基于浮子位置對(duì)內(nèi)浮盤與浮動(dòng)出油裝置影響的力學(xué)分析

沈青

（北京中航油工程建設(shè)有限公司，北京 100012）

在中國航油系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存航空油料，以往經(jīng)常采用拱頂油罐，但由于拱頂油罐在儲(chǔ)存和收發(fā)油品時(shí)存在“小呼吸”和“大呼吸”，油品蒸發(fā)損耗較大，且拱頂油罐呼吸閥故障引起油罐吸癟的情況也屢有發(fā)生[1-2]，近年來安全、環(huán)保方面規(guī)范逐步出臺(tái)，逐漸推廣使用內(nèi)浮頂罐。為了保證航空油料的質(zhì)量，國內(nèi)外航油設(shè)計(jì)規(guī)范都明確要求使用罐內(nèi)浮動(dòng)出油裝置[3]，它利用水分、雜質(zhì)在重力場的沉降作用，使儲(chǔ)罐上層液位的潔凈油料優(yōu)先發(fā)放[4-8]。國內(nèi)首都機(jī)場油庫、北京大興機(jī)場油庫、上海浦東機(jī)場油庫、上海虹橋機(jī)場油庫、廣州白云機(jī)場油庫、深圳寶安機(jī)場油庫、成都雙流機(jī)場油庫、成都天府機(jī)場油庫等國內(nèi)機(jī)場油庫的油罐均安裝了內(nèi)浮盤和浮動(dòng)出油裝置。然而，油罐的內(nèi)浮盤和浮動(dòng)出油裝置運(yùn)行的浮力設(shè)計(jì)是分開的，加上工況變化對(duì)設(shè)備運(yùn)行有一定的影響，以上因素的綜合存在導(dǎo)致一些機(jī)場油庫出現(xiàn)了浮動(dòng)出油裝置撞壞內(nèi)浮盤的現(xiàn)象[9-10]，也出現(xiàn)過浮動(dòng)出油裝置的浮子被浮盤撞變形的情況。

對(duì)內(nèi)浮頂油罐的浮盤與浮動(dòng)出油裝置受力及運(yùn)行情況，缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究，本文設(shè)計(jì)并搭建了內(nèi)浮盤與浮動(dòng)出油裝置的小型試驗(yàn)裝置，對(duì)內(nèi)浮盤與浮動(dòng)出油裝置工作狀態(tài)下的作用力進(jìn)行試驗(yàn)分析，測量了不同浮子安裝位置對(duì)作用力的影響?；诟?dòng)出油裝置的力學(xué)分析，分析了浮動(dòng)出油裝置浮子安裝位置與浮盤所受作用力的關(guān)系，旨在為浮動(dòng)出油裝置浮力配置的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 內(nèi)浮頂罐模擬試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)由有機(jī)玻璃罐、管路及浮動(dòng)出油裝置、水泵、閥門及流量計(jì)等組成，試驗(yàn)介質(zhì)為水。儲(chǔ)罐直徑1.2 m、高度1.5 m、容積約1.5 m3；浮動(dòng)出油裝置采用有機(jī)玻璃制作，管徑DN 50，如圖1 所示；泵選用DN 50 電動(dòng)離心泵、額定流量20 m3/h。在內(nèi)浮盤周向和徑向均勻設(shè)置應(yīng)變片，在浮動(dòng)出油裝置與內(nèi)浮盤之間的柔性連接上設(shè)置測力傳感器，測量浮動(dòng)出油裝置對(duì)內(nèi)浮盤的受力情況。

圖1 浮動(dòng)出油裝置示意Fig.1 Schematic diagram of floating oil delivery device

2 浮動(dòng)出油裝置對(duì)內(nèi)浮盤的作用力特點(diǎn)

2.1 內(nèi)浮盤所受拉力特點(diǎn)

