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硕士论文格式及参考文献格式

来源:互联网 发表时间:2013-01-27 18:47:23 作者:佚名 评论 0 条 | 查看所有评论


 

 
中图分类号TE52                                  单位代码10425
                                                   号:S08020242
 
 
 

 
水下储油罐设计
Design of underwater oil storage tank
 
 
 
学科专业:油气井工程
          研究方向:油气井岩石力学与工程
作者姓名:韩长青
 指导教师:陈建民 教授
 
 
 
〇一一年四月
 
 
 
 
 
Design of underwater oil storage tank
 
 
 
A Dissertation Submitted for the Degreeof Master of Engineering
 
 
 
 
 
CandidateHan Changqing
 
SupervisorProf. Chen Jianmin
 
 
 
 
College of Petroleum Engineering
China University of Petroleum (EastChina)
 
 
 
关于学位论文的独创性声明
 
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果,论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知,除文中已经加以标注和致谢外,本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含本人或他人为获得中国石油大学(华东)或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。
若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。
 
学位论文作者签名:                           日期:            
 
 
 
学位论文使用授权书
 
本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版),使用方式包括但不限于:保留学位论文,按规定向国家有关部门(机构)送交学位论文,以学术交流为目的赠送和交换学位论文,允许学位论文被查阅、借阅和复印,将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。
保密学位论文在解密后的使用授权同上。
 
学位论文作者签名:                         日期:            
指导教师签名:                             日期:            
 


随着海洋石油开采事业的发展,适用性、综合化和简单化的海上储油设备越来越多的受到石油人的关注。水下储油罐有多种方式,其中尤以油水置换方式最为经济高效。但在置换过程中会有少量原油随水排放到海水中,累积造成环境污染。由于能源危机及各个国家对海上原油的开采的迫切需求,采用水下储油技术在一定程度上可以简化石油开发系统。水下储油罐的优势和特点决定了其发展的总趋势。
鉴于此,本文提出设计一容积为16万立方米的水下储油罐及新的油水隔层,它可以避免油水接触,既保留了油水置换储油的主要优点,又避免了环境污染。通过综合运用Gambit软件、ANSYS Workbench软件和ANSYS CFX软件,对储油罐进行流固耦合分析。模拟出储油罐在渤海某海域水深20m的海域条件下罐体周围的流场速度、压强分布、以及罐体的受力情况和坐底稳性分析。为此种新型水下储油开采模式的可行性进行验证。
通过上述工作验证了本文设计的水下储油罐既满足规范关于储罐的稳性要求,同时满足水下储油开采模式与油水隔层的使用要求,验证了此种水下储油开发模式的可行性。综上,本论文为我国海洋石油开发提供了一种全新的开发模式。
 
