ZJ50L泥浆固控循环罐的结构设计与分析

赵庆+侯润

摘 要：在实现“十二五”钻井技术发展的道路上，钻井液作为钻井工程的血液，其固控循环系统结构设计的优劣间接影响着钻井速度、钻井安全和经济效益。文章结合泥浆罐结构特性，一改四角方型罐设计，展示所设计ZJ50L钻机泥浆固控船型循环罐，并简析罐板厚度等，为其结构最优化提供依据。

关键词：ZJ50L；泥浆罐；结构设计；板厚简析

在发展现代钻井工艺的道路上，钻井液净化质量直接影响钻井质量和钻井成本，而作为泥浆固相循环控制系统的载体，泥浆固控循环罐同样起着举足轻重的作用。文章简述长城钻探钻井一公司装备服务公司所设计制造的ZJ50L泥浆罐的结构优化，并分析罐板厚度要求等，为进一步运用SolidWorks建模优化、ANSYS有限元分析打下基础。

1 技术参数

泥浆罐有效容积：380m3；泥浆罐数量：8个

泥浆罐外形尺寸：12500mm×3000mm×2500mm。

2 流程与连接设计

为实现泥浆循环、加重、剪切、固液分离及特殊事故等工艺要求，ZJ50L固控系统选用4个罐来承载三联振动筛、真空除气器、除砂除泥一体机、中速及高速离心机5级净化设备。

泥浆泵上水管线与砂泵上水管线，分别通过船型罐体双侧外挂DN300大通径管线来实现。相对过去罐内主线设计，这样方便流程安装、管线清砂，更利于固控循环效果。其余罐内辅线均安有旋升式海底阀，根据钻井现场的要求，闭合开关实现任意仓上水，避免泥浆必须循环每个仓才能到达泥浆泵。

罐与罐之间的泥浆槽、主流程管线、中压泥浆管线、低压清水管线分别采用12"、10"、6"、4"的密封性好、安装迅捷、耐腐蚀性好的锤击由壬连接。

3 结构设计

3.1 主体设计

新型固控循环罐的罐体设计为倒梯形船型结构，在此称船型泥浆罐。采用32#工字钢作为底座主梁，为利于清罐，15°斜铺8mm厚的热轧钢板做底板。为方便整体拖拽与吊装，在罐侧上部设有吊装点，底座两端设有拖装点。罐体侧板为8mm厚的热轧钢板，距底端600mm处向内折15°弯板，组焊成全密闭倒梯形船箱式结构。内部采用14#工字钢间隔800mm加固，以防罐皮变形膨胀。罐顶框的两条纵向方管分别作为中压泥浆管线和低压清水管线，故采用160mm无缝方管焊制。从运输车辆等实际运输条件考虑，罐底座≤2.6m，罐体宽度≤3m，这样便于设备的安装与运输，又减小了设备的占地面积。

图1 ZJ50L船型泥浆固控循环系统

3.2 罐面设计

为了安全可靠，整体美观，罐面主体铺设6mm厚耐腐蚀性好、强度高的腐豆花纹板，避免热带大量雨水进罐，稀释钻井液。在搅拌器纵向安放镀锌钢格网，这样易于观察罐内情况，利于泥浆散热、延长使用寿命、提高安全系数。罐面配备2"清水管线接头。罐面栏杆采用40方管焊成，插接牢固，折叠自如，所有护栏均有保险挂钩。

3.3 辅助设计

整罐安装防砂防雨保温棚。针对泥浆腐蚀性，罐内喷涂环氧富锌底漆、环氧云铁防锈漆和重防腐沥青漆。罐内安放99%纯度锌板，中和泥浆，减小腐蚀性。本罐弃用隐蔽电缆槽，采用外挂电缆槽设计，穿线便捷，检修容易，又利于罐内走线格局，节省电缆。

4 罐板受力简析与厚度初选

过去泥浆罐结构选材通常用经验及类比设计法。但伴随钻井技术与CAD技术的发展，泥浆固控系统的容积不断增大，因此，必须进行应力分析，依据流体力学、材料力学的载荷分布理论、强度理论进行设计，以及CAD技术进行建模仿真、有限元分析，使罐皮具有符合井用要求的弯曲强度与挠度。泥浆罐为钢结构焊接密闭船型罐，罐皮厚远小于罐面尺寸，故看作薄壳类容器。

