原油儲罐機(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。筆者從機(jī)械清洗需要形成的射流軌跡入手，通過對結(jié)構(gòu)、噴頭運(yùn)動、齒輪傳動系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)的分析研究，設(shè)計出具備特殊結(jié)構(gòu)的三維旋轉(zhuǎn)噴槍使其能夠滿足清洗工程的需要。射流軌跡分析是已知噴槍需要達(dá)到的功能的情況下分析噴頭的運(yùn)動模式。噴頭運(yùn)動分析以射流軌跡分析的結(jié)果作為輸入條件，分析出結(jié)構(gòu)上的幾何關(guān)系。齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計以運(yùn)動分析為基礎(chǔ)，計算出噴頭自轉(zhuǎn)速度和與公轉(zhuǎn)軸線夾角速度之間的關(guān)系，并確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和傳動比。氣動控制系統(tǒng)設(shè)計為傳動系統(tǒng)提供合適的動力，以及控制噴頭在一定的角度范圍內(nèi)擺動。通過對以上關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，設(shè)計出滿足原油儲罐機(jī)械清洗工程需要的三維旋轉(zhuǎn)噴槍。

1、引言

　　我國目前已經(jīng)成為世界第一石油消費(fèi)大國，石油的戰(zhàn)略和商業(yè)儲備能力近兩年里突飛猛進(jìn)，據(jù)不完全統(tǒng)計已經(jīng)投用和開始建設(shè)的儲存總量達(dá)到1 億噸以上，而且單臺儲罐的規(guī)格基本上都是5 ～ 10 萬m3，現(xiàn)在中石油某企業(yè)正在研究15 ～ 20萬m3 的儲罐。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(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。為了確保儲罐完整性及其使用安全，在原油儲罐的實(shí)際運(yùn)營中，需要定期停產(chǎn)檢修。中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921—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。原油儲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)動學(xué)原理及機(jī)械傳動理論和噴射技術(shù)等知識，可以設(shè)計出滿足原油儲罐機(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、射流軌跡分析

　　原油儲罐機(jī)械清洗作業(yè)中將噴槍安裝在浮頂?shù)闹�腿套管中，噴頭處于浮頂與罐底之間。噴頭旋轉(zhuǎn)的軌跡如圖1 所示。

圖1 噴槍射流軌跡

　　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。

　　真空技術(shù)網(wǎng)(www.mp99x.cn)認(rèn)為底部清洗模式: 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( 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進(jìn)行清洗。由此，把噴頭向下擺動的極限位置設(shè)為45°是比較合理的。當(dāng)噴頭與垂直方向的夾角從45° 向上擺動時，需要噴頭同時繞垂直軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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)將噴頭向上擺動的極限位置設(shè)在105°，此時射流為拋物線，雖然打?qū)Φ装宓拇驌袅�減弱，但射程是最遠(yuǎn)的，同時布置在側(cè)壁附近的噴槍可以對側(cè)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(nèi)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(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(zhuǎn)。所以當(dāng)噴頭繞斜面的軸線轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)的螺旋形軌跡。

3、三維旋轉(zhuǎn)噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由以上對原油儲罐機(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)計噴槍的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三維旋轉(zhuǎn)噴槍結(jié)構(gòu)

　　三維旋轉(zhuǎn)噴槍由氣動馬達(dá)、減速機(jī)、齒輪傳動系統(tǒng)、角度指示器、槍管、外軸、內(nèi)軸、噴頭以及氣動控制系統(tǒng)等組成。氣動馬達(dá)輸出的動力經(jīng)減速機(jī)減速后由齒輪傳動系統(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———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———自轉(zhuǎn)，或由氣動控制系統(tǒng)控制噴頭在一定角度范圍內(nèi)擺動。

7、結(jié)語

　　原油儲罐機(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是關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。筆者對清洗軌跡和噴頭的運(yùn)動進(jìn)行了分析，并對總體結(jié)構(gòu)、齒輪傳動系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了簡要的闡述。論述了清洗噴槍三維旋轉(zhuǎn)射流的成因。設(shè)計的三維旋轉(zhuǎn)噴槍已成功應(yīng)用于原油儲罐機(jī)械清洗工程，如新疆吐哈油田、鎮(zhèn)海國家石油儲備基地原油儲罐的清洗工程等，驗(yàn)證了分析和設(shè)計是科學(xué)的。