    关键词:水下储油罐,油水置换,油水隔层,流场分析,流固耦合
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Design of underwater oil storage tank
 Han Changqing (Oil & Gas Well Engineering)
Directed by Prof. Chen Jianmin
Abstract
As the development of exploitation of off-shore oil, a large number of specialists and scholars have more and more focused on the applicable, integrate and simple offshore storage tank. There are many ways to store petroleum under water, displacement between oil and water is special due to economic and efficiency. However, it is inevitable that a small amount of crude oil will be discharged into marine and brings environmental pollution in the course of displacement.
Because of the resource crisis and lots of countries’ thirst for exploitation of offshore crude oil, techniques to store petroleum under water can simple system of oil development to some extend. The advantages and characters of storage tank under water decide the general trend of advancement.
Therefore, this paper comes up an approach to design storage tank under water holding six-hundred thousands cubic meter petroleum and new interlayer for oil and water, which can avoid contact between oil and water, maintain merits to store by means of displacement between oil and water and is friendly to the marine environment. The paper analyses status of the storage tank and fluid structure interaction by the software of Gambit, ANSYS Workbench and ANSYS CFX. Moreover, it simulates the velocity, pressure distribution in flow field nearby tank, stress and stability of tank which locates in certain sea area of Bohai at the depth of twenty meters.
After the simulation, tank underwater can meet stability requirement for environment under water and conform to the demands of exploration and storage mode under water. At the same time, it also testifies that the storage oil tank under water is feasible. All in all, the paper gives a brand new mode to explore offshore oil for our country.
Key words: storage tank undersea, oil water displacement, oil and water interlayer, flow field analysis, fluid structure interaction.
第一章 绪论.............................................................. 1
1.1 课题研究目的及意义.................................................................................................. 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势...................................................................................... 3
1.2.1 水下储油国内外研究现状及发展趋势............................................................ 3
1.2.2 油水置换技术国内外研究现状及发展趋势.................................................... 5
1.3 本文主要研究内容...................................................................................................... 7
第二章 储油罐结构设计................................................... 8
2.1 整体结构设计.............................................................................................................. 8
2.1.1 储油罐轮廓尺寸................................................................................................ 8
2.1.2 储油罐构件布置与尺寸选取.......................................................................... 10
2.2 罐底结构设计............................................................................................................ 12
2.2.1 罐底与罐壁的连接及应力计算...................................................................... 12
2.2.2 罐底排板方式设计.......................................................................................... 12
2.2.3 罐底与基础的坡度选择.................................................................................. 13
2.2.4 罐底钢板的尺寸选择...................................................................................... 14
2.3 罐壁结构设计............................................................................................................ 15
2.3.1 罐壁计算方法的选取...................................................................................... 15
2.3.2 储油罐壁厚设计.............................................................................................. 16
2.4 罐顶结构设计............................................................................................................ 16
2.5 接管设计.................................................................................................................... 17
第三章 储油罐稳性计算.................................................. 19
3.1 坐底稳性相关计算公式............................................................................................ 19
3.1.1 抗滑稳性计算公式及规范要求...................................................................... 19
3.1.2 抗滑力计算公式.............................................................................................. 20
3.1.3 滑移力计算公式.............................................................................................. 20
3.1.4 抗倾稳性计算公式及规范要求...................................................................... 21
3.1.5 抗倾力矩计算公式.......................................................................................... 22
3.1.6 倾覆力矩计算公式.......................................................................................... 23
3.2 相关参数计算结果.................................................................................................... 23
第四章 储油罐在海流作用下的响应分析................................... 24
4.1 建立计算模型............................................................................................................ 24
4.1.1 相关软件简介.................................................................................................. 24
4.1.2 建立有限元模型.............................................................................................. 26
4.2 海流作用下罐体周围的流场分析............................................................................ 27
4.3 海流作用下罐体的耦合分析.................................................................................... 30
4.3.1 水深9.96m处海流作用下罐体的耦合分析.................................................. 30
4.3.2 水深15m处海流作用下罐体的耦合分析...................................................... 34
4.3.3 水深5m处海流作用下罐体的耦合分析........................................................ 38
4.4 海流作用下罐体周围的耦合流场分析.................................................................... 42
4.5 本章小结.................................................................................................................... 47
第五章 储油罐在波浪作用下的响应分析................................... 48
5.1 波浪作用下罐体的耦合分析.................................................................................... 52
5.1.1 水深11.97m处波浪作用下罐体的耦合分析................................................ 53
5.1.2 水深15m处波浪作用下罐体的耦合分析...................................................... 57
5.1.3 水深5m处波浪作用下罐体的耦合分析........................................................ 61
5.2波浪作用下罐体周围的耦合流场分析..................................................................... 64
5.3 本章小结.................................................................................................................... 69
第六章 储油罐在海流和波浪联合作用下的响应分析......................... 70
6.1 海流和波浪联合作用下罐体的耦合分析................................................................ 73
6.1.1 水深10.97m处波浪与海流联合作用下罐体的耦合分析............................ 74
6.1.2 水深15m处波浪与海流联合作用下罐体的耦合分析.................................. 78
6.1.3 水深5m处波浪与海流联合作用下罐体的耦合分析.................................... 81
6.2 海流和波浪联合作用下罐体周围的耦合流场分析................................................ 85
6.3 本章小结.................................................................................................................... 90
结论与展望.............................................................. 90
参考文献................................................................. 91
致谢..................................................................... 96
 
