原油儲(chǔ)罐三維旋轉(zhuǎn)噴槍設(shè)計(jì)

原油儲(chǔ)罐三維旋轉(zhuǎn)噴槍設(shè)計(jì)

1原油儲(chǔ)罐機(jī)械清洗系統(tǒng)概況中國(guó)現(xiàn)在是世界上最大的石油消費(fèi)大國(guó)。近年來(lái)，中國(guó)的石油戰(zhàn)略和商業(yè)儲(chǔ)存能力發(fā)生了重大變化。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已投資和建設(shè)的蓄儲(chǔ)量超過(guò)1億噸，單個(gè)儲(chǔ)水池的規(guī)格基本上為5.10萬(wàn)噸3m?，F(xiàn)在，一家研究石油公司15.20萬(wàn)噸hgs的公司正在研究中。由于儲(chǔ)存的原油量大,且具有易燃、易爆、污染環(huán)境的特性,大型原油儲(chǔ)罐一旦發(fā)生事故,將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染,而且可能釀成重大火災(zāi)及爆炸事故。為了確保儲(chǔ)罐完整性及其使用安全,在原油儲(chǔ)罐的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,需要定期停產(chǎn)檢修。中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT5921—2002規(guī)定:新建油罐第一次開罐檢修的時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)10年,第二次及以后開罐檢修周期一般為5~7年［1，2］。原油儲(chǔ)罐在檢修前必須清洗干凈,而且不能造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,還要確保清洗過(guò)程的安全,因此原油機(jī)械清洗系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而本文所探討的三維旋轉(zhuǎn)噴槍正是該系統(tǒng)的核心設(shè)備。原油儲(chǔ)罐機(jī)械清洗作業(yè)中布置在浮頂上的噴槍產(chǎn)生三維旋轉(zhuǎn)的射流,分別對(duì)罐底和罐頂進(jìn)行沖刷,使沉積凝固的原油得以破碎和溶解,脫離所附著的罐壁表面,達(dá)到清洗的目的。從機(jī)械清洗需要形成的射流軌跡入手進(jìn)行分析,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理及機(jī)械傳動(dòng)理論和噴射技術(shù)等知識(shí),可以設(shè)計(jì)出滿足原油儲(chǔ)罐機(jī)械清洗工程所需要的噴槍結(jié)構(gòu),產(chǎn)生所需要的三維旋轉(zhuǎn)射流。2噴射流模式下電極內(nèi)部分的設(shè)計(jì)原油儲(chǔ)罐機(jī)械清洗作業(yè)中將噴槍安裝在浮頂?shù)闹忍坠苤?噴頭處于浮頂與罐底之間。噴頭旋轉(zhuǎn)的軌跡如圖1所示。從清洗的目的出發(fā)需要有2種區(qū)間清洗模式(底部清洗模式和頂部清洗模式)以及全方位清洗模式。底部清洗模式:由于浮盤落底后從浮頂?shù)焦薜椎木嚯x很短,一般是1~2m,所以當(dāng)噴頭與垂直方向所成的夾角很小時(shí)(45°以內(nèi)),射流在底部覆蓋的范圍也很小,這部分很小的面積可以由布置在相鄰位置的其它噴槍所產(chǎn)生的射流覆蓋到或在全方位清洗模式時(shí)進(jìn)行清洗。由此,把噴頭向下擺動(dòng)的極限位置設(shè)為45°是比較合理的。當(dāng)噴頭與垂直方向的夾角從45°向上擺動(dòng)時(shí),需要噴頭同時(shí)繞垂直軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),則噴頭噴出的射流在底面上形成從內(nèi)逐漸向外擴(kuò)展的螺旋形軌跡,在夾角小于90°的范圍內(nèi)由于射流直射在底面上有非常好的沖刷清洗效果,但為了使射流能打到盡量遠(yuǎn)的位置,應(yīng)將噴頭向上擺動(dòng)的極限位置設(shè)在105°,此時(shí)射流為拋物線,雖然打?qū)Φ装宓拇驌袅p弱,但射程是最遠(yuǎn)的,同時(shí)布置在側(cè)壁附近的噴槍可以對(duì)側(cè)壁形成很好的清洗效果。由此得出底部清洗模式時(shí)清洗軌跡是45°~105°范圍內(nèi)的螺旋形軌跡。頂部清洗模式:底部清洗模式時(shí)的擺角上極限為105°,為了清洗時(shí)盡量覆蓋到所有的區(qū)域,同時(shí)105°開始向上舞動(dòng),射流即可打到頂部,所以頂部清洗模式的下極限位置定為105°。從105°開始噴頭向上擺動(dòng),射流在頂板上形成由外向內(nèi)的螺旋形軌跡,但由于結(jié)構(gòu)上的限制噴頭與噴槍管軸線不可能形成180°,因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)噴頭三維旋轉(zhuǎn)需要噴頭與噴槍管通過(guò)斜面配合,噴頭繞斜面的軸線擺動(dòng)和同時(shí)繞噴槍管的軸線旋轉(zhuǎn)。所以當(dāng)噴頭繞斜面的軸線轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)噴頭與噴槍管軸線所成夾角為135°,不過(guò)由于噴頭與頂板距離非常近,135°~180°范圍內(nèi)為一個(gè)非常小的面積,通過(guò)合理的噴槍布置,可以由相鄰的噴槍清洗到這部分面積。所以頂部清洗模式時(shí),清洗軌跡為105°~135°范圍內(nèi)的螺旋形軌跡。3外軸空氣槍的組成由以上對(duì)原油儲(chǔ)罐機(jī)械清洗作業(yè)中噴槍所需要形成的清洗軌跡的分析,設(shè)計(jì)噴槍的結(jié)構(gòu)如圖2所示。三維旋轉(zhuǎn)噴槍由氣動(dòng)馬達(dá)、減速機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、角度指示器、槍管、外軸、內(nèi)軸、噴頭以及氣動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。