原油儲罐三維旋轉噴槍設計

原油儲罐三維旋轉噴槍設計

1原油儲罐機械清洗系統(tǒng)概況中國現(xiàn)在是世界上最大的石油消費大國。近年來，中國的石油戰(zhàn)略和商業(yè)儲存能力發(fā)生了重大變化。據不完全統(tǒng)計，已投資和建設的蓄儲量超過1億噸，單個儲水池的規(guī)格基本上為5.10萬噸3m?，F(xiàn)在，一家研究石油公司15.20萬噸hgs的公司正在研究中。由于儲存的原油量大,且具有易燃、易爆、污染環(huán)境的特性,大型原油儲罐一旦發(fā)生事故,將造成嚴重的經濟損失和環(huán)境污染,而且可能釀成重大火災及爆炸事故。為了確保儲罐完整性及其使用安全,在原油儲罐的實際運營中,需要定期停產檢修。中國石油天然氣行業(yè)標準SYT5921—2002規(guī)定:新建油罐第一次開罐檢修的時間最長不超過10年,第二次及以后開罐檢修周期一般為5~7年［1，2］。原油儲罐在檢修前必須清洗干凈,而且不能造成資源浪費和環(huán)境污染,還要確保清洗過程的安全,因此原油機械清洗系統(tǒng)應運而生。而本文所探討的三維旋轉噴槍正是該系統(tǒng)的核心設備。原油儲罐機械清洗作業(yè)中布置在浮頂上的噴槍產生三維旋轉的射流,分別對罐底和罐頂進行沖刷,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,達到清洗的目的。從機械清洗需要形成的射流軌跡入手進行分析,應用運動學原理及機械傳動理論和噴射技術等知識,可以設計出滿足原油儲罐機械清洗工程所需要的噴槍結構,產生所需要的三維旋轉射流。2噴射流模式下電極內部分的設計原油儲罐機械清洗作業(yè)中將噴槍安裝在浮頂的支腿套管中,噴頭處于浮頂與罐底之間。噴頭旋轉的軌跡如圖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到罐底的距離很短,一般是1~2m,所以當噴頭與垂直方向所成的夾角很小時(45°以內),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生的射流覆蓋到或在全方位清洗模式時進行清洗。由此,把噴頭向下擺動的極限位置設為45°是比較合理的。當噴頭與垂直方向的夾角從45°向上擺動時,需要噴頭同時繞垂直軸線做旋轉運動,則噴頭噴出的射流在底面上形成從內逐漸向外擴展的螺旋形軌跡,在夾角小于90°的范圍內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的位置,應將噴頭向上擺動的極限位置設在105°,此時射流為拋物線,雖然打對底板的打擊力減弱,但射程是最遠的,同時布置在側壁附近的噴槍可以對側壁形成很好的清洗效果。由此得出底部清洗模式時清洗軌跡是45°~105°范圍內的螺旋形軌跡。頂部清洗模式:底部清洗模式時的擺角上極限為105°,為了清洗時盡量覆蓋到所有的區(qū)域,同時105°開始向上舞動,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,射流在頂板上形成由外向內的螺旋形軌跡,但由于結構上的限制噴頭與噴槍管軸線不可能形成180°,因為要實現(xiàn)噴頭三維旋轉需要噴頭與噴槍管通過斜面配合,噴頭繞斜面的軸線擺動和同時繞噴槍管的軸線旋轉。所以當噴頭繞斜面的軸線轉過180°時噴頭與噴槍管軸線所成夾角為135°,不過由于噴頭與頂板距離非常近,135°~180°范圍內為一個非常小的面積,通過合理的噴槍布置,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,清洗軌跡為105°~135°范圍內的螺旋形軌跡。