 
 
 
 
 
 
 
 


第一章绪论
1.1 课题研究目的及意义
随着海洋石油开采事业的发展,适用性、综合化和简单化的海上储油设备越来越多的受到石油人的关注。海上储油设备是全海式油田不可缺少的工程,它为油田连续稳定生产提供了足够的缓冲容量。海上储油设备的容量取决于油田产量和运输油轮的数量、大小、往返时间和装油作业受海况的限制条件,如遇恶劣的海况条件,波浪高度超过一定的限度,就要停止装油作业。一般说来,海上储油设备容量按7~15天油田高峰产量设计。海上储油主要分为水上、水面和水下储油3种模式。其中,水上储油与水面储油两种模式较为常见且易于控制,技术也更为成熟。但是,水上储油会导致采油平台上部重量大,平台结构、环境载荷及地基受力相应增大,平台造价很高;而对于水面储油来说,浮式储油装置储油量一般在5万方以上,受外部风浪、海流和冰等影响较大,关键技术和主要设备都是依靠国外进口。在某些小型油田,水上、水面两种储油模式的经济性较差,有的甚至得不到开发。关于海上储油设备主要有:平台储罐、油轮、重力平台支腿储罐、海底储油罐等。
(1) 平台储罐是在固定式钢结构物上建造的金属储油罐。这种储油方式一般在浅水区采用。由于受支撑结构的承载能力限制,储油容量不可能很大。过大的储油容量容易发生安全问题。平台储罐的结构和附件与陆地油罐相同。
(2) 油轮是一种浮式储油设备,它是海上常用的一种储油方法,特别是对一些边际油田在节省投资费用上具有重大意义。
(3) 重力式平台支腿储罐,巨大的混凝土和钢结构平台提供了能满足储油所需要的空间。重力式平台需要有稳定的压载舱,这种压载舱可设计成储油罐。
(4) 水下储油罐技术是从60年代发展起来的,使用在水深小于100m的近海海区。其容积小的为几千立方米,大的达几十万立方米。油罐使用的材料有金属、钢筋混凝土和其他非金属材料,罐的形状有圆桶形、长方形、椭圆抛物面形、球形和其他综合形状。由于长期浸泡在海水中,要特别注意防腐处理。
而水下储油也有很多方式,其中尤以油水置换方式经济高效。此种储罐罐底与海水相通,因此要求海底地形平坦,且要求海流对海床的冲刷作用不太严重。一般的油水置换方式的原理是:油水不相溶、油的密度低于水、会自然形成油水界面。由于水下储罐一般采用双层壳体设计,在储油罐内胆无破坏的情况下,油水基本上完全隔离,油水隔离过程中,理论上不会发生污染,基本能满足零恶人排放的要求。但在油水置换过程中需考虑到胀缩、波浪压力传递和油水密度差异等对储罐内胆的影响,内胆还是会受到拉伸、皱折、摩擦及刮擦等很多因素的破坏。根据“水下贮油技术—油水置换”工艺模拟试验,在置换过程中,界面附近水中仍然会有少量原油在此置换过程中随水排放到周围海水中(最大含油量不超过12.5mg/L ),累积后还是会造成环境污染。随之产生的污染及由于我国生产的原油大部分属于高凝点,需高温储存,热量是否会因大部分传递给置换海水,而使设施耗费巨大的热能等问题严重限制了油水置换技术的应用。针对以上问题若采取避免油水直接接触,污染问题便可迎刃而解。为此,可运用一种具有极高强度、较好的抗变能力、且具有较小断裂伸长率、在长期载荷情况下不会发生蠕变的玻璃纤维作为油水隔层隔离布的材料。它既保留了油水置换储油的主要优点,又避免了环境污染造成的问题。
油水隔层在储油罐体内部如图1-1所示,隔离层隔开油水,隔离布与罐体内壁相连接,它中间部分可以上下浮动,以满足储油过程中油水量的变化。储油罐内外部相互连通,进而不需要承受海底的巨大压强。进一步降低了对结构强度的要求,减少了用钢量,降低了造价。置换式储油罐内外压差基本平衡,所以基本上不受水深限制,建造费用也不会随水深变化而增加,因而这种模式在浅海、深海均适用,适用于在我国南海油田。
1-1 油水隔离层及罐体受力情况示意图
Fig1-1 Schematic of oil-water isolated layer and tank stressed
 
