內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝的設計

李海濤 趙宏霞

摘 ?要：在國家環(huán)保標準逐步細化完善的背景下，相關行業(yè)對油品蒸發(fā)損耗、大氣污染問題加強了重視，內(nèi)浮頂儲油罐在不同類型油庫中得到了廣泛的應用。本文以內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝為研究要點，闡述了內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝原理，探究了內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝設計線路，并對內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝設計方案進行了簡單的分析。

關鍵詞：內(nèi)浮頂儲油罐;機器人;清洗工藝

中圖分類號：TE972;TP242 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0142-03

Design of Robot Cleaning Technology for Internal Floating Roof Tank

LI Haitao，ZHAO Hongxia

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou ?253034，China）

Abstract：Under the background of the gradual refinement and perfection of national environmental protection standards，the evaporation loss and air pollution of oil products have been paid more attention by relevant industries，and the inner floating roof tank has been widely used in different types of oil depots. In this paper，the robot cleaning technology of inner floating roof tank is taken as the main research point，the principle of robot cleaning technology of inner floating roof tank is expounded，and the design circuit of robot cleaning technology of inner floating roof tank is explored. The design scheme of robot cleaning technology for inner floating roof tank is analyzed simply.

Keywords：inner floating roof tank;robot;cleaning process

0 ?引 ?言

根據(jù)國家關于原油及成品油罐大修間隔期的相關規(guī)定，在原油及成品油檢修、油品更換之前必須進行清洗作業(yè)，且大修間隔期應在五年至七年之間。而常規(guī)儲油罐清洗檢修周期為三年至五年，工作人員需要在清洗檢修期間對沉積在儲油罐內(nèi)油泥進行清洗、回收，整體工作強度較大。內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝是一種高效、環(huán)保的清洗工藝，其可以從根本上解決人工清洗周期長、難度大、危險性大等問題。因此，對儲油罐機器人清洗工藝進行適當探究具有非常重要的意義。

1 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝概述

內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝主要是在內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)增設一鋁質(zhì)浮盤，并在浮盤下部裝設有分布均勻的支柱、進出油管、擴散管等附件。在罐內(nèi)油品釋放完畢后，浮盤會下降促使浮盤下部支柱接觸內(nèi)浮頂儲油罐底部，同時在內(nèi)浮頂儲油罐底部形成一個高度在六百五十毫米至九百毫米的作業(yè)空間。內(nèi)浮頂儲油罐機器人可經(jīng)引導梯進入內(nèi)浮頂儲油罐作業(yè)空間內(nèi)。利用180°水射流清洗模式，配合定點清洗方案，進行內(nèi)浮頂儲油罐底部、側(cè)壁清洗作業(yè)。同時經(jīng)污水回收裝置，將清洗后廢水傳送至油品回收裝置內(nèi)。

2 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝設計線路

內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝主要包括油品移送、油泥分析、設備安裝、氮氣置換、機器人進罐、清洗作業(yè)、污水回收、效果檢查、機器人儲罐及現(xiàn)場恢復幾個模塊，如圖1所示。

其中在油品移送模塊，相關工作人員需要將內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)多余油品全部排盡，并將其排放至儲存設施。而在油泥分析模塊，技術人員需要利用紅外熱成像儀，對內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)的油泥分布、厚度進行逐一檢查;并依據(jù)內(nèi)浮頂儲油罐現(xiàn)場運行情況，制定合理的內(nèi)浮頂儲油罐清洗方案，確定內(nèi)浮頂儲油罐機器人的工作要點。

設備安裝及氮氣置換主要是依據(jù)內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝運行原理，進行系統(tǒng)設備布置及安裝;并啟動裝置內(nèi)氣體置換裝置，向罐體內(nèi)注入氮氣，促使氧氣體積分數(shù)維持在百分之八以下。