文章通过初步简明计算，对泥浆罐侧板以《钢制焊接常压容器》中垂直加固型C型容器结构形式进行设计，以选择在安全挠度范围内的最优板厚。

当泥浆罐负载时，泥浆对罐内板产生静压力，而两纵向侧板受弯曲作用最严重，根据“木桶原理”，首要考虑纵向侧板。

4.1 罐板强度计算

已知：ρ泥浆=2.0×10-6kg/mm3；钢板厚度负偏差C1=0.1mm；腐蚀余量C2=0.4mm；罐壁材料：Q235热轧钢板；设计温度下罐壁材料的许用应力[δ]t=145Mpa；设计温度下罐壁材料的弹性模量Et=1.91×105Mpa；加固件材料：Q235型钢；加固件间距L=800mm；罐壁高H=1940mm；

由■=■=2.425，α、β计算（四边简支，三角形载荷）得

α=0.054；β=0.062

计算板厚：

则？啄=？啄w+C1+C2=7.38+0.4+0.1=7.88mm

故取？啄w，n=8mm合适。

4.2 罐板刚度校核

由于罐体高度小于2000mm。按经验可将该罐按C型计算。

罐皮的最大挠度fw，max计算：

罐皮的许用挠度计算：

因为fw，max<[f]，所以侧板刚度满足要求。

在实际预制中，罐皮内设计有加固筋。鉴于篇幅，在此仅提供罐皮厚度初选。泥浆罐底座、罐体、罐顶、拉筋、吊装件等均需要进行刚度和强度校核，通过SolidWorks、ANSYS等CAD软件进行有限元分析。只有经过严格的力学分析校核，才能保证罐体结构的安全性，保证泥浆固控循环系统的正常净化过程。

5 结束语

现场应用表明，ZJ50L泥浆罐的结构设计合理紧凑，占地面积小；减少搬迁车辆数量，省工省力；简化固控流程，减少泥浆损失；最优化罐体强度与刚度，使用安全、操作方便；延长罐体寿命，避免零部件损坏；降低了劳动强度，缩短了安装时间。泥浆罐更人性的设计、更便捷的移动、更优良的净化，对满足现代钻井作业尤为重要，同时提高工作效率，也就是提高了钻井效率，为GWDC进一步完成钻探开发服务打下坚实基础。

参考文献

[1]颜晓军.钻井液循环处理系统优化分析[J].甘肃科技，2012（24）.

[2]赵娜.钻机泥浆固控系统的设计[J].甘肃科技，2008（18）.

[3]胡明一，等.矩形常压液体贮槽的强度刚度设计[J].石油化工设计，2007（4）.endprint

摘 要：在实现“十二五”钻井技术发展的道路上，钻井液作为钻井工程的血液，其固控循环系统结构设计的优劣间接影响着钻井速度、钻井安全和经济效益。文章结合泥浆罐结构特性，一改四角方型罐设计，展示所设计ZJ50L钻机泥浆固控船型循环罐，并简析罐板厚度等，为其结构最优化提供依据。

关键词：ZJ50L；泥浆罐；结构设计；板厚简析

在发展现代钻井工艺的道路上，钻井液净化质量直接影响钻井质量和钻井成本，而作为泥浆固相循环控制系统的载体，泥浆固控循环罐同样起着举足轻重的作用。文章简述长城钻探钻井一公司装备服务公司所设计制造的ZJ50L泥浆罐的结构优化，并分析罐板厚度要求等，为进一步运用SolidWorks建模优化、ANSYS有限元分析打下基础。

1 技术参数

泥浆罐有效容积：380m3；泥浆罐数量：8个

泥浆罐外形尺寸：12500mm×3000mm×2500mm。

2 流程与连接设计

为实现泥浆循环、加重、剪切、固液分离及特殊事故等工艺要求，ZJ50L固控系统选用4个罐来承载三联振动筛、真空除气器、除砂除泥一体机、中速及高速离心机5级净化设备。

