重疊式矩形泥漿罐設(shè)計(jì)

張繼偉，周 波，黃 磊，張貴磊，雷 彪，張琳娜

重疊式矩形泥漿罐設(shè)計(jì)

張繼偉1，周 波1，黃 磊1，張貴磊2，雷 彪2，張琳娜1

（1.合肥通用機(jī)械研究院，合肥230031；2.中海油田服務(wù)股份有限公司 油化事業(yè)部，河北 燕郊065201）

設(shè)計(jì)了一種用于石油鉆井液固控系統(tǒng)的重疊式矩形泥漿罐，具有占地面積小、容積大、便于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，并提出了具體的防腐要求。采用有限元分析方法進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，使之能夠適用多種工況環(huán)境。

矩形泥漿罐；重疊式；船型設(shè)計(jì)；有限元分析

泥漿罐是石油鉆井生產(chǎn)中常用的容器設(shè)備，具有配置、儲(chǔ)存、循環(huán)和處理鉆井液的功能，是固控系統(tǒng)中重要的組成部分。采用矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的泥漿罐外形尺寸和標(biāo)準(zhǔn)集裝箱相同，因此適用于鐵路、水路和公路聯(lián)運(yùn)過程中的裝運(yùn)，可以實(shí)現(xiàn)以箱代庫(kù)的短期存放，具有良好的通用性和機(jī)動(dòng)性。但矩形泥漿罐（以下簡(jiǎn)稱方罐）在單位占地面積上的容積不如固定式圓形泥漿罐，因此在占地面積有限的情況下，客戶提出了直接堆碼的重疊式方罐，結(jié)合方罐便于轉(zhuǎn)運(yùn)和圓形泥漿罐容積大且占地小的雙重優(yōu)勢(shì)，并要求能用于海邊及海上平臺(tái)環(huán)境。由于泥漿的密度為（2～3）×103kg／m3，不像常規(guī)集裝箱可以多層堆碼，需要特殊設(shè)計(jì)，本文針對(duì)這一特殊結(jié)構(gòu)的重疊式方罐進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

上、下2個(gè)方罐結(jié)構(gòu)完全相同，僅在端部配管連接上有所不同，因此上、下方罐可以完全調(diào)換，需要時(shí)還可以拆成單層擺放。2個(gè)方罐直接上下重疊放置，靠角件上的鎖扣定位和連接。管匯位于一端，人孔和爬梯位于另一端。上方罐上帶有2個(gè)攪拌器和1個(gè)電控箱，下方罐預(yù)留攪拌器和電控箱的安裝位置。上方罐帶有可拆卸式護(hù)欄，便于和其他組重疊式方罐進(jìn)行走橋連接以形成罐區(qū)。2個(gè)方罐的泵入、泵出管匯集在下部，上下2層設(shè)計(jì)，上管為泵入?yún)R管，下管為泵出匯管，便于和其他罐組相連和操作。重疊式矩形泥漿罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 重疊式矩形泥漿罐結(jié)構(gòu)

2.2 矩形泥漿罐結(jié)構(gòu)

1） 罐體 單個(gè)方罐采用GB／T 1413—2008中規(guī)定的1AA標(biāo)準(zhǔn)集裝箱外形尺寸，8個(gè)角件也按照GB／T 1835—2006規(guī)定尺寸。方罐的理論容積61.6 m3，有效容積59 m3。

2） 罐底 罐底座采用船型設(shè)計(jì)［3］，兩側(cè)（長(zhǎng)邊）向中間有3∶100坡度，在近錐頂位置靠管匯端設(shè)置管帽狀碟形沉井，泵出管插入沉井50 mm以便于抽吸，排污管也從沉井中接出。

3） 端部 方罐一端下部設(shè)排污口1個(gè)（DN80）、泵出口1個(gè)（DN200），上部設(shè)泵入口1個(gè)（DN150），泵入口連接罐內(nèi)連接管，延伸至方罐另一端，與泵出口分布在方罐兩端，避免罐內(nèi)泥漿流動(dòng)不均勻。方罐另一端設(shè)人孔1個(gè)（DN600）、垂直人梯1個(gè)。方罐頂部近端部1／3的位置設(shè)置方形人孔1個(gè)（600 mm×500 mm），人孔蓋板上設(shè)馬蹄形排氣口2個(gè)（DN80），人孔內(nèi)設(shè)垂直爬梯1個(gè)和內(nèi)標(biāo)尺1個(gè)，標(biāo)尺刻度采用立方米和桶2種計(jì)量單位。

4） 罐頂 方罐頂部靠管匯端安裝超聲波液位計(jì)，法蘭式（DN80）連接，數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控室。采用西門子SITRANS Probe LU型一體化液位變送器，可現(xiàn)場(chǎng)觀察液位。

3 材料與防腐

3.1 材料

方罐采用碳鋼材料制造，按照海洋大氣區(qū)環(huán)境作防腐處理。罐壁和罐頂采用8 mm厚Q235鋼板，罐底采用12 mm厚Q235鋼板。罐底座四周用28號(hào)槽鋼，中間縱橫交錯(cuò)20號(hào)槽鋼，罐壁加強(qiáng)立筋用20號(hào)槽鋼。罐頂框梁由于不承重，采用14號(hào)方管制造。每個(gè)罐體自重13 832 kg。

3.2 防腐要求

1） 涂裝表面處理 表面處理的清潔度不低于ISO 8501-1 Sa2.5（內(nèi)涂層Sa3），粗糙度為ISO 8503 G（50～80μm，Ry5）；表面鹽分含量不超過20～50 mg／m2NaCl；表面塵埃級(jí)別在ISO 8502-3的2級(jí)以上［4］。

