ZJ50L泥漿固控循環罐的結構設計與分析

趙慶+侯潤

摘 要：在實現“十二五”鉆井技術發展的道路上，鉆井液作為鉆井工程的血液，其固控循環系統結構設計的優劣間接影響著鉆井速度、鉆井安全和經濟效益。文章結合泥漿罐結構特性，一改四角方型罐設計，展示所設計ZJ50L鉆機泥漿固控船型循環罐，并簡析罐板厚度等，為其結構最優化提供依據。

關鍵詞：ZJ50L；泥漿罐；結構設計；板厚簡析

在發展現代鉆井工藝的道路上，鉆井液凈化質量直接影響鉆井質量和鉆井成本，而作為泥漿固相循環控制系統的載體，泥漿固控循環罐同樣起著舉足輕重的作用。文章簡述長城鉆探鉆井一公司裝備服務公司所設計制造的ZJ50L泥漿罐的結構優化，并分析罐板厚度要求等，為進一步運用SolidWorks建模優化、ANSYS有限元分析打下基礎。

1 技術參數

泥漿罐有效容積：380m3；泥漿罐數量：8個

泥漿罐外形尺寸：12500mm×3000mm×2500mm。

2 流程與連接設計

為實現泥漿循環、加重、剪切、固液分離及特殊事故等工藝要求，ZJ50L固控系統選用4個罐來承載三聯振動篩、真空除氣器、除砂除泥一體機、中速及高速離心機5級凈化設備。

泥漿泵上水管線與砂泵上水管線，分別通過船型罐體雙側外掛DN300大通徑管線來實現。相對過去罐內主線設計，這樣方便流程安裝、管線清砂，更利于固控循環效果。其余罐內輔線均安有旋升式海底閥，根據鉆井現場的要求，閉合開關實現任意倉上水，避免泥漿必須循環每個倉才能到達泥漿泵。

罐與罐之間的泥漿槽、主流程管線、中壓泥漿管線、低壓清水管線分別采用12"、10"、6"、4"的密封性好、安裝迅捷、耐腐蝕性好的錘擊由壬連接。

3 結構設計

3.1 主體設計

新型固控循環罐的罐體設計為倒梯形船型結構，在此稱船型泥漿罐。采用32#工字鋼作為底座主梁，為利于清罐，15°斜鋪8mm厚的熱軋鋼板做底板。為方便整體拖拽與吊裝，在罐側上部設有吊裝點，底座兩端設有拖裝點。罐體側板為8mm厚的熱軋鋼板，距底端600mm處向內折15°彎板，組焊成全密閉倒梯形船箱式結構。內部采用14#工字鋼間隔800mm加固，以防罐皮變形膨脹。罐頂框的兩條縱向方管分別作為中壓泥漿管線和低壓清水管線，故采用160mm無縫方管焊制。從運輸車輛等實際運輸條件考慮，罐底座≤2.6m，罐體寬度≤3m，這樣便于設備的安裝與運輸，又減小了設備的占地面積。

圖1 ZJ50L船型泥漿固控循環系統

3.2 罐面設計

為了安全可靠，整體美觀，罐面主體鋪設6mm厚耐腐蝕性好、強度高的腐豆花紋板，避免熱帶大量雨水進罐，稀釋鉆井液。在攪拌器縱向安放鍍鋅鋼格網，這樣易于觀察罐內情況，利于泥漿散熱、延長使用壽命、提高安全系數。罐面配備2"清水管線接頭。罐面欄桿采用40方管焊成，插接牢固，折疊自如，所有護欄均有保險掛鉤。

3.3 輔助設計

整罐安裝防砂防雨保溫棚。針對泥漿腐蝕性，罐內噴涂環氧富鋅底漆、環氧云鐵防銹漆和重防腐瀝青漆。罐內安放99%純度鋅板，中和泥漿，減小腐蝕性。本罐棄用隱蔽電纜槽，采用外掛電纜槽設計，穿線便捷，檢修容易，又利于罐內走線格局，節省電纜。

4 罐板受力簡析與厚度初選

過去泥漿罐結構選材通常用經驗及類比設計法。但伴隨鉆井技術與CAD技術的發展，泥漿固控系統的容積不斷增大，因此，必須進行應力分析，依據流體力學、材料力學的載荷分布理論、強度理論進行設計，以及CAD技術進行建模仿真、有限元分析，使罐皮具有符合井用要求的彎曲強度與撓度。泥漿罐為鋼結構焊接密閉船型罐，罐皮厚遠小于罐面尺寸，故看作薄殼類容器。

