浅谈ANSYS技术在油田地面工程建设中的主要应用

【摘要】油田地面工程建设涵盖了石油工业中十分广泛的领域，包括沙漠油田地面工程技术、滩海地区装备技术、石油重型设备的运输与安装、油气储运工程以及油气勘探、钻井、采油工程中的地面工程建设等。例如长距离埋地、架空管线建设、石油储罐设计、热力采油地面配套工程、陆上与滩海钻井采油地面配套工程等。

【关键词】ANSYS技术 油田地面工程建设

1 起重桅杆强度与稳定性

在石油重型设备吊装工程中，采用单、双桅杆起吊是具有中国特色的吊装技术，它具有工程投资少，便于长距离运输，组装方便等优点。对于起吊重量1000t级、起吊高度50 以上的重型吊装作业工程，对起重桅杆整体结构的强度与稳定性以及配套动力机构都提出了很高的设计要求。

ANSYS有限元分析软件为重型装备吊装工程如起重桅杆以及配套装备的设计仿真提供了非常完备的解决方案。ANSYS可以全三维仿真桅杆的实际吊装工况，既包括对桅杆初始起吊角度设计、桅杆整 体变形、主肢强度、以及整体稳定性，也包括斜拉索拉力、主吊轴与吊耳、连接螺栓与法兰等局部配件。采用 ANSYS 仿真可以简化试验验收程序，降低设备投资，节省设计制造周期，提高桅杆设计的整体安全性。

2 挂桥油气管线优化设计

胜利黄河大桥为公路斜拉桥，桥内敷设有四条输油管线，为了降低由于管线对大桥的束缚作用而产生的对大桥附加作用力的影响，采用 ANSYS进行非线性结构静力、动力学分析，综合考虑大桥与管线自重、温度效应、拉索力变化、管线两端埋地段的地基沉陷以及桥面机动跑车引起的振动响应，对挂桥管线支座与埋地段管线进行了优化设计。计算分析了大桥前十阶振型，并与现场试验结果进行了对比分析，结果表明 ANSYS分析计算与试验结果具有很好的一致性。

3 挖掘机动力臂的刚柔机构分析

结构动力学与运动学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

ANSYS 程序可以进行大型三维柔体运动分析。当运动 的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在 空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和 变形。

ANSYS 具有代表旋转铰的三维单元和承受大转动的结构单元，以及三维接触单元，可对刚柔机构系统进行仿真研 究。采用Newton-Raphson 求解方法，使得求解效率有了明显提高。

4 埋地油气管线设计

在石油天然气行业中，油气的运输大多靠管道输送来完成，因此，在管道工程设计中使管道具有合理的受力状态是确保管道安全运行的基础。一般油气集输的站内管道为地上布置，而站外长输管道多为埋地敷设。由于埋地管道受到周围土壤的约束，因此为较真实地反映土压力的分布规律，必须综合考虑管道与土壤的物理力学特性，以及埋地管道和管沟的边界几何形状，施工方式等因素，才能对管道周围土压力的性质和分布作出正确的分析。ANSYS具有强大的管系结构分析能力，利用 ANSYS 软件分析土壤对管道的作用及载荷计算方法十分有效，ANSYS提供的弹簧单元可以反映管底土壤和管侧土壤对埋地管道的作用。

5 埋地管线腐蚀剩余强度模拟

采用ANSYS对埋地管线的点状腐蚀缺陷进行剩余强度研究，通过结构静力分析与疲劳分析，分别对管线的内外壁点腐蚀进行三维仿真计算。

6 弹性地基上圆筒形储罐应力分析

立式钢制圆筒形储罐在我国石油化工行业中有着广泛的应用，随着制造容积的增大，储罐在使用中的安全可靠性就变得极为重要。在罐底与罐壁的联结处，存在着由边缘效应所产生的边缘应力。对于一般中小型储罐，由于钢板较薄，刚性较小，边缘力影响区域不大，一般不对其进行应力校核。但对于大容积储罐，多采用高强钢为主体材料，板厚增加后，边缘应力的影响增大，故需进行应力分析。设计中大多采用近似的计算方法并结合实践经验来保证储罐该部位的强度安全。ANSYS 为压力容器设计与储罐强度安全提供了方便高效的仿真解决方案。ANSYS 软件具有多种杆、梁、壳单元、实体单元和包括混凝土在内的各种材料模式，合理选用这些单元和材料可以解决大型储罐设计中的许多具体问题。

储罐的基础采用的是钢筋混凝土环梁基础（简称 RC 环基）。这种基础是直接在储罐罐壁处底板下设置钢筋混凝土环梁，以支持罐壁板传来的载荷，钢筋混凝土环梁圈内铺设砂垫层。假定环梁内砂垫层基础是弹性的，并把它当做弹性地基梁来处理。罐壁和罐底为轴对称结构，其承受载荷也呈轴对称，故选取罐体的1/36 进行有限元分析。计算考虑了罐体自重和充满水的液体静压作用。

对于罐壁，环向应力是主要的，而轴向弯曲应力相对是次要的；对于罐底，与罐壁相反，环向应力是次要的，而径向弯曲应力相对是主要的。计算结果也说明了这点，由计算结果可以看出，地基状况对罐底边缘区的应力有较大的影响。地基对保证大罐的安全使用有重要意义。本计算只分析了RC环基的作用，ANSYS 也可以分析不均匀地基沉降对储罐应力的影响。地基型式需根据安置地的土壤结构具体情况确定，根据不同的地基型式建立不同的应力分析模型进行计算。

7 修井机井架设计计算

修井机井架是修井作业的必备装备，修井作业中要求修井井架满足强度刚度和稳定性设计，采用 ANSYS 对井架进行了强度、变形与稳定性分析。井架结构为典型空间刚架加柔索模型，计算中使用结构分析与非线性模块，利用静力计算结果进行井架的可靠性和疲劳计算分析。井架主体结构选用既承受轴向力又承受弯矩的梁单元（BEAM4）绷绳选用只能承受拉力，不能承受压力的柔索单元（LINK10）。计算载荷包括：井架自重、最大工作载荷、自然风载。

8 总结

综上所述，ANSYS 的强大分析能力可以解决大部分油田地面工程建设中的力学设计问题，大到千吨级重型设备的设计、装配，小到螺钉设计、焊缝连接等过程模拟，ANSYS 均可以提供 相应的完善解决方案。ANSYS 分析技术还可以在油田地面工程建设的以下方面可发挥作用：

（1）石油重型装备设计与建设；

（2）油气储运地面工程建设；

（3）埋地、架空管线设计；

（4）钻采地面配套工程建设；

（5）滩海与浅海钻采装备。

参考文献

[1] 马玉红，邹军.大型圆筒形储罐有限元设计计算.炼油与化工，2002，9

[2] 杨树耕，孟昭瑛，任贵永.有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用

[3] 朱颜.有限元分析软件ANSYS刍议.考试周刊

作者简介

赵黎明（1971.12.26-），男，汉族，辽宁省黑山县人，助理工程师，2006年12月毕业于大庆石油学院石油工程专业，目前就职于辽河油田冷家开发公司作业二区地质队副队长。