2） 罐體外涂層 富鋅底漆（50～75μm）＋環(huán)氧云鐵中間漆（125～175μm）＋聚氨酯面漆（50～75μm），涂層總厚度200～300μm。

3） 罐體內(nèi)涂層 純環(huán)氧漆或改性環(huán)氧漆（200～300μm）＋純環(huán)氧漆或改性環(huán)氧漆（200～300 μm），涂層總厚度400～600μm。

4） 涂層檢查 目測(cè)外觀，要求表面平整均勻，顏色一致，無流掛、漏涂、氣泡等現(xiàn)象；對(duì)每道涂層的干膜厚度及涂層體系的干膜總厚度進(jìn)行測(cè)量，厚度檢查應(yīng)在涂層實(shí)干后進(jìn)行，檢查時(shí)根據(jù)涂層厚度選擇相應(yīng)的檢測(cè)儀器；粘結(jié)力檢查按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行；用涂層針孔檢測(cè)儀按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)有針孔的地方需要進(jìn)行修補(bǔ)。

5） 顏色 按照客戶要求布局顏色，并在每個(gè)罐體標(biāo)識(shí)編號(hào)。

4 有限元分析

4.1 模型的建立

由于方罐結(jié)構(gòu)較難采用傳統(tǒng)公式計(jì)算，因此采用有限元分析方法進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核。針對(duì)服役條件較為苛刻的下罐體進(jìn)行有限元分析，罐體在長(zhǎng)度方向和寬度方向上幾何模型與受力狀態(tài)均為對(duì)稱分布，因此可以簡(jiǎn)化建模，取整體的1／4進(jìn)行分析。罐體劃分網(wǎng)格尺寸為8～30 mm，共53 782個(gè)網(wǎng)格。有限元簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 有限元簡(jiǎn)化分析模型

4.2 邊界與載荷條件

對(duì)下罐體在x方向（寬度方向）建立對(duì)稱邊界條件；對(duì)下罐體在y方向（長(zhǎng)度方向）建立對(duì)稱邊界條件；對(duì)下罐體支撐結(jié)構(gòu)的下表面限定自由度，模擬地面對(duì)其的支撐作用，對(duì)上表面施加壓力0.412 5 MPa（上罐體12 m長(zhǎng)，2.4 m寬，邊緣受力寬度0.16 m，因此面積約為4.6 m2；泥漿密度按照2.5×103kg／m3，設(shè)定上罐質(zhì)量187.5 t，計(jì)算壓力約為0.412 5 MPa），模擬上罐自重對(duì)下罐體的作用。為了模擬泥漿罐在滿載服役條件下的受力狀態(tài)，對(duì)下方罐內(nèi)底面施加0.062 5 MPa的壓力，對(duì)側(cè)壁施加梯度壓力，從0～2 500 mm施加0.0625～0 MPa的梯度壓力。如圖3所示。

圖3 下方罐滿載服役過程模擬

4.3 分析結(jié)果

在下方罐正常服役過程中，當(dāng)注入2 500 mm高的泥漿時(shí)，罐體上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部邊緣位置，大小為235 MPa，如圖3所示。下方罐1／2剖面在滿載服役條件下的模擬結(jié)果如圖4，最大位移出現(xiàn)在底板上，下沉4.71 mm，圖4中 A位置下降1.5 mm。兩者的變形量都非常小，在允許變形范圍之內(nèi)。

圖4 下方罐滿載服役過程模擬結(jié)果

5 結(jié)語

經(jīng)過最苛刻工況下的有限元分析，重疊式矩形泥漿罐在強(qiáng)度和剛度上滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過嚴(yán)格的防腐處理，可以在內(nèi)陸、海邊以及海上平臺(tái)等要求占地面積小的場(chǎng)合作為泥漿儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、循環(huán)的容器使用。

［1］ 楊志遠(yuǎn)，馮定，周魁，等.輕型可搬遷式海洋模塊鉆修機(jī)固控 系 統(tǒng) 研 究 ［J］.石 油 礦 場(chǎng) 機(jī) 械，2009，38（11）：65-69.

［2］ GB／T 1413—2008，系列1集裝箱分類、尺寸和額定質(zhì)量［S］.

［3］ 何正杰，何成松，裴志明.鉆井液循環(huán)罐優(yōu)化設(shè)計(jì)淺述［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31（2）：44-45.

［4］ 李愛貴，韓文禮，王雪瑩，等.海洋平臺(tái)涂層防腐蝕系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2009，26（1）：48-51.

Design and Study of Overlap Rectangular Mud Tank

ZHANG Ji-wei1，ZHOU Bo1，HUANG Lei1，ZHANG Gui-lei2，LEI Biao2，ZHANG Lin-na1
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2.Oilfield Chemistry Department，China Oilfield Services Limited，Yanjiao 065201，China）

Overlap rectangular mud tank design will be used for oil drilling solid control system.The design has advantages，such as small floor space，large volume and easier transport.The clear requirements for anticorrosion are made and the strength and rigidity are checked by ANSYS software.The design could satisfy the requirements of operation of this equipment in a variety of environments.

rectangular mud tank；overlap type；design of ship-type；ANSYS

TE926

B

1001-3482（2014）03-0069-03

2013-09-25

張繼偉 （1978-），男，河南葉縣人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事石油裝備和工業(yè)閥門的技術(shù)研究與開發(fā)工作，E-mail：tyszjw＠163.com。