文章通過初步簡明計算，對泥漿罐側板以《鋼制焊接常壓容器》中垂直加固型C型容器結構形式進行設計，以選擇在安全撓度范圍內的最優板厚。

當泥漿罐負載時，泥漿對罐內板產生靜壓力，而兩縱向側板受彎曲作用最嚴重，根據“木桶原理”，首要考慮縱向側板。

4.1 罐板強度計算

已知：ρ泥漿=2.0×10-6kg/mm3；鋼板厚度負偏差C1=0.1mm；腐蝕余量C2=0.4mm；罐壁材料：Q235熱軋鋼板；設計溫度下罐壁材料的許用應力[δ]t=145Mpa；設計溫度下罐壁材料的彈性模量Et=1.91×105Mpa；加固件材料：Q235型鋼；加固件間距L=800mm；罐壁高H=1940mm；

由■=■=2.425，α、β計算（四邊簡支，三角形載荷）得

α=0.054；β=0.062

計算板厚：

則？啄=？啄w+C1+C2=7.38+0.4+0.1=7.88mm

故取？啄w，n=8mm合適。

4.2 罐板剛度校核

由于罐體高度小于2000mm。按經驗可將該罐按C型計算。

罐皮的最大撓度fw，max計算：

罐皮的許用撓度計算：

因為fw，max<[f]，所以側板剛度滿足要求。

在實際預制中，罐皮內設計有加固筋。鑒于篇幅，在此僅提供罐皮厚度初選。泥漿罐底座、罐體、罐頂、拉筋、吊裝件等均需要進行剛度和強度校核，通過SolidWorks、ANSYS等CAD軟件進行有限元分析。只有經過嚴格的力學分析校核，才能保證罐體結構的安全性，保證泥漿固控循環系統的正常凈化過程。

5 結束語

現場應用表明，ZJ50L泥漿罐的結構設計合理緊湊，占地面積小；減少搬遷車輛數量，省工省力；簡化固控流程，減少泥漿損失；最優化罐體強度與剛度，使用安全、操作方便；延長罐體壽命，避免零部件損壞；降低了勞動強度，縮短了安裝時間。泥漿罐更人性的設計、更便捷的移動、更優良的凈化，對滿足現代鉆井作業尤為重要，同時提高工作效率，也就是提高了鉆井效率，為GWDC進一步完成鉆探開發服務打下堅實基礎。

參考文獻

[1]顏曉軍.鉆井液循環處理系統優化分析[J].甘肅科技，2012（24）.

[2]趙娜.鉆機泥漿固控系統的設計[J].甘肅科技，2008（18）.

[3]胡明一，等.矩形常壓液體貯槽的強度剛度設計[J].石油化工設計，2007（4）.endprint

摘 要：在實現“十二五”鉆井技術發展的道路上，鉆井液作為鉆井工程的血液，其固控循環系統結構設計的優劣間接影響著鉆井速度、鉆井安全和經濟效益。文章結合泥漿罐結構特性，一改四角方型罐設計，展示所設計ZJ50L鉆機泥漿固控船型循環罐，并簡析罐板厚度等，為其結構最優化提供依據。

關鍵詞：ZJ50L；泥漿罐；結構設計；板厚簡析

在發展現代鉆井工藝的道路上，鉆井液凈化質量直接影響鉆井質量和鉆井成本，而作為泥漿固相循環控制系統的載體，泥漿固控循環罐同樣起著舉足輕重的作用。文章簡述長城鉆探鉆井一公司裝備服務公司所設計制造的ZJ50L泥漿罐的結構優化，并分析罐板厚度要求等，為進一步運用SolidWorks建模優化、ANSYS有限元分析打下基礎。

1 技術參數

泥漿罐有效容積：380m3；泥漿罐數量：8個

泥漿罐外形尺寸：12500mm×3000mm×2500mm。

2 流程與連接設計

為實現泥漿循環、加重、剪切、固液分離及特殊事故等工藝要求，ZJ50L固控系統選用4個罐來承載三聯振動篩、真空除氣器、除砂除泥一體機、中速及高速離心機5級凈化設備。