泥浆泵上水管线与砂泵上水管线，分别通过船型罐体双侧外挂DN300大通径管线来实现。相对过去罐内主线设计，这样方便流程安装、管线清砂，更利于固控循环效果。其余罐内辅线均安有旋升式海底阀，根据钻井现场的要求，闭合开关实现任意仓上水，避免泥浆必须循环每个仓才能到达泥浆泵。

罐与罐之间的泥浆槽、主流程管线、中压泥浆管线、低压清水管线分别采用12"、10"、6"、4"的密封性好、安装迅捷、耐腐蚀性好的锤击由壬连接。

3 结构设计

3.1 主体设计

新型固控循环罐的罐体设计为倒梯形船型结构，在此称船型泥浆罐。采用32#工字钢作为底座主梁，为利于清罐，15°斜铺8mm厚的热轧钢板做底板。为方便整体拖拽与吊装，在罐侧上部设有吊装点，底座两端设有拖装点。罐体侧板为8mm厚的热轧钢板，距底端600mm处向内折15°弯板，组焊成全密闭倒梯形船箱式结构。内部采用14#工字钢间隔800mm加固，以防罐皮变形膨胀。罐顶框的两条纵向方管分别作为中压泥浆管线和低压清水管线，故采用160mm无缝方管焊制。从运输车辆等实际运输条件考虑，罐底座≤2.6m，罐体宽度≤3m，这样便于设备的安装与运输，又减小了设备的占地面积。

图1 ZJ50L船型泥浆固控循环系统

3.2 罐面设计

为了安全可靠，整体美观，罐面主体铺设6mm厚耐腐蚀性好、强度高的腐豆花纹板，避免热带大量雨水进罐，稀释钻井液。在搅拌器纵向安放镀锌钢格网，这样易于观察罐内情况，利于泥浆散热、延长使用寿命、提高安全系数。罐面配备2"清水管线接头。罐面栏杆采用40方管焊成，插接牢固，折叠自如，所有护栏均有保险挂钩。

3.3 辅助设计

整罐安装防砂防雨保温棚。针对泥浆腐蚀性，罐内喷涂环氧富锌底漆、环氧云铁防锈漆和重防腐沥青漆。罐内安放99%纯度锌板，中和泥浆，减小腐蚀性。本罐弃用隐蔽电缆槽，采用外挂电缆槽设计，穿线便捷，检修容易，又利于罐内走线格局，节省电缆。

4 罐板受力简析与厚度初选

过去泥浆罐结构选材通常用经验及类比设计法。但伴随钻井技术与CAD技术的发展，泥浆固控系统的容积不断增大，因此，必须进行应力分析，依据流体力学、材料力学的载荷分布理论、强度理论进行设计，以及CAD技术进行建模仿真、有限元分析，使罐皮具有符合井用要求的弯曲强度与挠度。泥浆罐为钢结构焊接密闭船型罐，罐皮厚远小于罐面尺寸，故看作薄壳类容器。

文章通过初步简明计算，对泥浆罐侧板以《钢制焊接常压容器》中垂直加固型C型容器结构形式进行设计，以选择在安全挠度范围内的最优板厚。

当泥浆罐负载时，泥浆对罐内板产生静压力，而两纵向侧板受弯曲作用最严重，根据“木桶原理”，首要考虑纵向侧板。

4.1 罐板强度计算

已知：ρ泥浆=2.0×10-6kg/mm3；钢板厚度负偏差C1=0.1mm；腐蚀余量C2=0.4mm；罐壁材料：Q235热轧钢板；设计温度下罐壁材料的许用应力[δ]t=145Mpa；设计温度下罐壁材料的弹性模量Et=1.91×105Mpa；加固件材料：Q235型钢；加固件间距L=800mm；罐壁高H=1940mm；