通過小型試驗(yàn)裝置測試分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)浮盤所受浮動(dòng)出油裝置的作用力分為兩個(gè)階段：第一階段：液面高度0.27 m 時(shí)，內(nèi)浮盤產(chǎn)生的浮力拉動(dòng)浮動(dòng)出油裝置，使浮動(dòng)出油裝置的上浮臂離開罐底，產(chǎn)生拉力突變，并隨液面的上升拉力增加；在液面高度0.58 m時(shí)，內(nèi)浮盤產(chǎn)生的浮力拉動(dòng)浮動(dòng)出油裝置下浮臂離開罐底位置，此時(shí)拉力達(dá)到極值。第二階段：隨液面進(jìn)一步上升，浮動(dòng)出油裝置姿態(tài)發(fā)生變化，使內(nèi)浮盤受到拉力緩慢減小，直至液面上升到油罐的上限位置，如圖2 所示。

圖2 內(nèi)浮盤所受拉力與液面高度關(guān)系Fig.2 The relationship between the tension of the inner floating plate and the height of the liquid level

2.2 上浮子位置對(duì)內(nèi)浮盤受力的影響

保持浮動(dòng)出油裝置下浮子（安裝在下浮臂）位置固定在200 mm 處，對(duì)浮動(dòng)出油裝置上浮子（安裝在上浮臂）的位置進(jìn)行調(diào)整，分別在0、50、100 mm 處。試驗(yàn)結(jié)果表明：在第一階段中隨浮動(dòng)出油裝置上浮子位置的增加，內(nèi)浮頂所受的拉力也隨之增大，拉力從0.38 kgf 變?yōu)?.47 kgf，這與上浮子浮力配置所產(chǎn)生的浮力轉(zhuǎn)動(dòng)力矩關(guān)系密切。由于下浮子位置固定，在液面從0.58 m 到上限位置的第二階段受力較為復(fù)雜，如圖3 所示。

圖3 上浮子配置位置對(duì)內(nèi)浮盤的拉力Fig.3 The pulling force of the upper float configuration position on the inner floating plate

2.3 下浮子位置對(duì)內(nèi)浮盤受力的影響

保持浮動(dòng)出油裝置上浮子位置固定在50 mm 處，對(duì)浮動(dòng)出油裝置下浮子位置進(jìn)行調(diào)整，分別在0 mm、100 mm、200 mm、300 mm 處。結(jié)果表明，僅調(diào)整下浮子的位置，在液面從0.27 m 變化到0.58 m 的第一階段，內(nèi)浮頂所受拉力幾乎維持不變；而液面從0.58 m 到上限位置的第二階段，隨下浮子位置的增加，內(nèi)浮頂所受拉力隨之減小，在液面0.58 m 處（下浮臂剛離開罐底的位置）內(nèi)浮盤所受拉力從1.13 kgf 減小到0.76 kgf，說明下浮子配置位置所產(chǎn)生的浮力轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與第二階段內(nèi)浮盤所受拉力關(guān)系密切。

圖4 下浮子配置位置對(duì)內(nèi)浮盤的拉力Fig.4 Pulling force of the lower float configuration position on the inner floating plate

3 浮動(dòng)出油裝置對(duì)內(nèi)浮盤作用力理論基礎(chǔ)

3.1 內(nèi)浮頂浮動(dòng)出油裝置幾何關(guān)系

基于浮動(dòng)出油裝置幾何模型，對(duì)浮動(dòng)出油裝置開展受力研究。浮動(dòng)出油裝置頂端彎頭上升至高度H時(shí)的幾何關(guān)系如圖5 所示。假設(shè)上升過程中浮動(dòng)出油裝置的吸入口相對(duì)于內(nèi)浮頂位置不變，L0為常數(shù)，可得出如下幾何關(guān)系。

采用Newton-Raphson 法，可求解高度H下的α和β角度，令：

構(gòu)造向量函數(shù)F（x）的Jacobi 矩陣：

構(gòu)造迭代函數(shù)：

記x（k+1）=x（k）+Δx（k），給定初值x（0），得到Newton-Raphson 迭代式：

3.2 內(nèi)浮頂浮動(dòng)出油裝置的受力分析

在計(jì)算浮動(dòng)出油裝置高度H時(shí)上下浮管角度α和β基礎(chǔ)上，對(duì)浮動(dòng)出油裝置受力分析如圖5，上浮管的受力分析如圖6。

