基于ANSYS 的移動式泥漿罐設計

廉曉龍，周 波，秦宗川，孫 楠，黃 磊

（合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

海洋經濟已經成為世界經濟發展新的增長點[1]，“海洋強國”戰略目標的提出，促使中國海洋石油集團有限公司進一步增強了海洋石油勘探開發的力度，近年來，渤海、南海石油開發的規模空前[2]。泥漿工廠是海洋鉆完井工程極其重要的配套設施，移動式泥漿罐作為泥漿工廠的重要組成設備，其通用性、可靠性和機動性關系到整個泥漿工廠的運行。為此，設計了一種便于運輸、占地面積小、使用方便、結構合理可靠的移動式泥漿罐。

1 結構設計

移動式泥漿罐用于室外常溫常壓環境，用以儲存鉆井泥漿（泥漿密度不超過2.8 kg/m3），外形輪廓尺寸為40 英尺標準集裝箱（12.192 m×2.438 m×2.591 m），使用材料為Q345b 合金鋼。

1.1 設計思路

移動式泥漿罐具有存儲、攪拌的功能，整體結構滿足快速移運的要求。泥漿罐整體輪廓采用槽鋼與方管作為框架，尺寸為標準40 英尺集裝箱大小。進出管匯集成在前端，進液管匯延伸至罐頂，上進下出，有利于液體循環，且當將多個泥漿罐平鋪時管線容易連接，有利于罐區建設；在罐體的后端設置外豎梯及人孔，罐頂中部設置頂人孔及內豎梯，方便人員上下及內部檢修；罐頂等間距設置3 個攪拌器及3 個觀察口，有利于觀察攪拌器運行情況；罐頂集成超聲波液位計及電控設備；罐頂同時設置可拆卸走道及護欄插孔，可與其他泥漿罐組合形成罐區。

1.2 具體設計

（1）泥漿罐罐體。移動式泥漿罐外形結構滿足GB/T 1413—2008 中規定的1AA 標準40 英尺集裝箱要求，下框架采用采用28a 及20a 槽鋼配合焊接結構，上框架為140 mm×80 mm 方管，罐底板為12 mm 鋼板，罐壁板及罐頂板為8 mm 鋼板。罐體上下4 個角分別設8 個角件，角件滿足GB/T 1835—2006 要求，罐體下框架前后兩端各設置兩個叉車孔，便于吊裝及移運。

（2）泥漿罐罐底。罐底采用斜船型設計，利用底部槽鋼位置相錯，底板由人孔端到管匯端形成1∶150 的傾斜，同時在寬度方向兩側向中間設置3∶100 的傾斜坡度[3]，整體形成斜船型結構，便于流體向管匯端自由聚集。在管匯端位置底板設置橢圓形封頭作為沉井，出液管匯端口插入沉井中，管口距離沉井最低點30 mm，便于出液管匯抽吸。同時，在沉井最低點相切設置排污管匯。

（3）泥漿罐罐頂。泥漿罐罐頂均布著3 個攪拌器及觀察口，并在罐頂長度方向中間部位（寬度方向一側）設置一方形人孔，內設一罐內豎梯及液位尺。在罐頂靠管匯端一角設超聲波液位計，監測罐內液位。罐頂1/3 處設置攪拌器電控箱支架，并在合適位置設置清洗噴槍的預留接口。

（4）泥漿罐兩端。泥漿罐前端為管匯端，分別設置DN200 的出液管匯及關斷閥門、DN150 的進液管匯及關斷閥門。其中，DN150 進液管匯伸到罐頂并延伸至泥漿罐后端，沿程管線分別在罐頂3 個攪拌器位置設置3 個出口，便于液體的均勻進罐且有利于攪拌。泥漿罐后端設置外豎梯及檢修人孔，人孔規格滿足HG/T 21516—2014 的要求。

2 基于ANSYS 的泥漿罐結構強度分析

利用ANSYS 中梁（BEAM188）與殼（SHELL181）單元對整體結構進行建模及強度計算，建立移動式泥漿罐的幾何模型并劃分結構化網格如圖1 所示。網格節點數43 328，單元數38 704。

2.1 計算工況分析

圖1 移動式泥漿罐建模及網格示意

（1）移動式泥漿罐主要用來儲存配置好的鉆井液，在單罐滿載的情況下，內部介質對罐體內壁存在液柱靜壓力作用。液柱靜壓采用式（1）計算。

式中ρ——介質密度，此處取2.5×103kg/m3

g——重力加速度，m/s2

h——滿載情況下介質在重力方向上的高度，m

（2）考慮在使用過程中，可能出現兩個滿載的相同泥漿罐疊放的極端工況，因此底部泥漿罐在滿載的情況下還要承受上部相同尺寸的滿載泥漿罐的自重。將上部滿載泥漿罐的自重等效為加載在下部泥漿罐頂結構的均布壓力。其中，W 為滿載泥漿槽自重，W=168 782×9.81=1 655 752 N；L 為儲存罐頂部方管的長度，L=29.18 m。因此Pg=56.8 N/mm。