3外軸空氣槍的組成由以上對原油儲罐機械清洗作業(yè)中噴槍所需要形成的清洗軌跡的分析,設計噴槍的結構如圖2所示。三維旋轉噴槍由氣動馬達、減速機、齒輪傳動系統(tǒng)、角度指示器、槍管、外軸、內軸、噴頭以及氣動控制系統(tǒng)等組成。氣動馬達輸出的動力經減速機減速后由齒輪傳動系統(tǒng)分別傳遞給外軸和內軸,外軸形成噴頭繞噴槍軸線的旋轉運動———公轉,內軸的旋轉形成噴頭繞自身軸線的旋轉運動———自轉,或由氣動控制系統(tǒng)控制噴頭在一定角度范圍內擺動。4旋轉角度與螺釘旋轉軸線的關系噴頭三維運動可以抽象成如圖3所示的空間旋轉運動。噴頭自轉旋轉軸與噴頭公轉旋轉軸成67.5°交角。噴頭自轉形成母線為L,頂角為135°的圓錐面。噴頭端部形成半徑為R的圓形軌跡。噴頭在自轉的同時繞公轉旋轉軸公轉,軸線保持不變。通過幾何分析計算,要找到任意時刻噴頭與公轉旋轉軸的角度α與噴頭端部在圓形軌跡上的位置與噴頭在與公轉旋轉軸同軸時的位置(即0位)的圓心角β(即噴頭齒輪旋轉過的角度)之間的關系。由圖3可知:將式(1)和式(2)代入式(3)得:由式(4)可知,當α為旋轉模式中的幾個角度范圍的邊界值時的β值為:5nb與np的關系式在確定了射流軌跡和初步的結構后,需要設計齒輪傳動系統(tǒng),將氣動馬達的動力分別傳遞給驅動噴頭公轉的外軸和驅動噴頭自轉的內軸。下面結合齒輪傳動系統(tǒng)原理(圖4)進行分析和計算。氣動馬達驅動減速機旋轉,再通過齒輪系逐級減速并分動力給內外軸,由馬達的轉速及減速機和齒輪的減速比,可知各個軸上的轉速［3］。設噴頭自轉速度npβ,由圖3可知,即噴頭端部在自轉圓形軌跡上的轉速(β角所在平面),我們需要知道的是噴頭與公轉軸線所成的α角的轉速npα。下面就根據式(4),推導一下npα與npβ之間的關系式。對式(4)兩邊求正弦得:式(6)兩邊同時對時間t求導數得:由對式(6)等號兩邊求平方得:對式(7)兩邊求平方得:將式(8)代入式(9)并整理得:6帶單獨設備的內孔整體清洗以上分析了噴頭的三維旋轉運動,即噴頭繞自轉軸線旋轉的同時繞槍管的軸線旋轉。但在底部清洗和頂部清洗模式時噴頭不是連續(xù)旋轉的,而是在一定范圍內擺動,分別對底部或頂部進行反復清洗。這一功能的實現(xiàn)需要氣動控制系統(tǒng)的控制。氣動控制系統(tǒng)由機械換向器(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換向器內外轉子轉過的角度區(qū)域。中間的圓形表示安裝在外轉子上的鋼珠,內轉子上在如圖45°、105°和105°、135°的位置上裝有頂桿。當鋼珠旋轉到陰影區(qū)域的邊界位置時,頂桿就會將鋼珠頂出。頂出的鋼珠會將圖6中的機械切換閥按下使其動作。機械切換閥作為氣控閥的先導閥,使氣控閥動作。氣控閥動作將使氣動馬達的進排氣方向切換,則氣動馬達轉向進行切換,通過傳動系統(tǒng)使噴頭擺動方向切換。由此實現(xiàn)噴頭在如圖5所示的區(qū)域內擺動,形成反復清洗的模式。底部清洗模式和頂部清洗模式的切換是由噴槍停機時,手動旋轉內軸,使鋼珠處于不同的區(qū)域實現(xiàn)的。如果需要在反復清洗模式(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手動切換模式切換閥［4］。7全方位清洗模式的原理原油儲罐機械清洗工程中三維旋轉噴槍是最終的執(zhí)行機器,如何形成滿足清洗需要的清洗軌跡并實現(xiàn)具有在一定角度范圍內反復清洗和全方位清洗模式的功能并能在不同模式間切換