摘要：設(shè)計了一種用于海洋鉆井岸基支持泥漿工廠的磷酸液位計，罐體尺寸為標(biāo)準(zhǔn)40英尺集裝箱，便于運(yùn)輸，且容量大、抗風(fēng)能力強(qiáng)。基于ＡＮＳＹＳ對罐體進(jìn)行強(qiáng)度計算，利用ＵＣ值進(jìn)行強(qiáng)度校核，使其滿足現(xiàn)場*苛刻工況下的使用條件。
引言
海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為**經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，促使中國海洋石油集團(tuán)有限公司進(jìn)一步增強(qiáng)了海洋石油勘探開發(fā)的力度，近年來，渤海、南海石油開發(fā)的規(guī)?？涨啊Ｄ酀{工廠是海洋鉆完井工程*其重要的配套設(shè)施，磷酸液位計作為泥漿工廠的重要組成設(shè)備，其通用性、可靠性和機(jī)動性關(guān)系到整個泥漿工廠的運(yùn)行。為此，設(shè)計了一種便于運(yùn)輸、占地面積小、使用方便、結(jié)構(gòu)合理可靠的磷酸液位計。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
磷酸液位計用于室外常溫常壓環(huán)境，用以儲存鉆井泥漿（泥槳密度不超過2.8ｋｇ／ｍ3），外形輪廓尺寸為40英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（12.192ｍｘ2.438ｍｘ2.591ｍ），使用材料為Ｑ345ｂ合金鋼。
1.1設(shè)計思路
磷酸液位計具有存儲、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)將多個泥漿罐平鋪時管線容易連接，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個攪拌器及3個觀察口，有利于觀察攪拌器運(yùn)行情況；罐頂集成超聲波液位計及電控設(shè)備；罐頂同時設(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
（1）泥漿罐罐體。磷酸液位計外形結(jié)構(gòu)滿足ＧＢ／Ｔ1413-2008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140ｍｍｘ80ｍｍ方管，罐底板為12ｍｍ鋼板，罐壁板及罐頂板為8ｍｍ鋼板。罐體上下4個角分別設(shè)8個角件，角件滿足ＧＢ／Ｔ1835-2006要求，罐體下框架前后兩端各設(shè)置兩個叉車7Ｌ，便于吊裝及移運(yùn)。
（2）泥漿罐罐底。罐底采用斜船型設(shè)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(cè)向中間設(shè)置3：100的傾斜坡度整體形成斜船型結(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，出液管匯端口插人沉井中，管口距離沉井*低點30ｍｍ，便于出液管匯抽吸。同時，在沉井*低點相切設(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(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，監(jiān)測罐內(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、ＤＮ150的進(jìn)液管匯及關(guān)斷閥門。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個攪拌器位置設(shè)置3個出口，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／Ｔ21516-2014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）單元對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及強(qiáng)度計算，建立磷酸液位計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)點數(shù)43328，單元數(shù)38704。

2.1計算工況分析
（1）磷酸液位計主要用來儲存配置好的鉆井液，在單罐滿載的情況下，內(nèi)部介質(zhì)對罐體內(nèi)壁存在液柱靜壓力作用。液柱靜壓采用式（1）計算。

（2）考慮在使用過程中，可能出現(xiàn)兩個滿載的相同泥漿罐疊放的*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)的均布壓力其中，見為滿載泥漿槽自重，識＝168782ｘ9.81＝1655752為儲存罐頂部方管的長度乂＝29.丨8111。因此／＾56.8犯11？。
（3）磷酸液位計罐體材質(zhì)為Ｑ345ｂ低合金鋼，使用時放置于地面，對結(jié)構(gòu)底部設(shè)置位移約束141。2.2應(yīng)力分析基于上述載荷和邊界條件，經(jīng)過計算，儲存罐罐面結(jié)構(gòu)的Ｍｉｓｅｓ應(yīng)力*大值出現(xiàn)在側(cè)端面底部，*大值為185.83ＭＰａ；儲存罐主鋼結(jié)構(gòu)*大彎曲應(yīng)力與*大組合應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)面加強(qiáng)槽鋼底部，分別為254.62ＭＰａ與265.08ＭＰａ（圖2￣圖4）。


