臥式儲(chǔ)油罐清洗裝置的設(shè)計(jì)與分析

賈繼磊 王龍庭 王西錄 劉志慧 王彥富

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院；3.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部）

為了確保儲(chǔ)罐完整性及其使用的安全性，在原油儲(chǔ)罐的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，需要定期停產(chǎn)檢修。 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新建油罐第1次開罐檢修的時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)10年， 第2次及以后開罐檢修周期一般為5～7年［1，2］。原油儲(chǔ)罐在檢修前必須清洗干凈，且要確保清洗過(guò)程的安全性。 儲(chǔ)油罐的清洗通常是噴頭、噴槍裝置從浮頂孔進(jìn)入儲(chǔ)油罐內(nèi)，然后產(chǎn)生三維旋轉(zhuǎn)的射流，以此來(lái)達(dá)到對(duì)油罐頂部、底部、罐壁面的清洗和沖刷［3］，當(dāng)射流的壓力逐漸增大時(shí)，還可以達(dá)到使罐底或者罐壁上沉積的原油等其他結(jié)塊雜質(zhì)破碎或者溶解的效果。

筆者將普通的三維旋轉(zhuǎn)噴槍進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和效果改善，使之能夠配合到小型臥式儲(chǔ)油罐清洗機(jī)器人上， 并進(jìn)行機(jī)器人的尺寸設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析。

1 普通噴頭射流軌跡分析

圖1所示為普通的三維噴頭結(jié)構(gòu)，三維旋轉(zhuǎn)噴槍由氣動(dòng)或電動(dòng)馬達(dá)、減速機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、連接有通到罐外傳感器的角度指示器、噴槍槍管、內(nèi)外軸、 噴頭以及氣動(dòng)或電動(dòng)回路控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。 氣動(dòng)或電動(dòng)馬達(dá)輸出的動(dòng)力源經(jīng)減速機(jī)減速后由下一級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)分別傳送給三維旋轉(zhuǎn)噴槍的內(nèi)外軸， 外軸形成噴頭繞噴槍軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（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(dòng)（自轉(zhuǎn)）或由氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制噴頭在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)［4］。

圖1 普通三維旋轉(zhuǎn)噴槍的結(jié)構(gòu)示意圖

將儲(chǔ)油罐罐頂清洗作業(yè)中的套管安裝在簡(jiǎn)化模型后的履帶式清洗機(jī)器人上。噴頭處于儲(chǔ)油罐的中間， 旋轉(zhuǎn)軌跡如圖2所示。 清洗區(qū)域要包括儲(chǔ)油罐的頂部區(qū)域和底部區(qū)域，還要通過(guò)機(jī)器人的移動(dòng)覆蓋到整個(gè)儲(chǔ)油罐內(nèi)壁進(jìn)行全方位清洗。

圖2 旋轉(zhuǎn)軌跡示意圖

當(dāng)由清洗機(jī)器人裝載的噴槍清洗儲(chǔ)油罐底部時(shí)，通過(guò)圖2可知，清洗油罐底部時(shí)軸的擺動(dòng)角度的最大極限是105°，但為了在清洗時(shí)能夠覆蓋到幾乎所有的油罐底部區(qū)域，裝載噴槍的機(jī)械機(jī)構(gòu)在豎直方向做平動(dòng)。 在此極限位置向下開始擺動(dòng)噴頭，在油罐的頂部會(huì)形成由外向內(nèi)的螺旋形射流軌跡線［5］。當(dāng)噴頭繞斜面的軸線轉(zhuǎn)過(guò)半周時(shí)，最大可與噴槍管軸線形成135°夾角，大致可完成儲(chǔ)油罐頂部的清洗作業(yè)。 位于135～180°罐頂覆蓋不到的區(qū)域可以通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人或者其上的伸縮裝置進(jìn)行清洗。 所以在清洗儲(chǔ)油罐的底部時(shí)，噴槍射流的清洗軌跡大致可認(rèn)為是下極限位置到135°之間的軌跡區(qū)域。

當(dāng)清洗機(jī)器人裝載的噴槍對(duì)儲(chǔ)油罐頂部進(jìn)行清洗時(shí)，噴槍上的噴頭相對(duì)于豎直方向的夾角特別?。ㄐ∮?5°），噴頭的射流對(duì)油罐頂部的清洗覆蓋范圍較小，不能完全覆蓋到整個(gè)油罐頂部區(qū)域，因此在清洗機(jī)器人上相鄰的合適位置還需要布置其他噴槍，以提高清洗的效率。

