重叠式矩形泥浆罐设计

张继伟，周 波，黄 磊，张贵磊，雷 彪，张琳娜

重叠式矩形泥浆罐设计

张继伟1，周 波1，黄 磊1，张贵磊2，雷 彪2，张琳娜1

（1.合肥通用机械研究院，合肥230031；2.中海油田服务股份有限公司 油化事业部，河北 燕郊065201）

设计了一种用于石油钻井液固控系统的重叠式矩形泥浆罐，具有占地面积小、容积大、便于运输的特点，并提出了具体的防腐要求。采用有限元分析方法进行强度和刚度校核，使之能够适用多种工况环境。

矩形泥浆罐；重叠式；船型设计；有限元分析

泥浆罐是石油钻井生产中常用的容器设备，具有配置、储存、循环和处理钻井液的功能，是固控系统中重要的组成部分。采用矩形结构设计的泥浆罐外形尺寸和标准集装箱相同，因此适用于铁路、水路和公路联运过程中的装运，可以实现以箱代库的短期存放，具有良好的通用性和机动性。但矩形泥浆罐（以下简称方罐）在单位占地面积上的容积不如固定式圆形泥浆罐，因此在占地面积有限的情况下，客户提出了直接堆码的重叠式方罐，结合方罐便于转运和圆形泥浆罐容积大且占地小的双重优势，并要求能用于海边及海上平台环境。由于泥浆的密度为（2～3）×103kg／m3，不像常规集装箱可以多层堆码，需要特殊设计，本文针对这一特殊结构的重叠式方罐进行了设计研究。

1 设计参数

2 结构设计

2.1 总体结构

上、下2个方罐结构完全相同，仅在端部配管连接上有所不同，因此上、下方罐可以完全调换，需要时还可以拆成单层摆放。2个方罐直接上下重叠放置，靠角件上的锁扣定位和连接。管汇位于一端，人孔和爬梯位于另一端。上方罐上带有2个搅拌器和1个电控箱，下方罐预留搅拌器和电控箱的安装位置。上方罐带有可拆卸式护栏，便于和其他组重叠式方罐进行走桥连接以形成罐区。2个方罐的泵入、泵出管汇集在下部，上下2层设计，上管为泵入汇管，下管为泵出汇管，便于和其他罐组相连和操作。重叠式矩形泥浆罐结构如图1所示。

图1 重叠式矩形泥浆罐结构

2.2 矩形泥浆罐结构

1） 罐体 单个方罐采用GB／T 1413—2008中规定的1AA标准集装箱外形尺寸，8个角件也按照GB／T 1835—2006规定尺寸。方罐的理论容积61.6 m3，有效容积59 m3。

2） 罐底 罐底座采用船型设计［3］，两侧（长边）向中间有3∶100坡度，在近锥顶位置靠管汇端设置管帽状碟形沉井，泵出管插入沉井50 mm以便于抽吸，排污管也从沉井中接出。

3） 端部 方罐一端下部设排污口1个（DN80）、泵出口1个（DN200），上部设泵入口1个（DN150），泵入口连接罐内连接管，延伸至方罐另一端，与泵出口分布在方罐两端，避免罐内泥浆流动不均匀。方罐另一端设人孔1个（DN600）、垂直人梯1个。方罐顶部近端部1／3的位置设置方形人孔1个（600 mm×500 mm），人孔盖板上设马蹄形排气口2个（DN80），人孔内设垂直爬梯1个和内标尺1个，标尺刻度采用立方米和桶2种计量单位。

4） 罐顶 方罐顶部靠管汇端安装超声波液位计，法兰式（DN80）连接，数据采集到监控室。采用西门子SITRANS Probe LU型一体化液位变送器，可现场观察液位。

3 材料与防腐

3.1 材料

方罐采用碳钢材料制造，按照海洋大气区环境作防腐处理。罐壁和罐顶采用8 mm厚Q235钢板，罐底采用12 mm厚Q235钢板。罐底座四周用28号槽钢，中间纵横交错20号槽钢，罐壁加强立筋用20号槽钢。罐顶框梁由于不承重，采用14号方管制造。每个罐体自重13 832 kg。

