7m，泵基础面宜高出地面200mm，且不得小于100mm。

3．3压缩机的布置

压缩机的基础属于动力机器基础，设计时应合理的选择有关的动力参数和基础形式，布置时应根据工艺流程的需求，选择符合要求的结构形式。

3．3．1压缩机基础的设计在设计压缩机基础时，应当确定好压缩机自重及其重心位置，以及压缩机产生的扰力和扰力距方向。进行荷载取值时，静力计算采用设计值，动力计算选用标准值。当进行动力计算时，基础的振动应能同时控制基础顶面的最大振动线位移和最大振动速度，还应保证压缩机及其基础整体在通过其重心竖向各扰力的作用下，其竖向振动线位移和固有圆频率符合相应的规范要求。当多台同类型压缩机置于同一底板基础上，构成联合基础，可将联合基础做为刚性基础进行动力计算。当压缩机基础的质量大于压缩机质量的5倍时，基础底面的平均静压力设计值小于地基承力设计值的1．2倍时，可不做动力计算。

3．3．2压缩机布置的要求压缩机基础设计时应与建筑物的基础、上部结构以及混凝土地面分开。其管道与机器连接产生振动时，管道与建筑物相接处应采用隔震措施。基础采用钢筋混凝土结构，顶板的厚度不宜小于150mm，顶板的悬臂长度不宜大于2m；底板厚度不宜小于600mm，底板的悬臂长度，在竖向振动时，不宜大于2．5倍的板厚，水平振动时，不宜大于3倍的板厚。

3．4换热器的布置

3．4．1换热器基础的设计换热器基础通常由两个支礅（固定礅、滑动礅）及底板构成，当固定礅和滑动礅相距较远，底板承受的水平力及力矩较小时，可采用分离式基础；当固定礅和滑动礅相距较近，底板承受的水平力及力矩较大时，可采用整体式基础。换热器基础计算时，应考虑水平地震作用的影响，基础支礅应按偏心受压构件计算与配筋。基础连梁内力计算应按偏拉或者偏压进行计算。

3．4．2换热器布置的要求成组布置的换热器设备，宜将换热器支礅基础中心线对齐，当支礅基础中心间距不相同时，宜取一端支礅基础中心线对齐，避免造成偏心。为了与管道连接方便，地面上放置的换热器亦可采用管程进出口管嘴中心线对齐的方式布置；换热器之间、换热器与其他相邻设备之间的净距宜大于0．7m。

3．5罐的布置

3．5．1罐基础的设计罐基础设计时，可不考虑竖向地震作用，水平地震作用按单质点单自由度体系进行计算，荷载取值按照基本组合选取。当地基承载力标准值不小于200kPa，压缩层范围内无软弱层时可不做地基变形计算。地震作用下，环形基础底面与地基土之间零应力区面积不应大于基底面积的1／4。多边形或环形基础可按基底均布荷载作用下的倒置圆弧形连续梁进行计算，梁上荷载即地基净反力，基础柱礅承载力应按偏心受压构件计算。

3．5．2罐布置的要求罐基础布置时，基础埋深不宜小于1．5m，基础柱礅截面中心应与球罐支柱中心重合。当采用环形基础时，底板边缘厚度不得小于250mm，悬挑长度与根部厚度之比应不大于2．5。

3．6卧式容器的布置

3．6．1卧式容器基础的设计卧式容器多集中布置，在地面上时多做成联合基础；容器若放置在框架上，应将基础布置在梁上，使荷载直接由次梁传给主梁，主梁传给框架柱，荷载传递路线要明确。在基础的支礅上，容器的滑动侧和固定侧应按有利于容器上所连接的主要管线的柔性计算来确定荷载的取值，在布置时工艺专业要向结构专业明确滑动支礅和固定支礅。

3．6．2卧式容器布置的要求多台卧式容器按排集中布置时，可按容器支礅中心线或者容器封头顶端对齐的方式布置，这样基础中心线也可对齐，避免基础偏心受力。卧式容器若置于框架上，应有一定的安装高度，并保证操作和检测仪表所需的足够空间；卧式容器底部排液管线的最低点与地面或平台的最小距离为150mm。支承单个卧式容器的框架，柱与柱之间的中心距离应当比容器的直径至少大0．8m；容器下方需通行时，其最小净空高度为2．2m。

4结语

工业设计中，针对不同的设备，在做平面布置的同时，还应推敲结构基础的设计，除了参考行业的规范标准，还应借鉴一些成熟的、好的工程经验，不断地优化设备布置方案，优化结构方案，使工程设计保证良好的品质，更好地服务于项目本身。

参考文献

［1］HG／T20643－2012化工设备基础设计规定［S］

［2］HG／T20546－2009化工装置设备布置设计规定［S］

作者：杨蕾 单位：唐山三友化工工程设计有限公司