2 新型三維旋轉(zhuǎn)噴頭設(shè)計(jì)分析

普通噴頭清洗的覆蓋范圍不足以覆蓋到整個(gè)儲(chǔ)油罐的內(nèi)壁面，只能夠清洗一定角度范圍內(nèi)的內(nèi)壁面，對(duì)于清洗不到的內(nèi)壁面，需要在機(jī)器人的同一個(gè)位置設(shè)置1～2個(gè)類似的裝置來(lái)達(dá)到對(duì)整個(gè)壁面的清洗覆蓋。 本課題針對(duì)小型臥式儲(chǔ)油罐研究的清洗機(jī)器人要達(dá)到小型化、輕量化的目的，因此需設(shè)計(jì)一種新型的、清洗范圍全覆蓋的、節(jié)能的噴頭裝置，如圖3所示。

圖3 新型三維旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

該新型三維旋轉(zhuǎn)噴頭機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要附帶類似于上述的噴槍裝置來(lái)輔助配合，能夠自動(dòng)完成清洗任務(wù)。 由于清洗對(duì)象是小型的臥式儲(chǔ)油罐，所以射流壓力不需要太大，1～2MPa即可［6］。

該三維噴頭的工作方式為：先在供水口處提供具有一定壓力的水流，水由于壓力的存在從噴頭噴射出去，此時(shí)對(duì)較長(zhǎng)的噴臂產(chǎn)生了一定的射流反沖力，然后帶動(dòng)位于裝置內(nèi)部的水平軸管轉(zhuǎn)動(dòng)，由于水平軸和垂直軸之間采用了一套錐齒輪嚙合連接，因此水平軸管的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)到垂直軸管上，進(jìn)而帶動(dòng)垂直軸管轉(zhuǎn)動(dòng)，然后整個(gè)噴頭裝置就開始轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)了。 通過(guò)此新型噴頭的工作過(guò)程可以了解到，這個(gè)結(jié)構(gòu)裝置僅僅通過(guò)入口處水的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)行，簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)，節(jié)約了一部分能源。

該三維旋轉(zhuǎn)噴頭能完成立體清洗任務(wù)，對(duì)于油罐內(nèi)壁的清洗幾乎可以達(dá)到全壁面的覆蓋，并且由于射流壓力為低壓， 會(huì)對(duì)油罐壁進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)產(chǎn)生的反沖力不會(huì)使機(jī)器人發(fā)生傾翻。

3 清洗機(jī)器人的尺寸設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

由于儲(chǔ)油罐內(nèi)存在一系列的油水混合物、油泥結(jié)渣物等，罐內(nèi)的環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，因此清洗機(jī)器人的機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性將直接關(guān)系到清洗工作能否順利、高效、安全的完成。 本次設(shè)計(jì)采用一種小型的履帶式清洗機(jī)器人，通過(guò)學(xué)習(xí)了解各種機(jī)器人穩(wěn)定性理論的分析，決定采用較為簡(jiǎn)單的力矩平衡穩(wěn)定分析法，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型，將主要參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算分析，基于分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)清洗機(jī)器人的寬度和接觸油罐的履帶長(zhǎng)度。 通過(guò)對(duì)清洗機(jī)器人在儲(chǔ)油罐內(nèi)遇到較大的結(jié)塊時(shí)的穩(wěn)定性分析和在油罐內(nèi)如何制動(dòng)這兩種情況，利用力矩平衡方程進(jìn)行分析。

3.1 尺寸設(shè)計(jì)

課題的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)小型臥式儲(chǔ)油罐，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：儲(chǔ)油罐的直徑為2 000mm，罐體長(zhǎng)為6 000mm左右。 由于附著在罐壁上的油泥等雜質(zhì)具有一定的流動(dòng)性，清洗機(jī)器人上搭載的三維旋轉(zhuǎn)噴槍、噴頭機(jī)構(gòu)的射流壓力不應(yīng)該過(guò)大，以免造成對(duì)罐體焊縫的沖擊破壞。 所設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人的優(yōu)化高度為600mm， 輕量化的目標(biāo)質(zhì)量為90kg。 除此之外，機(jī)器人上還應(yīng)搭載照明燈、攝像頭及刮擦毛刷等裝置，受到機(jī)器人安裝尺寸的限制，設(shè)計(jì)噴槍結(jié)構(gòu)重心的垂線距離機(jī)器人底盤重心位置的距離為240mm。履帶長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為400mm，機(jī)器人整體寬度為420mm， 其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 穩(wěn)定性分析