（3）移動式泥漿罐罐體材質為Q345b 低合金鋼，使用時放置于地面，對結構底部設置位移約束[4]。

2.2 應力分析

基于上述載荷和邊界條件，經過計算，儲存罐罐面結構的Mises 應力最大值出現在側端面底部，最大值為185.83 MPa；儲存罐主鋼結構最大彎曲應力與最大組合應力出現在側面加強槽鋼底部，分別為254.62 MPa 與265.08 MPa（圖2～圖4）。

圖2 移動式泥漿罐罐面結構Mises 應力云圖

圖3 移動式泥漿罐主鋼結構彎曲應力云圖

圖4 移動式泥漿罐主鋼結構組合應力云圖

2.3 結構強度分析

（1）儲存罐結構所用材料均為Q345b，根據GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》，Q345 的屈服強度Rel最小值為345 MPa，則儲存罐管壁結構對應的安全系數n 為1.86，滿足要求。

（2）UC 值是美國ANSI/AISC《鋼結構設計手冊》針對鋼結構物體承受壓縮彎曲等多種組合載荷聯合作用時所采用的綜合機械強度性能的度量指標。

美國國家標準學會《鋼結構設計手冊》中，充分考慮到實際鋼結構物體常常承受拉壓彎扭剪等多種形式載荷的聯合作用，其構件的內應力是一個綜合折算后的當量最大應力。為此提出了Maximum Component Unity Check 的概念（即UC 值），并用之來評價構件單元的綜合強度性能。對于UC 值小于1.0 的構件，ANSI/AISC 認為構件綜合強度滿足要求，視為合格的單元；對于UC 值大于1.0 的構件，則認為綜合強度不夠。設計者應對初始設計進行調整和修改，直到使得構件的UC 值小于1.0，滿足綜合強度要求。

儲存罐主體鋼結構在承載能力和穩定性分析中，UC 值主要由式（2）～（4）計算：

式中Fa——只有軸向力存在時允許的軸向壓應力，MPa

Fb——只有彎矩存在時允許的彎曲應力，MPa

fa——計算點的軸向壓應力，MPa

fb——計算點的彎曲應力，MPa

Cm——折算系數，對于節點有（側向）位移的框架中的受力構件，取0.85

F′e——除以安全系數的歐拉應力，MPa

其中，F′e=12π2E/[23（klb/rb）2]，lb為彎曲平面內無支撐的實際計算長度，k 為有效長度系數，rb為回轉半徑，x 和y 表示某一應力或設計參數所對應的彎曲軸[5]。

當fa/Fa≤0.15 時，可以用式（4）代替式（2）和式（3）。

在儲存罐的強度和安全性校核中，采用式（4）計算UC 值，根據結構的應力情況，計算得出最大UC 在側支撐梁的底部（與出現最大彎曲應力是同一個位置），其值為0.86（其余各單元的UC 值均小于此值）。該值小于1.0，說明儲存罐主體鋼結構具有足夠的安全性。

3 移動式泥漿罐罐體抗風計算

罐體為40 英尺標準集裝箱尺寸，重18.9 t。罐體長邊比短邊大得多，導致繞長邊傾覆要比繞短邊傾覆更加容易，且長邊所在側面迎風面積最大。取極限狀態進行計算，即風以最大速度垂直吹向長邊所在側面。

3.1 罐體抗傾覆計算

由《風力等級》（GB/T 28591—2012）可知，取風力等級為16級時，對應最大風速為56 m/s。

（1）風載荷作用下罐體傾覆彎矩計算。

根據《港口工程載荷規范》（JTS 144—2010），垂直作用在港口工程結構表面上的風載荷標準值應按式（5）計算。

其中，Wk為垂直于罐體單位面積上的風載荷標準值；μs為風載荷體型系數，由《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），取μs=0.8；μz為風壓高度變化系數，取μz=1.09；w0為基本風壓。

由《港口工程載荷規范》可知，基本風壓w0=v2/1600。取最大風速v=56 m/s，則得到基本風壓w0=1.96 kN/m2。

代入式（5），可以得到風載荷標準值Wk=1.71 kPa。

罐體的迎風面風受力Q=12.192×2.591×Wk=53 990.20 N。考慮結構重要系數取1.1，風載荷分項系數取1.4，可得到風載荷作用于罐體上的傾覆彎矩M1=1.1×1.4×53 990.20×2.591/2=107 714.23 N·m。

（2）罐體自重抗傾彎矩。

罐體18.9 t，自重185 220 N，罐體的抗傾覆彎矩M2=185 220×1.219=225 783.18 N·m。

M1＜M2，所以，即使在16 級超強臺風作用下，罐體不會產生傾覆。

3.2 罐體抗抗滑計算

罐體的迎風面風受力Q=53 990.20 N，罐體自重FN=Mg=185 220 N，由鋼制球形儲罐（GB 12337—2014）查得鋼與混凝土的摩擦因數μ 為0.4，可計算出罐體最大靜摩擦F=μFN=74 088 N。

可知，Q

4 結語

根據海洋鉆井岸基支持泥漿工廠的實際工況，設計一種便于運輸、容量可觀、抗風能力強的移動式泥漿罐，并經過ANSYS結構強度計算及UC 值強度校核，滿足極端苛刻工況下的設計要求，為海洋鉆完井工程提供有力的岸基支持。