機器人進罐主要是在罐內(nèi)監(jiān)控裝置開啟并調(diào)試后，由專業(yè)人員遙控，通過安裝在內(nèi)浮頂儲油罐壁入口的入孔引導梯，進入內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)部;在內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人進入罐內(nèi)后，可啟動給水裝置，依據(jù)所制定的清洗方案，由專業(yè)人員遙控，或者開展自動清洗作業(yè)。由于內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)存在多個附件，機器人需要逐步調(diào)整工作點，進行多個角度清洗;同時啟動污水回收裝置，經(jīng)抽污管，將內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)清洗后的污水及時排除。

污水回收主要是在清洗作業(yè)結束時，繼續(xù)操控污水回收裝置，直至內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)剩余污水完全回收;而回收后的污水則可轉(zhuǎn)移至第三方油泥回收系統(tǒng)，進行后續(xù)處理。

效果檢查主要是利用內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人攜帶的攝像照明設備，對內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)清洗效果與清洗要求進行對比分析。

在確定內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)清洗效果與清洗要求相符后，可控制機器人出罐，即利用入孔引導梯，控制內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人駛出儲油罐，并關閉內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)監(jiān)控裝置，同時拆除系統(tǒng)設備，促使內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)部裝置與清洗前一致。

3 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗工藝的設計

3.1 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)設計

內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)主包括入孔引導梯、卷放器、監(jiān)控裝置、污水回收裝置、給水裝置、氣體置換裝置、清洗機器人等幾個模塊。

入口引導梯是清洗機器人進出內(nèi)浮頂儲油罐的主要通道，主要位于內(nèi)浮頂儲油罐壁，為人造孔道。

卷放器可通過內(nèi)浮頂儲油罐控制系統(tǒng)，配合機器人前進、后退運動，進行收纜、放攬操作;同時利用多通道快速接頭、轉(zhuǎn)接裝置，保證液壓油、水、氣管道與電纜、電氣設備的有效連接。

監(jiān)控裝置主要負責對作業(yè)空間、清洗機器人狀態(tài)實時監(jiān)控，包括傳感器、控制臺、監(jiān)視器、照明裝置、全局攝像等幾個模塊。

污水回收裝置主要包括污水回收罐、過濾器、真空泵幾個模塊。真空泵可以將內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)多余污水、雜質(zhì)抽出，通過過濾器，進入污水回收罐內(nèi)。

給水裝置與水管直接相連，可以向管內(nèi)注入水分。

氣體置換裝置包括空氣壓縮機、氮氣發(fā)生器兩個模塊，其可以向內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)部注入純凈氮氣，降低內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)部氧氣濃度。

清洗機器人主要采用液壓驅(qū)動及遙控有線控制模式，其內(nèi)部配置有自旋轉(zhuǎn)形式噴頭、攝像照明裝置、傳感器、抽污管。其控制需求較多，且結構復雜程度較高。在清洗機器人控制系統(tǒng)設置過程中，設計人員可參考國內(nèi)外清洗機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點，利用液壓系統(tǒng)設計的一般方法，綜合考慮清洗機器人的主要運動參數(shù)，對清洗機器人樣機的液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行詳細設計，主要包括底盤驅(qū)動各運動部件等。

需要注意的是，在內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)設計時，應嚴格依據(jù)內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)部爆炸性危險區(qū)域規(guī)定的防爆等級要求，選擇不產(chǎn)生火花的有色金屬。以保證內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3.2 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗模式設計

內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗模式主要包括180°水射流清洗模式、定時清洗模式兩個模塊。

一方面，在180°水射流清洗模式運行過程中，相關技術人員可以以水射流為主要驅(qū)動力，在機器人最前端設置噴頭真心軸。通過改變水射流壓力，調(diào)節(jié)循環(huán)周期，即在內(nèi)浮頂儲油罐底部表面初步清洗的基礎上，逐步加密循環(huán)水射流;并設定半球形有效清洗半徑，保證油罐內(nèi)油泥的有效剝離。

另一方面，在定點清理模式設計時，設計人員可設定內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)若干位置為清洗機器人工作點。在180°清洗模式清洗完畢后，結合內(nèi)浮頂儲油罐規(guī)格，在清洗機器人工作點數(shù)量最少、內(nèi)浮頂儲油罐中心采取重復清洗、可完全覆蓋待清洗區(qū)域的方針。以入孔正前方某一位置為清洗機器人工作起點，沿各路徑直線，在避開浮盤支柱、內(nèi)浮頂儲油罐底部附件的前提下，將工作點逐一連接;隨后清洗機器人可由近及遠的運行至各個工作點，并將原路返回至路徑起點，進行后續(xù)路徑清洗。