泥漿泵上水管線與砂泵上水管線，分別通過船型罐體雙側外掛DN300大通徑管線來實現。相對過去罐內主線設計，這樣方便流程安裝、管線清砂，更利于固控循環效果。其余罐內輔線均安有旋升式海底閥，根據鉆井現場的要求，閉合開關實現任意倉上水，避免泥漿必須循環每個倉才能到達泥漿泵。

罐與罐之間的泥漿槽、主流程管線、中壓泥漿管線、低壓清水管線分別采用12"、10"、6"、4"的密封性好、安裝迅捷、耐腐蝕性好的錘擊由壬連接。

3 結構設計

3.1 主體設計

新型固控循環罐的罐體設計為倒梯形船型結構，在此稱船型泥漿罐。采用32#工字鋼作為底座主梁，為利于清罐，15°斜鋪8mm厚的熱軋鋼板做底板。為方便整體拖拽與吊裝，在罐側上部設有吊裝點，底座兩端設有拖裝點。罐體側板為8mm厚的熱軋鋼板，距底端600mm處向內折15°彎板，組焊成全密閉倒梯形船箱式結構。內部采用14#工字鋼間隔800mm加固，以防罐皮變形膨脹。罐頂框的兩條縱向方管分別作為中壓泥漿管線和低壓清水管線，故采用160mm無縫方管焊制。從運輸車輛等實際運輸條件考慮，罐底座≤2.6m，罐體寬度≤3m，這樣便于設備的安裝與運輸，又減小了設備的占地面積。

圖1 ZJ50L船型泥漿固控循環系統

3.2 罐面設計

為了安全可靠，整體美觀，罐面主體鋪設6mm厚耐腐蝕性好、強度高的腐豆花紋板，避免熱帶大量雨水進罐，稀釋鉆井液。在攪拌器縱向安放鍍鋅鋼格網，這樣易于觀察罐內情況，利于泥漿散熱、延長使用壽命、提高安全系數。罐面配備2"清水管線接頭。罐面欄桿采用40方管焊成，插接牢固，折疊自如，所有護欄均有保險掛鉤。

3.3 輔助設計

整罐安裝防砂防雨保溫棚。針對泥漿腐蝕性，罐內噴涂環氧富鋅底漆、環氧云鐵防銹漆和重防腐瀝青漆。罐內安放99%純度鋅板，中和泥漿，減小腐蝕性。本罐棄用隱蔽電纜槽，采用外掛電纜槽設計，穿線便捷，檢修容易，又利于罐內走線格局，節省電纜。

4 罐板受力簡析與厚度初選

過去泥漿罐結構選材通常用經驗及類比設計法。但伴隨鉆井技術與CAD技術的發展，泥漿固控系統的容積不斷增大，因此，必須進行應力分析，依據流體力學、材料力學的載荷分布理論、強度理論進行設計，以及CAD技術進行建模仿真、有限元分析，使罐皮具有符合井用要求的彎曲強度與撓度。泥漿罐為鋼結構焊接密閉船型罐，罐皮厚遠小于罐面尺寸，故看作薄殼類容器。

文章通過初步簡明計算，對泥漿罐側板以《鋼制焊接常壓容器》中垂直加固型C型容器結構形式進行設計，以選擇在安全撓度范圍內的最優板厚。

當泥漿罐負載時，泥漿對罐內板產生靜壓力，而兩縱向側板受彎曲作用最嚴重，根據“木桶原理”，首要考慮縱向側板。

4.1 罐板強度計算

已知：ρ泥漿=2.0×10-6kg/mm3；鋼板厚度負偏差C1=0.1mm；腐蝕余量C2=0.4mm；罐壁材料：Q235熱軋鋼板；設計溫度下罐壁材料的許用應力[δ]t=145Mpa；設計溫度下罐壁材料的彈性模量Et=1.91×105Mpa；加固件材料：Q235型鋼；加固件間距L=800mm；罐壁高H=1940mm；