清洗機(jī)器人在儲(chǔ)油罐內(nèi)工作時(shí)會(huì)遇到兩種特殊的情況可能會(huì)造成機(jī)器人發(fā)生側(cè)翻：一種是機(jī)器人在罐內(nèi)作業(yè)行走時(shí)可能會(huì)遇到罐底的油泥等較大塊的雜質(zhì)，使之發(fā)生傾翻；另外一種是機(jī)器人在罐內(nèi)制動(dòng)時(shí)可能發(fā)生傾翻。

對(duì)清洗機(jī)器人在油罐底部作業(yè)遇到較大塊雜質(zhì)的情況進(jìn)行受力分析， 具體如圖5所示，其中，F(xiàn)f1為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)q1為牽引力，v是機(jī)器人的前進(jìn)速度。

圖5 清洗機(jī)器人遇到大塊雜質(zhì)時(shí)的受力分析

對(duì)觸地的B軸進(jìn)行受力分析，可得：

式中 G——機(jī)器人整體所受的重力，N；

h1——此時(shí)機(jī)器人的重心高度，mm；

l1——在此工況下的重心點(diǎn)到B軸的垂直距離，mm；

MON——支撐力N1產(chǎn)生的力矩；

MOGx、MOGy——重力分量在圖5所示的x-y坐標(biāo)軸上產(chǎn)生的力矩分量，N·m；

N1——大塊雜質(zhì)對(duì)于機(jī)器人的支撐力，N；

s——支撐力到B軸的垂直距離，mm。

在此工況下，機(jī)器人不發(fā)生傾翻的條件是MON＋MOGx≤MOGy，即：

當(dāng)清洗機(jī)器人下放到儲(chǔ)油罐底部開始工作或遇到緊急事故突然制動(dòng)時(shí)，假設(shè)摩擦力足夠大且機(jī)器人不會(huì)發(fā)生滑行，在短時(shí)間內(nèi)機(jī)器人的速度要突然減小到0， 于是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由原來(lái)在罐底的直線運(yùn)動(dòng)突變成圍繞著A軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 在計(jì)算分析時(shí)可以忽略罐內(nèi)空氣的影響，機(jī)器人在油罐底部制動(dòng)時(shí)的受力分析如圖6所示，其中，F(xiàn)f2為摩擦阻力，N2為罐底在此情況下的支持力。 機(jī)器人的重心點(diǎn)O的高度在100～340mm之間，重心O點(diǎn)距離觸地點(diǎn)A軸的距離l2在120～240mm之間。

圖6 清洗機(jī)器人在油罐底部制動(dòng)時(shí)的受力分析

清洗機(jī)器人在油罐底部工作時(shí)以勻速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，行走速度很小，假設(shè)行走速度v1=0.15m/s，在發(fā)生制動(dòng)后， 機(jī)器人行走的水平速度v1會(huì)在瞬間變成圍繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω，根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得：

式中 h2——此情況下重心O距離A軸的垂直距離，mm；

JA——繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；

m——清洗機(jī)器人的總質(zhì)量，kg。

機(jī)器人在自身重力的作用下，會(huì)使之產(chǎn)生的角速度逐漸減小，而由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的產(chǎn)生，機(jī)器人接觸罐底的履帶會(huì)圍繞著A點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)， 并且產(chǎn)生一個(gè)角δ，再根據(jù)能量守恒定律可知：

式中 z——慣性半徑，mm。

經(jīng)計(jì)算可得：（1.2486×10-4）°<δmax<（4.3246×10-4）°，51.68°<γ<66.35°。由此可得，當(dāng)清洗機(jī)器人在油罐底部發(fā)生制動(dòng)的瞬間，其裝置的整體傾斜度（δmax+γ）?90°，因此清洗機(jī)器人不會(huì)發(fā)生傾翻。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者分析了現(xiàn)有儲(chǔ)油罐清洗技術(shù)中的清洗噴頭，了解了其工作原理和射流軌跡，發(fā)現(xiàn)該噴頭存在覆蓋范圍小、需布置輔助噴槍才能提高清洗效率等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種新型的三維旋轉(zhuǎn)噴頭， 并匹配設(shè)計(jì)了一種適用于小型臥式儲(chǔ)油罐（直徑2 000mm、長(zhǎng)6 000mm）的清洗機(jī)器人，針對(duì)小型臥式儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)的新型三維旋轉(zhuǎn)噴頭，無(wú)需附帶噴槍裝置的輔助，射流壓力小，反沖力小，基本能夠達(dá)到對(duì)油罐內(nèi)壁的全覆蓋清洗；設(shè)計(jì)了小型履帶式清洗機(jī)器人，通過(guò)穩(wěn)定性分析和力矩平衡分析，對(duì)其進(jìn)行了整體尺寸的優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明優(yōu)化其整體尺寸機(jī)器人工作穩(wěn)定，工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生傾翻。