3.3 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗控制系統(tǒng)設計

考慮到清洗機器人工作空間具有一定的爆炸性風險，因此，在防爆型電氣設備設置的基礎上，技術人員可根據(jù)國內(nèi)內(nèi)浮頂儲油罐結構。借鑒NESL遠程遙控清洗小車及Landary遙控自動小車經(jīng)驗，在可燃氣體傳感器、氧氣傳感器、LED照明燈、CCD攝像頭等裝置設置的基礎上，在內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)增設全局攝像頭。在手動操作模式下，操作人員可以在安全區(qū)域控制空間內(nèi)，通過內(nèi)浮頂儲油罐機器人攜帶的CCD攝像頭及全局攝像頭，確定清洗區(qū)域。并監(jiān)控清洗機機器人行進狀態(tài)、內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)油氣及氧氣濃度，保證作業(yè)安全性。同時設計人員可在內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)內(nèi)增設通訊傳感單元、供電單元，將內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)行進期間檢測到的各種信息反饋給遠程控制單元，以實現(xiàn)內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)全方位移動控制目標。

3.4 ?內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)仿真應用

內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)是一項全新的用于內(nèi)浮頂儲油罐清洗的技術，該技術主要以水作為工作介質(zhì)，通過給水裝置、卷放器形成水射流束，以實現(xiàn)對內(nèi)浮頂儲油罐內(nèi)部及底部的清洗作業(yè)。在內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)設計完畢后，為保證內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)的運行效果，相關技術人員可以對采用AMESim軟件，以清洗機器人底盤驅(qū)動仿真模型構建的方式，對內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)進行仿真控制。并將內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)仿真結果與設計計算數(shù)據(jù)進行對比分析，以驗證該內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)運動的準確性。同時為進一步驗證內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)運行效果，設計人員可向ADAMS軟件內(nèi)導入優(yōu)化設計后的內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)，對實際清洗過程進行模擬分析。即在虛擬樣機內(nèi)添加工作載荷，利用一定的驅(qū)動函數(shù)，驅(qū)動清洗機器人對實際清洗過程進行模擬。最終判定內(nèi)浮頂儲油罐清洗情況與機器人運動參數(shù)、實際計算結果的差異。在這個基礎上，相關設計人員可充分利用AMESim軟件在液壓控制系統(tǒng)的分析優(yōu)勢，結合前期計算結果設置對應的輸入輸出參數(shù)，構建內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗聯(lián)合仿真平臺，在內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗聯(lián)合仿真平臺上進行清洗工作的仿真;并分別分析不同軟件環(huán)境中清洗機器人動作參數(shù)的輸出結果的一致性，保證最終內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗聯(lián)合仿真平臺分析結果的正確性、可靠性。

如圖2所示，可得出在內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)運行時，不會與內(nèi)浮頂儲油罐側(cè)壁其他附件產(chǎn)生機械接觸，機械磨損風險較低，機械裝置更換頻率也較低。同時內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)運行效率較高，維修成本低，可有效降低內(nèi)浮頂儲油罐清洗人員工作壓力。

4 ?結 ?論

綜上所述，清洗機器人作為一個重要的工作平臺，是未來儲油行業(yè)的一個重要發(fā)展方向，但我國現(xiàn)階段在清洗機器人智能控制方面的系統(tǒng)研究較薄弱。因此，在后續(xù)研究過程中，相關技術人員可從清洗機器人工作原理出發(fā)，從180°水射流清洗模式、定點清洗模式兩個方面，對內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)進行逐步優(yōu)化完善，為內(nèi)浮頂儲油罐機器人清洗系統(tǒng)的有效應用提供依據(jù)。

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作者簡介：李海濤（1979.12-），男，漢族，山東德州人，本科，工程師，研究方向：機械電氣。