由■=■=2.425，α、β計算（四邊簡支，三角形載荷）得

α=0.054；β=0.062

計算板厚：

則？啄=？啄w+C1+C2=7.38+0.4+0.1=7.88mm

故取？啄w，n=8mm合適。

4.2 罐板剛度校核

由于罐體高度小于2000mm。按經驗可將該罐按C型計算。

罐皮的最大撓度fw，max計算：

罐皮的許用撓度計算：

因為fw，max<[f]，所以側板剛度滿足要求。

在實際預制中，罐皮內設計有加固筋。鑒于篇幅，在此僅提供罐皮厚度初選。泥漿罐底座、罐體、罐頂、拉筋、吊裝件等均需要進行剛度和強度校核，通過SolidWorks、ANSYS等CAD軟件進行有限元分析。只有經過嚴格的力學分析校核，才能保證罐體結構的安全性，保證泥漿固控循環系統的正常凈化過程。

5 結束語

現場應用表明，ZJ50L泥漿罐的結構設計合理緊湊，占地面積小；減少搬遷車輛數量，省工省力；簡化固控流程，減少泥漿損失；最優化罐體強度與剛度，使用安全、操作方便；延長罐體壽命，避免零部件損壞；降低了勞動強度，縮短了安裝時間。泥漿罐更人性的設計、更便捷的移動、更優良的凈化，對滿足現代鉆井作業尤為重要，同時提高工作效率，也就是提高了鉆井效率，為GWDC進一步完成鉆探開發服務打下堅實基礎。

參考文獻

[1]顏曉軍.鉆井液循環處理系統優化分析[J].甘肅科技，2012（24）.

[2]趙娜.鉆機泥漿固控系統的設計[J].甘肅科技，2008（18）.

[3]胡明一，等.矩形常壓液體貯槽的強度剛度設計[J].石油化工設計，2007（4）.endprint

摘 要：在實現“十二五”鉆井技術發展的道路上，鉆井液作為鉆井工程的血液，其固控循環系統結構設計的優劣間接影響著鉆井速度、鉆井安全和經濟效益。文章結合泥漿罐結構特性，一改四角方型罐設計，展示所設計ZJ50L鉆機泥漿固控船型循環罐，并簡析罐板厚度等，為其結構最優化提供依據。

關鍵詞：ZJ50L；泥漿罐；結構設計；板厚簡析

在發展現代鉆井工藝的道路上，鉆井液凈化質量直接影響鉆井質量和鉆井成本，而作為泥漿固相循環控制系統的載體，泥漿固控循環罐同樣起著舉足輕重的作用。文章簡述長城鉆探鉆井一公司裝備服務公司所設計制造的ZJ50L泥漿罐的結構優化，并分析罐板厚度要求等，為進一步運用SolidWorks建模優化、ANSYS有限元分析打下基礎。

1 技術參數

泥漿罐有效容積：380m3；泥漿罐數量：8個

泥漿罐外形尺寸：12500mm×3000mm×2500mm。

2 流程與連接設計

為實現泥漿循環、加重、剪切、固液分離及特殊事故等工藝要求，ZJ50L固控系統選用4個罐來承載三聯振動篩、真空除氣器、除砂除泥一體機、中速及高速離心機5級凈化設備。

泥漿泵上水管線與砂泵上水管線，分別通過船型罐體雙側外掛DN300大通徑管線來實現。相對過去罐內主線設計，這樣方便流程安裝、管線清砂，更利于固控循環效果。其余罐內輔線均安有旋升式海底閥，根據鉆井現場的要求，閉合開關實現任意倉上水，避免泥漿必須循環每個倉才能到達泥漿泵。

罐與罐之間的泥漿槽、主流程管線、中壓泥漿管線、低壓清水管線分別采用12"、10"、6"、4"的密封性好、安裝迅捷、耐腐蝕性好的錘擊由壬連接。

3 結構設計

3.1 主體設計

新型固控循環罐的罐體設計為倒梯形船型結構，在此稱船型泥漿罐。采用32#工字鋼作為底座主梁，為利于清罐，15°斜鋪8mm厚的熱軋鋼板做底板。為方便整體拖拽與吊裝，在罐側上部設有吊裝點，底座兩端設有拖裝點。罐體側板為8mm厚的熱軋鋼板，距底端600mm處向內折15°彎板，組焊成全密閉倒梯形船箱式結構。內部采用14#工字鋼間隔800mm加固，以防罐皮變形膨脹。罐頂框的兩條縱向方管分別作為中壓泥漿管線和低壓清水管線，故采用160mm無縫方管焊制。從運輸車輛等實際運輸條件考慮，罐底座≤2.6m，罐體寬度≤3m，這樣便于設備的安裝與運輸，又減小了設備的占地面積。