设计水下储油罐的结构型式时,需考虑海流、波浪、潮汐等作用力,以及水深、海底土质条件等诸多因素。因此,其形状和结构彼此不同。水下储油工艺几乎都是采用油水置换原理。由于罐内始终充有液体(油和水),罐外海水和罐内液体的静压差小,从而减小了罐壁厚度,大大节约了建造费用。
1)载荷特点
有利因素:储油罐罐体属于低重心结构,选择的安装位置使得储油罐本身具有良好的抗地震载荷能力。而运用了油水置换技术的储油罐在水下作业时内外压差基本平衡。不利因素:在计算水下储油罐的坐底稳性时,应将其视为大尺度水下潜体,需克服海流力、波浪力的作用。
2储罐结构及稳定性
依据水下储油罐的载荷特性,储罐对地基压力不大,因此对地基强度要求不高。水下作业时罐内外压力差基本平衡,所以结构强度也易于满足。目前我国尚没有针对水下储油装置或结构制定相关规范,借鉴《钢质海船入级规范》、《海上浮式装置入级与建造规范》,对于容积较大的大型储油罐一般采用双层壳体,对于容积较小的小型储油罐则可采用单层壳体。由于水下储油罐所受的外力作用远低于船舶,储罐在除不储油的工况下不需要移动,结构上可以参照上述规范执行,完全可以满足强度和安全性要求。为了减少储油内胆与罐壁的刮擦,罐壁骨材应设计在外侧。储油罐在水下作业时,其抗倾、抗滑都可依靠自身重量。依据储罐容量和环境条件,采用如下方法或其组合来保证抗滑稳定性。
1优化外形结构,在满足设计要求的前提下,降低形状载荷系数,如采用圆柱形或近似形状,从而减少波浪力和海流力的作用。
2)增加罐体结构重量等。
3)采用抗滑桩等增加抗滑稳定性。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 水下储油国内外研究现状及发展趋势
近一、二十年来,油罐的设计与施工技术都较过去有了更快的发展。由于能源危机及各个国家对海上原油的开采的迫切需求。水下储油罐的优势和特点决定了其发展的总趋势。水下储油罐在深海、浅海中均有应用,如图1-2中所示为两种典型的储油模式。在浅海中,将井口平台(一般为固定导管架平台)采出的油气进行油气分离后,原油通过注油管路注入储油罐内,水下储油罐中的原油通过储油罐上的出油管路输送到系泊在井口平台上的穿梭油轮中;在深海中,海底井口生产的原油可直接储存到水下储罐中。生产区建造小型的浮式系泊装置,同样通过停靠在该系泊装置上的穿梭油轮实现原油转运。由于该系泊装置远比FPSO小,系泊技术要求相对低很多,节省较大的经济费用。
            
           1-水下生产模块;2-进油管路;3-水下储罐;  1-水下储罐;2-出油管路;3-进油管路
4-出油管路;5-系泊系统;6-穿梭油轮         4-井口平台;5-井口;6-穿梭油轮
1-2 浅海、深海水下储油生产模式简图
Fig 1-2 Schematic of storage and production under shallow and deep sea
 