3.2 防腐要求

1） 涂装表面处理 表面处理的清洁度不低于ISO 8501-1 Sa2.5（内涂层Sa3），粗糙度为ISO 8503 G（50～80μm，Ry5）；表面盐分含量不超过20～50 mg／m2NaCl；表面尘埃级别在ISO 8502-3的2级以上［4］。

2） 罐体外涂层 富锌底漆（50～75μm）＋环氧云铁中间漆（125～175μm）＋聚氨酯面漆（50～75μm），涂层总厚度200～300μm。

3） 罐体内涂层 纯环氧漆或改性环氧漆（200～300μm）＋纯环氧漆或改性环氧漆（200～300 μm），涂层总厚度400～600μm。

4） 涂层检查 目测外观，要求表面平整均匀，颜色一致，无流挂、漏涂、气泡等现象；对每道涂层的干膜厚度及涂层体系的干膜总厚度进行测量，厚度检查应在涂层实干后进行，检查时根据涂层厚度选择相应的检测仪器；粘结力检查按相应标准、规范进行；用涂层针孔检测仪按照相关标准、规范进行检查，对发现有针孔的地方需要进行修补。

5） 颜色 按照客户要求布局颜色，并在每个罐体标识编号。

4 有限元分析

4.1 模型的建立

由于方罐结构较难采用传统公式计算，因此采用有限元分析方法进行强度、刚度校核。针对服役条件较为苛刻的下罐体进行有限元分析，罐体在长度方向和宽度方向上几何模型与受力状态均为对称分布，因此可以简化建模，取整体的1／4进行分析。罐体划分网格尺寸为8～30 mm，共53 782个网格。有限元简化模型如图2所示。

图2 有限元简化分析模型

4.2 边界与载荷条件

对下罐体在x方向（宽度方向）建立对称边界条件；对下罐体在y方向（长度方向）建立对称边界条件；对下罐体支撑结构的下表面限定自由度，模拟地面对其的支撑作用，对上表面施加压力0.412 5 MPa（上罐体12 m长，2.4 m宽，边缘受力宽度0.16 m，因此面积约为4.6 m2；泥浆密度按照2.5×103kg／m3，设定上罐质量187.5 t，计算压力约为0.412 5 MPa），模拟上罐自重对下罐体的作用。为了模拟泥浆罐在满载服役条件下的受力状态，对下方罐内底面施加0.062 5 MPa的压力，对侧壁施加梯度压力，从0～2 500 mm施加0.0625～0 MPa的梯度压力。如图3所示。

图3 下方罐满载服役过程模拟

4.3 分析结果

在下方罐正常服役过程中，当注入2 500 mm高的泥浆时，罐体上的最大应力出现在底部边缘位置，大小为235 MPa，如图3所示。下方罐1／2剖面在满载服役条件下的模拟结果如图4，最大位移出现在底板上，下沉4.71 mm，图4中 A位置下降1.5 mm。两者的变形量都非常小，在允许变形范围之内。

图4 下方罐满载服役过程模拟结果

5 结语

经过最苛刻工况下的有限元分析，重叠式矩形泥浆罐在强度和刚度上满足设计要求。经过严格的防腐处理，可以在内陆、海边以及海上平台等要求占地面积小的场合作为泥浆储存、转运、循环的容器使用。

［1］ 杨志远，冯定，周魁，等.轻型可搬迁式海洋模块钻修机固控 系 统 研 究 ［J］.石 油 矿 场 机 械，2009，38（11）：65-69.

［2］ GB／T 1413—2008，系列1集装箱分类、尺寸和额定质量［S］.

［3］ 何正杰，何成松，裴志明.钻井液循环罐优化设计浅述［J］.石油矿场机械，2002，31（2）：44-45.

［4］ 李爱贵，韩文礼，王雪莹，等.海洋平台涂层防腐蚀系统设计［J］.石油化工腐蚀与防护，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

张继伟 （1978-），男，河南叶县人，高级工程师，硕士，主要从事石油装备和工业阀门的技术研究与开发工作，E-mail：tyszjw＠163.com。