氣動(dòng)馬達(dá)輸出的動(dòng)力經(jīng)減速機(jī)減速后由齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)分別傳遞給外軸和內(nèi)軸,外軸形成噴頭繞噴槍軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)———公轉(zhuǎn),內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)形成噴頭繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)———自轉(zhuǎn),或由氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制噴頭在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)。4旋轉(zhuǎn)角度與螺釘旋轉(zhuǎn)軸線的關(guān)系噴頭三維運(yùn)動(dòng)可以抽象成如圖3所示的空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。噴頭自轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸與噴頭公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸成67.5°交角。噴頭自轉(zhuǎn)形成母線為L(zhǎng),頂角為135°的圓錐面。噴頭端部形成半徑為R的圓形軌跡。噴頭在自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn),軸線保持不變。通過(guò)幾何分析計(jì)算,要找到任意時(shí)刻噴頭與公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸的角度α與噴頭端部在圓形軌跡上的位置與噴頭在與公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸同軸時(shí)的位置(即0位)的圓心角β(即噴頭齒輪旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度)之間的關(guān)系。由圖3可知:將式(1)和式(2)代入式(3)得:由式(4)可知,當(dāng)α為旋轉(zhuǎn)模式中的幾個(gè)角度范圍的邊界值時(shí)的β值為:5nb與np的關(guān)系式在確定了射流軌跡和初步的結(jié)構(gòu)后,需要設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),將氣動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)力分別傳遞給驅(qū)動(dòng)噴頭公轉(zhuǎn)的外軸和驅(qū)動(dòng)噴頭自轉(zhuǎn)的內(nèi)軸。下面結(jié)合齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)原理(圖4)進(jìn)行分析和計(jì)算。氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn),再通過(guò)齒輪系逐級(jí)減速并分動(dòng)力給內(nèi)外軸,由馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及減速機(jī)和齒輪的減速比,可知各個(gè)軸上的轉(zhuǎn)速［3］。設(shè)噴頭自轉(zhuǎn)速度npβ,由圖3可知,即噴頭端部在自轉(zhuǎn)圓形軌跡上的轉(zhuǎn)速(β角所在平面),我們需要知道的是噴頭與公轉(zhuǎn)軸線所成的α角的轉(zhuǎn)速npα。下面就根據(jù)式(4),推導(dǎo)一下npα與npβ之間的關(guān)系式。對(duì)式(4)兩邊求正弦得:式(6)兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)得:由對(duì)式(6)等號(hào)兩邊求平方得:對(duì)式(7)兩邊求平方得:將式(8)代入式(9)并整理得:6帶單獨(dú)設(shè)備的內(nèi)孔整體清洗以上分析了噴頭的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),即噴頭繞自轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)繞槍管的軸線旋轉(zhuǎn)。但在底部清洗和頂部清洗模式時(shí)噴頭不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的,而是在一定范圍內(nèi)擺動(dòng),分別對(duì)底部或頂部進(jìn)行反復(fù)清洗。這一功能的實(shí)現(xiàn)需要?dú)鈩?dòng)控制系統(tǒng)的控制。氣動(dòng)控制系統(tǒng)由機(jī)械換向器(如圖5)和氣控系統(tǒng)(原理如圖6)所組成。圖5中,陰影部分分別表示底部清洗模式和頂部清洗模式時(shí)換向器內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度區(qū)域。中間的圓形表示安裝在外轉(zhuǎn)子上的鋼珠,內(nèi)轉(zhuǎn)子上在如圖45°、105°和105°、135°的位置上裝有頂桿。當(dāng)鋼珠旋轉(zhuǎn)到陰影區(qū)域的邊界位置時(shí),頂桿就會(huì)將鋼珠頂出。頂出的鋼珠會(huì)將圖6中的機(jī)械切換閥按下使其動(dòng)作。機(jī)械切換閥作為氣控閥的先導(dǎo)閥,使氣控閥動(dòng)作。氣控閥動(dòng)作將使氣動(dòng)馬達(dá)的進(jìn)排氣方向切換,則氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)向進(jìn)行切換,通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)使噴頭擺動(dòng)方向切換。由此實(shí)現(xiàn)噴頭在如圖5所示的區(qū)域內(nèi)擺動(dòng),形成反復(fù)清洗的模式。底部清洗模式和頂部清洗模式的切換是由噴槍停機(jī)時(shí),手動(dòng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)軸,使鋼珠處于不同的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的。如果需要在反復(fù)清洗模式(包括底部和頂部清洗模式)和全方位清洗模式間切換則通過(guò)手動(dòng)切換模式切換閥［4］。7全方位清洗模式的原理原油儲(chǔ)罐機(jī)械清洗工程中三維旋轉(zhuǎn)噴槍是最終的執(zhí)行機(jī)器,如何形成滿足清洗需要的清洗軌跡并實(shí)現(xiàn)具有在一定角度范圍內(nèi)反復(fù)清洗和全方位清洗模式的功能并能在不同模式間切換