原油储罐三维旋转喷枪设计

原油储罐三维旋转喷枪设计

1原油储罐机械清洗系统概况中国现在是世界上最大的石油消费大国。近年来，中国的石油战略和商业储存能力发生了重大变化。据不完全统计，已投资和建设的蓄储量超过1亿吨，单个储水池的规格基本上为5.10万吨3m。现在，一家研究石油公司15.20万吨hgs的公司正在研究中。由于储存的原油量大,且具有易燃、易爆、污染环境的特性,大型原油储罐一旦发生事故,将造成严重的经济损失和环境污染,而且可能酿成重大火灾及爆炸事故。为了确保储罐完整性及其使用安全,在原油储罐的实际运营中,需要定期停产检修。中国石油天然气行业标准SYT5921—2002规定:新建油罐第一次开罐检修的时间最长不超过10年,第二次及以后开罐检修周期一般为5~7年［1，2］。原油储罐在检修前必须清洗干净,而且不能造成资源浪费和环境污染,还要确保清洗过程的安全,因此原油机械清洗系统应运而生。而本文所探讨的三维旋转喷枪正是该系统的核心设备。原油储罐机械清洗作业中布置在浮顶上的喷枪产生三维旋转的射流,分别对罐底和罐顶进行冲刷,使沉积凝固的原油得以破碎和溶解,脱离所附着的罐壁表面,达到清洗的目的。从机械清洗需要形成的射流轨迹入手进行分析,应用运动学原理及机械传动理论和喷射技术等知识,可以设计出满足原油储罐机械清洗工程所需要的喷枪结构,产生所需要的三维旋转射流。2喷射流模式下电极内部分的设计原油储罐机械清洗作业中将喷枪安装在浮顶的支腿套管中,喷头处于浮顶与罐底之间。喷头旋转的轨迹如图1所示。从清洗的目的出发需要有2种区间清洗模式(底部清洗模式和顶部清洗模式)以及全方位清洗模式。底部清洗模式:由于浮盘落底后从浮顶到罐底的距离很短,一般是1~2m,所以当喷头与垂直方向所成的夹角很小时(45°以内),射流在底部覆盖的范围也很小,这部分很小的面积可以由布置在相邻位置的其它喷枪所产生的射流覆盖到或在全方位清洗模式时进行清洗。由此,把喷头向下摆动的极限位置设为45°是比较合理的。当喷头与垂直方向的夹角从45°向上摆动时,需要喷头同时绕垂直轴线做旋转运动,则喷头喷出的射流在底面上形成从内逐渐向外扩展的螺旋形轨迹,在夹角小于90°的范围内由于射流直射在底面上有非常好的冲刷清洗效果,但为了使射流能打到尽量远的位置,应将喷头向上摆动的极限位置设在105°,此时射流为抛物线,虽然打对底板的打击力减弱,但射程是最远的,同时布置在侧壁附近的喷枪可以对侧壁形成很好的清洗效果。由此得出底部清洗模式时清洗轨迹是45°~105°范围内的螺旋形轨迹。顶部清洗模式:底部清洗模式时的摆角上极限为105°,为了清洗时尽量覆盖到所有的区域,同时105°开始向上舞动,射流即可打到顶部,所以顶部清洗模式的下极限位置定为105°。从105°开始喷头向上摆动,射流在顶板上形成由外向内的螺旋形轨迹,但由于结构上的限制喷头与喷枪管轴线不可能形成180°,因为要实现喷头三维旋转需要喷头与喷枪管通过斜面配合,喷头绕斜面的轴线摆动和同时绕喷枪管的轴线旋转。所以当喷头绕斜面的轴线转过180°时喷头与喷枪管轴线所成夹角为135°,不过由于喷头与顶板距离非常近,135°~180°范围内为一个非常小的面积,通过合理的喷枪布置,可以由相邻的喷枪清洗到这部分面积。所以顶部清洗模式时,清洗轨迹为105°~135°范围内的螺旋形轨迹。