基于ANSYS 的移動(dòng)式泥漿罐設(shè)計(jì)

廉曉龍，周 波，秦宗川，孫 楠，黃 磊

（合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)[1]，“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，促使中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司進(jìn)一步增強(qiáng)了海洋石油勘探開(kāi)發(fā)的力度，近年來(lái)，渤海、南海石油開(kāi)發(fā)的規(guī)?？涨癧2]。泥漿工廠是海洋鉆完井工程極其重要的配套設(shè)施，移動(dòng)式泥漿罐作為泥漿工廠的重要組成設(shè)備，其通用性、可靠性和機(jī)動(dòng)性關(guān)系到整個(gè)泥漿工廠的運(yùn)行。為此，設(shè)計(jì)了一種便于運(yùn)輸、占地面積小、使用方便、結(jié)構(gòu)合理可靠的移動(dòng)式泥漿罐。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式泥漿罐用于室外常溫常壓環(huán)境，用以?xún)?chǔ)存鉆井泥漿（泥漿密度不超過(guò)2.8 kg/m3），外形輪廓尺寸為40 英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（12.192 m×2.438 m×2.591 m），使用材料為Q345b 合金鋼。

1.1 設(shè)計(jì)思路

移動(dòng)式泥漿罐具有存儲(chǔ)、攪拌的功能，整體結(jié)構(gòu)滿足快速移運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)40 英尺集裝箱大小。進(jìn)出管匯集成在前端，進(jìn)液管匯延伸至罐頂，上進(jìn)下出，有利于液體循環(huán)，且當(dāng)將多個(gè)泥漿罐平鋪時(shí)管線容易連接，有利于罐區(qū)建設(shè)；在罐體的后端設(shè)置外豎梯及人孔，罐頂中部設(shè)置頂人孔及內(nèi)豎梯，方便人員上下及內(nèi)部檢修；罐頂?shù)乳g距設(shè)置3 個(gè)攪拌器及3 個(gè)觀察口，有利于觀察攪拌器運(yùn)行情況；罐頂集成超聲波液位計(jì)及電控設(shè)備；罐頂同時(shí)設(shè)置可拆卸走道及護(hù)欄插孔，可與其他泥漿罐組合形成罐區(qū)。

1.2 具體設(shè)計(jì)

（1）泥漿罐罐體。移動(dòng)式泥漿罐外形結(jié)構(gòu)滿足GB/T 1413—2008 中規(guī)定的1AA 標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，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(gè)角分別設(shè)8 個(gè)角件，角件滿足GB/T 1835—2006 要求，罐體下框架前后兩端各設(shè)置兩個(gè)叉車(chē)孔，便于吊裝及移運(yùn)。

（2）泥漿罐罐底。罐底采用斜船型設(shè)計(jì)，利用底部槽鋼位置相錯(cuò)，底板由人孔端到管匯端形成1∶150 的傾斜，同時(shí)在寬度方向兩側(cè)向中間設(shè)置3∶100 的傾斜坡度[3]，整體形成斜船型結(jié)構(gòu)，便于流體向管匯端自由聚集。在管匯端位置底板設(shè)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(diǎn)30 mm，便于出液管匯抽吸。同時(shí)，在沉井最低點(diǎn)相切設(shè)置排污管匯。

（3）泥漿罐罐頂。泥漿罐罐頂均布著3 個(gè)攪拌器及觀察口，并在罐頂長(zhǎng)度方向中間部位（寬度方向一側(cè)）設(shè)置一方形人孔，內(nèi)設(shè)一罐內(nèi)豎梯及液位尺。在罐頂靠管匯端一角設(shè)超聲波液位計(jì)，監(jiān)測(cè)罐內(nèi)液位。罐頂1/3 處設(shè)置攪拌器電控箱支架，并在合適位置設(shè)置清洗噴槍的預(yù)留接口。

（4）泥漿罐兩端。泥漿罐前端為管匯端，分別設(shè)置DN200 的出液管匯及關(guān)斷閥門(mén)、DN150 的進(jìn)液管匯及關(guān)斷閥門(mén)。其中，DN150 進(jìn)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(gè)攪拌器位置設(shè)置3 個(gè)出口，便于液體的均勻進(jìn)罐且有利于攪拌。泥漿罐后端設(shè)置外豎梯及檢修人孔，人孔規(guī)格滿足HG/T 21516—2014 的要求。

2 基于ANSYS 的泥漿罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

利用ANSYS 中梁（BEAM188）與殼（SHELL181）單元對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及強(qiáng)度計(jì)算，建立移動(dòng)式泥漿罐的幾何模型并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖1 所示。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)43 328，單元數(shù)38 704。

2.1 計(jì)算工況分析

圖1 移動(dòng)式泥漿罐建模及網(wǎng)格示意

（1）移動(dòng)式泥漿罐主要用來(lái)儲(chǔ)存配置好的鉆井液，在單罐滿載的情況下，內(nèi)部介質(zhì)對(duì)罐體內(nèi)壁存在液柱靜壓力作用。液柱靜壓采用式（1）計(jì)算。

式中ρ——介質(zhì)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(zhì)在重力方向上的高度，m

（2）考慮在使用過(guò)程中，可能出現(xiàn)兩個(gè)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(jié)構(gòu)的均布?jí)毫?。其中，W 為滿載泥漿槽自重，W=168 782×9.81=1 655 752 N；L 為儲(chǔ)存罐頂部方管的長(zhǎng)度，L=29.18 m。因此Pg=56.8 N/mm。

（3）移動(dòng)式泥漿罐罐體材質(zhì)為Q345b 低合金鋼，使用時(shí)放置于地面，對(duì)結(jié)構(gòu)底部設(shè)置位移約束[4]。