2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
（1）儲存罐結(jié)構(gòu)所用材料均為Ｑ345ｂ，根據(jù)ＧＢ／Ｔ1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，Ｑ345的屈服強(qiáng)度心*小值為345ＭＰａ，則儲存罐管壁結(jié)構(gòu)對應(yīng)的安全系數(shù)《為1.86，滿足要求。
（2）UＣ值是美國ＡＮＳＩ／ＡＩＳＣ《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》針對鋼結(jié)構(gòu)物體承受壓縮彎曲等多種組合載荷聯(lián)合作用時所采用的綜合機(jī)械強(qiáng)度性能的度量指標(biāo)。
美國**標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中，充分考慮到實際鋼結(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)力是一個綜合折算后的當(dāng)量*大應(yīng)力。為此提出了ＭａｘｉｍｕｍＣｏｍｐｏｎｅｎｔＵｎｉｔｙＣｈｅｃｋ的概念（即值），并用之來評價構(gòu)件單元的綜合強(qiáng)度性能。對于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；對于Ｗ：值大于1.0的構(gòu)件，則認(rèn)為綜合強(qiáng)度不夠。設(shè)計者應(yīng)對初始設(shè)計進(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。儲存罐主體鋼結(jié)構(gòu)在承載能力和穩(wěn)定性分析中，ｔ／Ｃ值主要由式（2）-（4）計算：

當(dāng)Ｆ＜ 0.15時，可以用式（4）代替式（2）和式（3）。
在儲存罐的強(qiáng)度和安全性校核中，采用式（4）計算ｔ／Ｃ值，根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，計算得出*大Ｗ：在側(cè)支撐梁的底部（與出現(xiàn)*大彎曲應(yīng)力是同一個位置），其值為0.86（其余各單元的Ｗ：值均小于此值）。該值小于1.0，說明儲存罐主體鋼結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。
3 磷酸液位計罐體抗風(fēng)計算
罐體為40英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸，重18.9ｔ。罐體長邊比短邊大得多，導(dǎo)致繞長邊傾覆要比繞短邊傾覆更加容易，且長邊所在側(cè)面迎風(fēng)面積*大。取*限狀態(tài)進(jìn)行計算，即風(fēng)以*大速度垂直吹向長邊所在側(cè)面。
3.1 罐體抗傾覆計算由《風(fēng)力等級》（ＧＢ／Ｔ28591-2012）可知，取風(fēng)力等級為16級時，對應(yīng)*大風(fēng)速為56ｍ／ｓ。
（1）風(fēng)載荷作用下罐體傾覆彎矩計算。
根據(jù)《港口工程載荷規(guī)范》（ＪＴＳ144-2010），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；U／4為風(fēng)載荷體型系數(shù)，由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（ＧＢ50009-2012），取u＝0.8；內(nèi)為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取u／4＝1.09；叫為基本風(fēng)壓。
由《港口工程載荷規(guī)范》可知，基本風(fēng)壓W=V2／1600。取*大風(fēng)速V＝56ｍ／ｓ，則得到基本風(fēng)壓ｗ；0＝1.96ｋＮ／ｍ2。
代人式（5），可以得到風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值m/s＝1.71ｋＰａ。罐體的迎風(fēng)面風(fēng)受力Q=12.192ｘ2.591ｘｌＴｋ＝53990.20Ｎ。考慮結(jié)構(gòu)重要系數(shù)取1.1，風(fēng)載荷分項系數(shù)取1.4，可得到風(fēng)載荷作用于罐體上的傾覆彎矩Ｍ，＝1.1ｘ1.4ｘ53990.20ｘ2.591／2＝107714.23Ｎ.ｍ
（2）罐體自重抗傾彎矩。
罐體18.9,自重185 220Ｎ，罐體的抗傾覆彎矩M=185220ｘ1.219＝225783.18 Ｎ.ｍ
Ｍ1＜Ｗ2，所以，即使在16級超強(qiáng)臺風(fēng)作用下，罐體不會產(chǎn)生傾覆。
3.2罐體抗抗滑計算
罐體的迎風(fēng)面風(fēng)受力Q＝53990.20Ｎ，罐體自重FN＝M8＝185 220Ｎ，由鋼制球形儲罐（ＧＢ12337-2014）查得鋼與混凝土的摩擦因數(shù)0為0.4，可計算出罐體*大靜摩擦Ｆ＝uFN＝74088Ｎ?？芍?，Q＜Ｆ，所以在16級超強(qiáng)臺風(fēng)作用下，未加固定的罐體不會產(chǎn)生滑移。
4 結(jié)語
根據(jù)海洋鉆井岸基支持泥漿工廠的實際工況，設(shè)計一種便于運(yùn)輸、容量可觀、抗風(fēng)能力強(qiáng)的磷酸液位計，并經(jīng)過ＡＮＳＹＳ結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算及ｔ／Ｃ值強(qiáng)度校核，滿足*端苛刻工況下的設(shè)計要求，為海洋鉆完井工程提供有力的岸基支持。