我国在水下储油工艺方面做了大量的研究工作,积累了丰富的经验,为发展水下储油技术奠定了良好的基础。现在国内水下储油方式主要是应用在海洋油田生产开发的过程中,但是也有少量的水下油库采用了这一技术,比如说地处上海嘉定区的蕴西油库。在近海地带,水下储油方式还可以同地下储油方式相结合,这一技术极具发展前景。国外有大量水下储油方面的应用实例,采用的水下储油装置也多种多样,有很大的借鉴价值。我国是拥有1.8万公里长海岸线,2万公里长陆地边界的国家,具有得天独厚的水文地质条件,为水下储油技术的发展提供了广阔的发展空间。当前油田开发正在向深海、远海发展,采用水下储油技术在一定程度上可以简化石油开发系统。
下面简略介绍目前国外水下储油罐的四种主要形式。
1)带环形底盘的水下储油罐。1967年首次在墨西哥湾建成。储罐容积为3656m储罐底部是环形底盘,作为下部油罐。环形底盘上的三根斜支柱支撑伸出于海面的上部罐体。环形油罐靠开口沉箱固定于海底,油罐搁置在水深约40m的海底。
2)倒盘形水下储油罐。如图1-3所示。此种水下储油方式于1969年首次在波斯湾迪拜海域建成。它的底部是圆柱形,经过球面和圆锥面过渡,上部接30m高、9m直径的圆筒,约有13m露出水面。油罐中间有一个直径为24m的内罐,内罐呈瓶装结构,为储油罐的一部分。罐四周用桩固定在海床上。罐体总重12700t,储油容积为80000 m。由于油罐面积很大,收发油时油水界面的升降速度只有0.3m/h界面没有剧烈波动现象。圆筒上部建有操作平台,平台上安装有输油泵和管路等生产设备。
1-3 倒盘型水下储油罐
Fig 1-3 Inverted plate shape storage tank under water
 