2.2 應(yīng)力分析

基于上述載荷和邊界條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算，儲(chǔ)存罐罐面結(jié)構(gòu)的Mises 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在側(cè)端面底部，最大值為185.83 MPa；儲(chǔ)存罐主鋼結(jié)構(gòu)最大彎曲應(yīng)力與最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)面加強(qiáng)槽鋼底部，分別為254.62 MPa 與265.08 MPa（圖2～圖4）。

圖2 移動(dòng)式泥漿罐罐面結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力云圖

圖3 移動(dòng)式泥漿罐主鋼結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力云圖

圖4 移動(dòng)式泥漿罐主鋼結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力云圖

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

（1）儲(chǔ)存罐結(jié)構(gòu)所用材料均為Q345b，根據(jù)GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，Q345 的屈服強(qiáng)度Rel最小值為345 MPa，則儲(chǔ)存罐管壁結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)n 為1.86，滿足要求。

（2）UC 值是美國(guó)ANSI/AISC《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)物體承受壓縮彎曲等多種組合載荷聯(lián)合作用時(shí)所采用的綜合機(jī)械強(qiáng)度性能的度量指標(biāo)。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，充分考慮到實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)物體常常承受拉壓彎扭剪等多種形式載荷的聯(lián)合作用，其構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力是一個(gè)綜合折算后的當(dāng)量最大應(yīng)力。為此提出了Maximum Component Unity Check 的概念（即UC 值），并用之來(lái)評(píng)價(jià)構(gòu)件單元的綜合強(qiáng)度性能。對(duì)于UC 值小于1.0 的構(gòu)件，ANSI/AISC 認(rèn)為構(gòu)件綜合強(qiáng)度滿足要求，視為合格的單元；對(duì)于UC 值大于1.0 的構(gòu)件，則認(rèn)為綜合強(qiáng)度不夠。設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和修改，直到使得構(gòu)件的UC 值小于1.0，滿足綜合強(qiáng)度要求。

儲(chǔ)存罐主體鋼結(jié)構(gòu)在承載能力和穩(wěn)定性分析中，UC 值主要由式（2）～（4）計(jì)算：

式中Fa——只有軸向力存在時(shí)允許的軸向壓應(yīng)力，MPa

Fb——只有彎矩存在時(shí)允許的彎曲應(yīng)力，MPa

fa——計(jì)算點(diǎn)的軸向壓應(yīng)力，MPa

fb——計(jì)算點(diǎn)的彎曲應(yīng)力，MPa

Cm——折算系數(shù)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)有（側(cè)向）位移的框架中的受力構(gòu)件，取0.85

F′e——除以安全系數(shù)的歐拉應(yīng)力，MPa

其中，F(xiàn)′e=12π2E/[23（klb/rb）2]，lb為彎曲平面內(nèi)無(wú)支撐的實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度，k 為有效長(zhǎng)度系數(shù)，rb為回轉(zhuǎn)半徑，x 和y 表示某一應(yīng)力或設(shè)計(jì)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的彎曲軸[5]。

當(dāng)fa/Fa≤0.15 時(shí)，可以用式（4）代替式（2）和式（3）。

在儲(chǔ)存罐的強(qiáng)度和安全性校核中，采用式（4）計(jì)算UC 值，根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，計(jì)算得出最大UC 在側(cè)支撐梁的底部（與出現(xiàn)最大彎曲應(yīng)力是同一個(gè)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(shuō)明儲(chǔ)存罐主體鋼結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。

3 移動(dòng)式泥漿罐罐體抗風(fēng)計(jì)算

罐體為40 英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸，重18.9 t。罐體長(zhǎng)邊比短邊大得多，導(dǎo)致繞長(zhǎng)邊傾覆要比繞短邊傾覆更加容易，且長(zhǎng)邊所在側(cè)面迎風(fēng)面積最大。取極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，即風(fēng)以最大速度垂直吹向長(zhǎng)邊所在側(cè)面。

3.1 罐體抗傾覆計(jì)算

由《風(fēng)力等級(jí)》（GB/T 28591—2012）可知，取風(fēng)力等級(jí)為16級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為56 m/s。

（1）風(fēng)載荷作用下罐體傾覆彎矩計(jì)算。

根據(jù)《港口工程載荷規(guī)范》（JTS 144—2010），垂直作用在港口工程結(jié)構(gòu)表面上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式（5）計(jì)算。

其中，Wk為垂直于罐體單位面積上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值；μs為風(fēng)載荷體型系數(shù)，由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），取μs=0.8；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取μz=1.09；w0為基本風(fēng)壓。

由《港口工程載荷規(guī)范》可知，基本風(fēng)壓w0=v2/1600。取最大風(fēng)速v=56 m/s，則得到基本風(fēng)壓w0=1.96 kN/m2。

代入式（5），可以得到風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值Wk=1.71 kPa。

罐體的迎風(fēng)面風(fēng)受力Q=12.192×2.591×Wk=53 990.20 N?？紤]結(jié)構(gòu)重要系數(shù)取1.1，風(fēng)載荷分項(xiàng)系數(shù)取1.4，可得到風(fēng)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(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，罐體不會(huì)產(chǎn)生傾覆。

3.2 罐體抗抗滑計(jì)算

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

可知，Q

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)海洋鉆井岸基支持泥漿工廠的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)一種便于運(yùn)輸、容量可觀、抗風(fēng)能力強(qiáng)的移動(dòng)式泥漿罐，并經(jīng)過(guò)ANSYS結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及UC 值強(qiáng)度校核，滿足極端苛刻工況下的設(shè)計(jì)要求，為海洋鉆完井工程提供有力的岸基支持。