由■=■=2.425，α、β计算（四边简支，三角形载荷）得

α=0.054；β=0.062

计算板厚：

则？啄=？啄w+C1+C2=7.38+0.4+0.1=7.88mm

故取？啄w，n=8mm合适。

4.2 罐板刚度校核

由于罐体高度小于2000mm。按经验可将该罐按C型计算。

罐皮的最大挠度fw，max计算：

罐皮的许用挠度计算：

因为fw，max<[f]，所以侧板刚度满足要求。

在实际预制中，罐皮内设计有加固筋。鉴于篇幅，在此仅提供罐皮厚度初选。泥浆罐底座、罐体、罐顶、拉筋、吊装件等均需要进行刚度和强度校核，通过SolidWorks、ANSYS等CAD软件进行有限元分析。只有经过严格的力学分析校核，才能保证罐体结构的安全性，保证泥浆固控循环系统的正常净化过程。

5 结束语

现场应用表明，ZJ50L泥浆罐的结构设计合理紧凑，占地面积小；减少搬迁车辆数量，省工省力；简化固控流程，减少泥浆损失；最优化罐体强度与刚度，使用安全、操作方便；延长罐体寿命，避免零部件损坏；降低了劳动强度，缩短了安装时间。泥浆罐更人性的设计、更便捷的移动、更优良的净化，对满足现代钻井作业尤为重要，同时提高工作效率，也就是提高了钻井效率，为GWDC进一步完成钻探开发服务打下坚实基础。

参考文献

[1]颜晓军.钻井液循环处理系统优化分析[J].甘肃科技，2012（24）.

[2]赵娜.钻机泥浆固控系统的设计[J].甘肃科技，2008（18）.

[3]胡明一，等.矩形常压液体贮槽的强度刚度设计[J].石油化工设计，2007（4）.endprint

摘 要：在实现“十二五”钻井技术发展的道路上，钻井液作为钻井工程的血液，其固控循环系统结构设计的优劣间接影响着钻井速度、钻井安全和经济效益。文章结合泥浆罐结构特性，一改四角方型罐设计，展示所设计ZJ50L钻机泥浆固控船型循环罐，并简析罐板厚度等，为其结构最优化提供依据。

关键词：ZJ50L；泥浆罐；结构设计；板厚简析

在发展现代钻井工艺的道路上，钻井液净化质量直接影响钻井质量和钻井成本，而作为泥浆固相循环控制系统的载体，泥浆固控循环罐同样起着举足轻重的作用。文章简述长城钻探钻井一公司装备服务公司所设计制造的ZJ50L泥浆罐的结构优化，并分析罐板厚度要求等，为进一步运用SolidWorks建模优化、ANSYS有限元分析打下基础。

1 技术参数

泥浆罐有效容积：380m3；泥浆罐数量：8个

泥浆罐外形尺寸：12500mm×3000mm×2500mm。

2 流程与连接设计

为实现泥浆循环、加重、剪切、固液分离及特殊事故等工艺要求，ZJ50L固控系统选用4个罐来承载三联振动筛、真空除气器、除砂除泥一体机、中速及高速离心机5级净化设备。

泥浆泵上水管线与砂泵上水管线，分别通过船型罐体双侧外挂DN300大通径管线来实现。相对过去罐内主线设计，这样方便流程安装、管线清砂，更利于固控循环效果。其余罐内辅线均安有旋升式海底阀，根据钻井现场的要求，闭合开关实现任意仓上水，避免泥浆必须循环每个仓才能到达泥浆泵。

罐与罐之间的泥浆槽、主流程管线、中压泥浆管线、低压清水管线分别采用12"、10"、6"、4"的密封性好、安装迅捷、耐腐蚀性好的锤击由壬连接。

3 结构设计

3.1 主体设计

新型固控循环罐的罐体设计为倒梯形船型结构，在此称船型泥浆罐。采用32#工字钢作为底座主梁，为利于清罐，15°斜铺8mm厚的热轧钢板做底板。为方便整体拖拽与吊装，在罐侧上部设有吊装点，底座两端设有拖装点。罐体侧板为8mm厚的热轧钢板，距底端600mm处向内折15°弯板，组焊成全密闭倒梯形船箱式结构。内部采用14#工字钢间隔800mm加固，以防罐皮变形膨胀。罐顶框的两条纵向方管分别作为中压泥浆管线和低压清水管线，故采用160mm无缝方管焊制。从运输车辆等实际运输条件考虑，罐底座≤2.6m，罐体宽度≤3m，这样便于设备的安装与运输，又减小了设备的占地面积。