圖1 ZJ50L船型泥漿固控循環系統

3.2 罐面設計

為了安全可靠，整體美觀，罐面主體鋪設6mm厚耐腐蝕性好、強度高的腐豆花紋板，避免熱帶大量雨水進罐，稀釋鉆井液。在攪拌器縱向安放鍍鋅鋼格網，這樣易于觀察罐內情況，利于泥漿散熱、延長使用壽命、提高安全系數。罐面配備2"清水管線接頭。罐面欄桿采用40方管焊成，插接牢固，折疊自如，所有護欄均有保險掛鉤。

3.3 輔助設計

整罐安裝防砂防雨保溫棚。針對泥漿腐蝕性，罐內噴涂環氧富鋅底漆、環氧云鐵防銹漆和重防腐瀝青漆。罐內安放99%純度鋅板，中和泥漿，減小腐蝕性。本罐棄用隱蔽電纜槽，采用外掛電纜槽設計，穿線便捷，檢修容易，又利于罐內走線格局，節省電纜。

4 罐板受力簡析與厚度初選

過去泥漿罐結構選材通常用經驗及類比設計法。但伴隨鉆井技術與CAD技術的發展，泥漿固控系統的容積不斷增大，因此，必須進行應力分析，依據流體力學、材料力學的載荷分布理論、強度理論進行設計，以及CAD技術進行建模仿真、有限元分析，使罐皮具有符合井用要求的彎曲強度與撓度。泥漿罐為鋼結構焊接密閉船型罐，罐皮厚遠小于罐面尺寸，故看作薄殼類容器。

文章通過初步簡明計算，對泥漿罐側板以《鋼制焊接常壓容器》中垂直加固型C型容器結構形式進行設計，以選擇在安全撓度范圍內的最優板厚。

當泥漿罐負載時，泥漿對罐內板產生靜壓力，而兩縱向側板受彎曲作用最嚴重，根據“木桶原理”，首要考慮縱向側板。

4.1 罐板強度計算

已知：ρ泥漿=2.0×10-6kg/mm3；鋼板厚度負偏差C1=0.1mm；腐蝕余量C2=0.4mm；罐壁材料：Q235熱軋鋼板；設計溫度下罐壁材料的許用應力[δ]t=145Mpa；設計溫度下罐壁材料的彈性模量Et=1.91×105Mpa；加固件材料：Q235型鋼；加固件間距L=800mm；罐壁高H=1940mm；

由■=■=2.425，α、β計算（四邊簡支，三角形載荷）得

α=0.054；β=0.062

計算板厚：

則？啄=？啄w+C1+C2=7.38+0.4+0.1=7.88mm

故取？啄w，n=8mm合適。

4.2 罐板剛度校核

由于罐體高度小于2000mm。按經驗可將該罐按C型計算。

罐皮的最大撓度fw，max計算：

罐皮的許用撓度計算：

因為fw，max<[f]，所以側板剛度滿足要求。

在實際預制中，罐皮內設計有加固筋。鑒于篇幅，在此僅提供罐皮厚度初選。泥漿罐底座、罐體、罐頂、拉筋、吊裝件等均需要進行剛度和強度校核，通過SolidWorks、ANSYS等CAD軟件進行有限元分析。只有經過嚴格的力學分析校核，才能保證罐體結構的安全性，保證泥漿固控循環系統的正常凈化過程。

5 結束語

現場應用表明，ZJ50L泥漿罐的結構設計合理緊湊，占地面積小；減少搬遷車輛數量，省工省力；簡化固控流程，減少泥漿損失；最優化罐體強度與剛度，使用安全、操作方便；延長罐體壽命，避免零部件損壞；降低了勞動強度，縮短了安裝時間。泥漿罐更人性的設計、更便捷的移動、更優良的凈化，對滿足現代鉆井作業尤為重要，同時提高工作效率，也就是提高了鉆井效率，為GWDC進一步完成鉆探開發服務打下堅實基礎。

參考文獻

[1]顏曉軍.鉆井液循環處理系統優化分析[J].甘肅科技，2012（24）.

[2]趙娜.鉆機泥漿固控系統的設計[J].甘肅科技，2008（18）.

[3]胡明一，等.矩形常壓液體貯槽的強度剛度設計[J].石油化工設計，2007（4）.endprint