(3)双圆筒混凝土水下储油罐。储罐采用预应力钢筋混凝土建造,两个卧式圆柱体有共同的分界壁,每个壳体又被一些横向壁板分隔成几个舱室,以防油罐向海底下沉时罐内水面过分晃动。油罐放置于海底,当需要加大容积时,可将几个油罐平行排列,靠输油管相互连接。油罐搁置在水深约48m的海底,总容积为32000m
(4)带防波墙的立式钢筋混凝土水下储油罐。此储油罐建于北海埃克菲斯克油田,油田水深70m,油罐总高90m,油罐体积158000 m。油罐底板长宽均为92m,底面呈波纹形以增加与海底的摩擦力。罐内分隔成9个小储罐,但这9个小储罐互相连通,且都是混凝土结构,罐四周用多孔防波墙围绕。防波墙从海底起高82.5m,有12.2m在海面以上。防波墙的作用是减轻狂风暴浪对罐体的作用力。储存的油由4台装油泵经吸入室从储油罐吸出装船外运。海水泵装设在储罐和防波墙之间的环形空间内,从储罐吸出的海水要经过罐顶甲板上的3个撇油箱,每个撇油箱的容积为490m
1.2.2 油水置换技术国内外研究现状及发展趋势
在介绍油水置换时首先需了解油水界面的乳化作用:由于表面活性剂的作用,使本来不能混合到一起的两种液体能够混到一起的现象称为乳化现象,具有乳化作用的表面活性剂称为乳化剂。乳化机理:加入表面活性剂后,由于表面活性剂的两亲性质,使之易于在油水界面上吸附并富集,降低了界面张力,改变了界面状态,从而使本来不能混合在一起的“油”和“水”两种液体能够混合到一起,其中一相液体离散为许多微粒分散于另一相液体中,成为乳状液。
油水共存时间越长,水相含油量越高。静态试验测定数据表明:油水共存时影响水相含油浓度的主要因素是停留时间,而环境温度和原油含水量的变化对其影响均很小。动态试验结果分析:油水界面状况观察分析从试验流程运行直观观察,油水界面清晰、无波动、无泡沫、运行平稳,油水置换过程是油挤水、水挤油实现进排油流程的,油水界面是在受压条件下运行,界面上无自由空间,因此在界面上不可能产生泡沫和强烈扰动现象。含水油在不加破乳剂条件下,在油水置换运行过程只有游离水从油中沉降分离出来,而游离水是不含油的,因此水中含油量与油中含水量无关,含水油采用油水置换工艺是可行的。工程应用时,在合理的流程设计,正确的操作条件下,油水置换排出的海水可以达标排放。
国外建造的水下储油罐储存的均是轻质原油,需考虑到以下两个问题。一是由于波浪作用破坏油水界面而产生乳化;二是由于油和水直接接触,原油粘附盐分,增加原油的含盐量。因此,对上述两个问题进行了油水界面升降和界面粘附盐分的试验。
我国自从在海上打出第一口油井后不久,就一直在试图开发应用水下储油技术。而我国多数油田生产的是高凝固点、高粘度原油,水下油罐储存的热原油主要通过罐壁和罐顶散热,通过油水界面传给水层的热量仅占总散热量2%~4%。而罐壁和罐顶可以通过保温措施来减少热量损失;油水界面形成“凝油层”(边界层)起到了减缓传热和传质的作用;在正常的界面移动速度下,原油没有乳化现象,排出的海水含油量远远低于国家允许的含油污水排放标准。因此,油水置换工艺同样适用于高凝固点、高粘度原油的储存。另外,为了提高罐内原油的温度,水下储油罐内的原油可以通过外部循环加热系统或罐内盘管热介质加热系统来加热。1972年华北海洋石油勘探指挥部(渤海石油公司)成立了水下储油的研究小组,着手这方面的探索工作。1983年国家把混凝土钻、采、储等多功能平台的研制课题列为“六五”科技攻关项目。
1987年南海西部石油公司在涠11-4油田开发可行性研究中,为迅速把我国的科技成果转变为生产力,提出了采用水下储油方式改装南海一号的方案,为给改装设计和工程应用提供了可靠依据,海洋石油工程设计公司在湛江海域进行油水置换工业性试验。经过1987年夏天和1988年冬季两阶段的试验研究,进一步验证了可行性研究所揭示的油水界面传热和传质规律是正确的,并加深了对其规律的认识,给工程设计及应用提供了科学依据、关键技术、主要参数设计和操作控制范围。为满足开发边际油田钻井船沉垫贮油的要求,拓宽这一技术的应用范围,19971998年对含水原油进行了“油水置换”工艺的模拟试验,提出水下油罐贮含水原油的可行性。
1.3 本文主要研究内容
本文的研究内容主要包括以下三个方面:
1)根据已有储油罐设计规范设计一容量为16万立方米的水下储油罐;
(2)采用Gambit软件建立流场有限元模型;固体部分(储油罐有限元模型)采用ANSYS Workbench建立。将两种有限元模型导入ANSYS CFX软件进行流固耦合分析,模拟出储油罐在海流和波浪等海洋环境下罐体周围的流场速度、压强分布,以及罐体的受力分析和稳性分析。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
结论与展望
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
参考文献
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致谢
本研究及学位论文在导师陈建民教授的亲切关怀和悉心指导下完成。他严肃的科学态度、严谨的治学精神以及精益求精的工作作风深深地感染了我。从胙芯可耙岳矗际κ贾斩几枇宋蚁ば牡闹傅己筒恍傅闹С帧A侥甓嗬矗际Σ唤鲈谘б瞪细杈牡闹傅迹谒枷牒蜕钌隙几栉蚁钢碌墓鼗常诖宋飨蜃鹁吹牡际Ρ泶镒畛绺叩木匆夂椭孕牡母行弧
在这里我要特别感谢孟凡召师兄及高曰兵师弟对本研究课题关于Ansys软件方面的指导,在他的指导下本研究课题得以更好的开展。同时非常感谢中国石油大学水射流研究中心的李罗鹏博士在储油罐设计方面给予的支持和帮助。
最后,对在我成长和学习过程中给予过帮助和支持的亲人、老师、同学和朋友们致以诚挚的谢意。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

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