圖5 浮動(dòng)出油裝置受力分析Fig.5 Force analysis of floating oil delivery device

圖6 上浮管受力分析Fig.6 Force analysis of upper floating pipe

設(shè)下浮管兩個(gè)浮筒安裝位置為D1，D2（距底部旋轉(zhuǎn)接頭A距離），上浮管浮筒安裝位置為D3（距中間旋轉(zhuǎn)接頭B距離）。整體以底部旋轉(zhuǎn)接頭A點(diǎn)力矩平衡∑MA= 0，可得：

∑FY= 0，可得

∑MB= 0，可得

∑FY= 0，可得

∑FX= 0，可得

4 浮動(dòng)出油裝置對(duì)內(nèi)浮盤作用力分析

本節(jié)選取機(jī)場內(nèi)浮頂油罐浮動(dòng)出油裝置（DN 500）繼續(xù)開展力學(xué)分析。取L0=6 m，L1=13.06 m，L2=6.53 m，采用Newton-Raphson 迭代計(jì)算高度H在0 ～ 13 m 變化范圍內(nèi)上下浮管角度α和β如圖7 所示。

圖7 浮動(dòng)出油裝置上下浮管角度Fig.7 The angle of the upper and lower floating pipes of the floating oil delivery device

圖8 為調(diào)整上浮子位置對(duì)浮動(dòng)出油裝置受力影響的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯S浮子位置從1 m 提升至3 m（上浮子位置從中間旋轉(zhuǎn)接頭的軸心位置算起），頂端彎頭垂直方向作用力增加，但水平方向作用力為反向，可能發(fā)生中間旋轉(zhuǎn)接頭頂撞內(nèi)浮盤，頂端彎頭受力的合力下降，在3 m 時(shí)達(dá)到最小值；從3 m 之后，頂端彎頭垂直方向作用力繼續(xù)增加，水平方向作用力在3.3 m 左右達(dá)到0，之后反向增加，頂端彎頭受力的合力上升。

圖8 上浮子位置對(duì)頂端彎頭受力的影響Fig.8 The influence of the position of the upper float on the force of the top elbow

表1 DN 500 浮動(dòng)出油裝置相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of DN 500 floating oil delivery device

圖9 為上升高度相同時(shí)，調(diào)整下浮子位置對(duì)浮動(dòng)出油裝置頂端彎頭受力影響的計(jì)算結(jié)果。可以看出，隨浮子位置從1 m 提升至6.3 m（下浮子位置從底部旋轉(zhuǎn)接頭的軸心位置算起），頂端彎頭水平方向作用力逐步下降至0 m，之后反向增加；垂直方向作用力則在8.1 m 處降至0 m，之后反向增加。說明浮子位置在8.1 m 后可能發(fā)生頂端彎頭頂撞內(nèi)浮盤的情 況。

圖9 下浮子位置對(duì)頂端彎頭受力的影響Fig.9 The influence of the position of the lower float on the force of the top elbow

通過對(duì)比第2 節(jié)所獲小型試驗(yàn)裝置中作用力結(jié)果及本節(jié)依據(jù)力學(xué)分析計(jì)算的受力情況，可知浮動(dòng)出油裝置上下浮子的配置對(duì)內(nèi)浮盤受力有較大影響，上浮子配置位置與第一階段的內(nèi)浮盤受力關(guān)系密切，下浮子配置位置對(duì)第二階段內(nèi)浮盤受力影響較大。計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均闡明：上浮子配置位置過低、下浮子配置位置過高時(shí)，可能出現(xiàn)浮動(dòng)出油裝置頂撞內(nèi)浮盤的情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文通過搭建小型室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)內(nèi)浮盤與浮動(dòng)出油裝置的受力情況開展了試驗(yàn)研究，掌握了不同浮子安裝位置時(shí)內(nèi)浮盤的受力特點(diǎn)。同時(shí)，基于浮動(dòng)出油裝置幾何關(guān)系，計(jì)算得到了浮動(dòng)出油裝置的受力情況及浮子安裝位置對(duì)受力的影響。研究結(jié)果表明，上浮子配置位置過低、下浮子配置位置過高，存在浮動(dòng)出油裝置頂撞內(nèi)浮盤的力學(xué)可能，浮子更不能集中在上、下浮管之間的旋轉(zhuǎn)接頭附近設(shè)置，建議今后在浮動(dòng)出油裝置設(shè)計(jì)中，根據(jù)浮管頂端彎頭受力情況，合理選取上下浮子的配置位置。