3外轴空气枪的组成由以上对原油储罐机械清洗作业中喷枪所需要形成的清洗轨迹的分析,设计喷枪的结构如图2所示。三维旋转喷枪由气动马达、减速机、齿轮传动系统、角度指示器、枪管、外轴、内轴、喷头以及气动控制系统等组成。气动马达输出的动力经减速机减速后由齿轮传动系统分别传递给外轴和内轴,外轴形成喷头绕喷枪轴线的旋转运动———公转,内轴的旋转形成喷头绕自身轴线的旋转运动———自转,或由气动控制系统控制喷头在一定角度范围内摆动。4旋转角度与螺钉旋转轴线的关系喷头三维运动可以抽象成如图3所示的空间旋转运动。喷头自转旋转轴与喷头公转旋转轴成67.5°交角。喷头自转形成母线为L,顶角为135°的圆锥面。喷头端部形成半径为R的圆形轨迹。喷头在自转的同时绕公转旋转轴公转,轴线保持不变。通过几何分析计算,要找到任意时刻喷头与公转旋转轴的角度α与喷头端部在圆形轨迹上的位置与喷头在与公转旋转轴同轴时的位置(即0位)的圆心角β(即喷头齿轮旋转过的角度)之间的关系。由图3可知:将式(1)和式(2)代入式(3)得:由式(4)可知,当α为旋转模式中的几个角度范围的边界值时的β值为:5nb与np的关系式在确定了射流轨迹和初步的结构后,需要设计齿轮传动系统,将气动马达的动力分别传递给驱动喷头公转的外轴和驱动喷头自转的内轴。下面结合齿轮传动系统原理(图4)进行分析和计算。气动马达驱动减速机旋转,再通过齿轮系逐级减速并分动力给内外轴,由马达的转速及减速机和齿轮的减速比,可知各个轴上的转速［3］。设喷头自转速度npβ,由图3可知,即喷头端部在自转圆形轨迹上的转速(β角所在平面),我们需要知道的是喷头与公转轴线所成的α角的转速npα。下面就根据式(4),推导一下npα与npβ之间的关系式。对式(4)两边求正弦得:式(6)两边同时对时间t求导数得:由对式(6)等号两边求平方得:对式(7)两边求平方得:将式(8)代入式(9)并整理得:6带单独设备的内孔整体清洗以上分析了喷头的三维旋转运动,即喷头绕自转轴线旋转的同时绕枪管的轴线旋转。但在底部清洗和顶部清洗模式时喷头不是连续旋转的,而是在一定范围内摆动,分别对底部或顶部进行反复清洗。这一功能的实现需要气动控制系统的控制。气动控制系统由机械换向器(如图5)和气控系统(原理如图6)所组成。图5中,阴影部分分别表示底部清洗模式和顶部清洗模式时换向器内外转子转过的角度区域。中间的圆形表示安装在外转子上的钢珠,内转子上在如图45°、105°和105°、135°的位置上装有顶杆。当钢珠旋转到阴影区域的边界位置时,顶杆就会将钢珠顶出。顶出的钢珠会将图6中的机械切换阀按下使其动作。机械切换阀作为气控阀的先导阀,使气控阀动作。气控阀动作将使气动马达的进排气方向切换,则气动马达转向进行切换,通过传动系统使喷头摆动方向切换。由此实现喷头在如图5所示的区域内摆动,形成反复清洗的模式。底部清洗模式和顶部清洗模式的切换是由喷枪停机时,手动旋转内轴,使钢珠处于不同的区域实现的。如果需要在反复清洗模式(包括底部和顶部清洗模式)和全方位清洗模式间切换则通过手动切换模式切换阀［4］。7全方位清洗模式的原理原油储罐机械清洗工程中三维旋转喷枪是最终的执行机器,如何形成满足清洗需要的清洗轨迹并实现具有在一定角度范围内反复清洗和全方位清洗模式的功能并能在不同模式间切换