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頂裝磁翻板液位計的結構設計與基于ANSYS的泥漿罐結構強度分析
摘要：設計了一種用于海洋鉆井岸基支持泥漿工廠的頂裝磁翻板液位計，罐體尺寸為標準40英尺集裝箱，便于運輸，且容量大、抗風能力強。基于ＡＮＳＹＳ對罐體進行強度計算，利用ＵＣ值進行強度校核，使其滿足現場*苛刻工況下的使用條件。
引言
海洋經濟已經成為**經濟發展新的增長點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。泥漿工廠是海洋鉆完井工程*其重要的配套設施，頂裝磁翻板液位計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、結構合理可靠的頂裝磁翻板液位計。
1 結構設計
頂裝磁翻板液位計用于室外常溫常壓環境，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英尺標準集裝箱（12.192ｍｘ2.438ｍｘ2.591ｍ），使用材料為Ｑ345ｂ合金鋼。
1.1設計思路
頂裝磁翻板液位計具有存儲、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。頂裝磁翻板液位計外形結構滿足ＧＢ／Ｔ1413-2008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8個角件，角件滿足ＧＢ／Ｔ1835-2006要求，罐體下框架前后兩端各設置兩個叉車7Ｌ，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／Ｔ21516-2014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，建立頂裝磁翻板液位計的幾何模型并劃分結構化網格如圖1所示。網格節點數43328，單元數38704。
2.1計算工況分析
（1）頂裝磁翻板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。
（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*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，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）頂裝磁翻板液位計罐體材質為Ｑ345ｂ低合金鋼，使用時放置于地面，對結構底部設置位移約束141。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*大值出現在側端面底部，*大值為185.83ＭＰａ；儲存罐主鋼結構*大彎曲應力與*大組合應力出現在側面加強槽鋼底部，分別為254.62ＭＰａ與265.08ＭＰａ（圖2￣圖4）。
2.3 結構強度分析
（1）儲存罐結構所用材料均為Ｑ345ｂ，根據ＧＢ／Ｔ1591-2008《低合金高強度結構鋼》，Ｑ345的屈服強度心*小值為345ＭＰａ，則儲存罐管壁結構對應的安全系數《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**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*大應力。為此提出了ＭａｘｉｍｕｍＣｏｍｐｏｎｅｎｔＵｎｉｔｙＣｈｅｃｋ的概念（即值），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Ｗ：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，ｔ／Ｃ值主要由式（2）-（4）計算：
當Ｆ＜ 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ｔ／Ｃ值，根據結構的應力情況，計算得出*大Ｗ：在側支撐梁的底部（與出現*大彎曲應力是同一個位置），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構具有足夠的安全性。
3 頂裝磁翻板液位計罐體抗風計算
罐體為40英尺標準集裝箱尺寸，重18.9ｔ。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*大。取*限狀態進行計算，即風以*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／Ｔ28591-2012）可知，取風力等級為16級時，對應*大風速為56ｍ／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》（ＪＴＳ144-2010），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；U／4為風載荷體型系數，由《建筑結構荷載規范》（ＧＢ50009-2012），取u＝0.8；內為風壓高度變化系數，取u／4＝1.09；叫為基本風壓。
由《港口工程載荷規范》可知，基本風壓W=V2／1600。取*大風速V＝56ｍ／ｓ，則得到基本風壓ｗ；0＝1.96ｋＮ／ｍ2。
代人式（5），可以得到風載荷標準值m/s＝1.71ｋＰａ。罐體的迎風面風受力Q=12.192ｘ2.591ｘｌＴｋ＝53990.20Ｎ。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＝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0為0.4，可計算出罐體*大靜摩擦Ｆ＝uFN＝74088Ｎ。可知，Q＜Ｆ，所以在16級超強臺風作用下，未加固定的罐體不會產生滑移。
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、抗風能力強的頂裝磁翻板液位計，并經過ＡＮＳＹＳ結構強度計算及ｔ／Ｃ值強度校核，滿足*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。
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