图1 ZJ50L船型泥浆固控循环系统

3.2 罐面设计

为了安全可靠，整体美观，罐面主体铺设6mm厚耐腐蚀性好、强度高的腐豆花纹板，避免热带大量雨水进罐，稀释钻井液。在搅拌器纵向安放镀锌钢格网，这样易于观察罐内情况，利于泥浆散热、延长使用寿命、提高安全系数。罐面配备2"清水管线接头。罐面栏杆采用40方管焊成，插接牢固，折叠自如，所有护栏均有保险挂钩。

3.3 辅助设计

整罐安装防砂防雨保温棚。针对泥浆腐蚀性，罐内喷涂环氧富锌底漆、环氧云铁防锈漆和重防腐沥青漆。罐内安放99%纯度锌板，中和泥浆，减小腐蚀性。本罐弃用隐蔽电缆槽，采用外挂电缆槽设计，穿线便捷，检修容易，又利于罐内走线格局，节省电缆。

4 罐板受力简析与厚度初选

过去泥浆罐结构选材通常用经验及类比设计法。但伴随钻井技术与CAD技术的发展，泥浆固控系统的容积不断增大，因此，必须进行应力分析，依据流体力学、材料力学的载荷分布理论、强度理论进行设计，以及CAD技术进行建模仿真、有限元分析，使罐皮具有符合井用要求的弯曲强度与挠度。泥浆罐为钢结构焊接密闭船型罐，罐皮厚远小于罐面尺寸，故看作薄壳类容器。

文章通过初步简明计算，对泥浆罐侧板以《钢制焊接常压容器》中垂直加固型C型容器结构形式进行设计，以选择在安全挠度范围内的最优板厚。

当泥浆罐负载时，泥浆对罐内板产生静压力，而两纵向侧板受弯曲作用最严重，根据“木桶原理”，首要考虑纵向侧板。

4.1 罐板强度计算

已知：ρ泥浆=2.0×10-6kg/mm3；钢板厚度负偏差C1=0.1mm；腐蚀余量C2=0.4mm；罐壁材料：Q235热轧钢板；设计温度下罐壁材料的许用应力[δ]t=145Mpa；设计温度下罐壁材料的弹性模量Et=1.91×105Mpa；加固件材料：Q235型钢；加固件间距L=800mm；罐壁高H=1940mm；

由■=■=2.425，α、β计算（四边简支，三角形载荷）得

α=0.054；β=0.062

计算板厚：

则？啄=？啄w+C1+C2=7.38+0.4+0.1=7.88mm

故取？啄w，n=8mm合适。

4.2 罐板刚度校核

由于罐体高度小于2000mm。按经验可将该罐按C型计算。

罐皮的最大挠度fw，max计算：

罐皮的许用挠度计算：

因为fw，max<[f]，所以侧板刚度满足要求。

在实际预制中，罐皮内设计有加固筋。鉴于篇幅，在此仅提供罐皮厚度初选。泥浆罐底座、罐体、罐顶、拉筋、吊装件等均需要进行刚度和强度校核，通过SolidWorks、ANSYS等CAD软件进行有限元分析。只有经过严格的力学分析校核，才能保证罐体结构的安全性，保证泥浆固控循环系统的正常净化过程。

5 结束语

现场应用表明，ZJ50L泥浆罐的结构设计合理紧凑，占地面积小；减少搬迁车辆数量，省工省力；简化固控流程，减少泥浆损失；最优化罐体强度与刚度，使用安全、操作方便；延长罐体寿命，避免零部件损坏；降低了劳动强度，缩短了安装时间。泥浆罐更人性的设计、更便捷的移动、更优良的净化，对满足现代钻井作业尤为重要，同时提高工作效率，也就是提高了钻井效率，为GWDC进一步完成钻探开发服务打下坚实基础。

参考文献

[1]颜晓军.钻井液循环处理系统优化分析[J].甘肃科技，2012（24）.

[2]赵娜.钻机泥浆固控系统的设计[J].甘肃科技，2008（18）.

[3]胡明一，等.矩形常压液体贮槽的强度刚度设计[J].石油化工设计，2007（4）.endprint