機動管線自力式混油切割裝置設(shè)計

張銳征 左永剛 張鎮(zhèn) 肖杰 鄔美春

【摘 ?要】機動管線應(yīng)用于搶險、救災(zāi)等特殊場景，順序輸送可以極大提高其輸送效率。為準確、高效實現(xiàn)順序輸送，論文對密度敏感型通斷控制閥進行改進設(shè)計，研制了一款基于浮力原理的機動管線自力式混油切割裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)自力驅(qū)動、區(qū)間控制，自動對機動管線順序輸送過程中的混油進行切割。

【Abstract】Field pipeline are used for emergency rescue， disaster relief， etc. Batch transportation can greatly improve its transport efficiency. In order to accurately and efficiently realize the batch transportation， this paper improved the design of density sensitive on-off control valve， and developed a kind of self-operated oil-mixing cutting device in field pipeline based on buoyancy principle. The device is simple in structure， and can realize self-drive and interval control， and can automatically cut the mixed oil in the batch transportation process of the field pipeline.

【關(guān)鍵詞】機動管線;順序輸送;自力式混油切割

【Keywords】field pipeline; batch transportation; self-operated oil-mixing cutting

【中圖分類號】TE832 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）12-0179-03

1 引言

在同一管道內(nèi)，按照一定的批量和次序，連續(xù)地輸送不同種類油品的方式叫作順序輸送[1]。美國科洛尼爾成品油管道系統(tǒng)[2]干線和復(fù)線均可實現(xiàn)順序輸送，能以5天作為一個周期，進行118種不同型號成品油的順序輸送，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。我國格拉管線[3]和蘭成渝管道[4]等成品油輸送管道均已實現(xiàn)密閉式順序輸送工藝。

雖然成品油順序輸送工藝在固定管線上已得到廣泛應(yīng)用，但是在野外機動管線上應(yīng)用較少。與固定輸油管線相比，野外機動管線[5，6]具有臨時裝配、輸油周期較短、使用環(huán)境惡劣、工作條件多變等特點。這些特點導(dǎo)致固定輸油管線順序輸送混油界面采用光學(xué)檢測、振動式檢測、超聲波檢測等基于電信號檢測的方法難以應(yīng)用于野外機動管線，主要是缺少能源供給條件，加之基于電信號檢測的混油界面檢測裝置結(jié)構(gòu)精細復(fù)雜，價格高，對使用條件的要求較苛刻，對使用人員知識與技能的要求較高，不適合在使用環(huán)境較惡劣、條件多變的野外機動管線上應(yīng)用。基于此，本文對機動管線自力式混油切割裝置進行設(shè)計。

2 設(shè)計原理及思路

機動管線進行順序輸送的關(guān)鍵技術(shù)在于混油界面的檢測，近年來，雍歧衛(wèi)、何德安、何國璽等[7-9]從改進混油界面檢測性能和方便性角度，研究了基于波輻法的超聲波便攜式混油界面檢測儀和機械測力式混油濃度檢測儀。要實現(xiàn)自力式混油切割，還有一項關(guān)鍵技術(shù)是利用管輸油品性質(zhì)的變化產(chǎn)生壓力差并傳導(dǎo)至主管線控制閥門通斷，而這2種裝置在油品信息傳輸或處理過程中均需要電信號進行處理，無法自力傳導(dǎo)壓力差。

目前可利用純機械機構(gòu)自動檢測油品密度差別的原理方法主要有2種，分別是浮力原理和壓差原理[10-12]。利用壓差原理檢測混油界面是可行的，但是由于缺少油品密度與節(jié)流元件壓差對應(yīng)的數(shù)據(jù)，難以保證其檢測精度，而利用浮力原理進行油品密度鑒別與控制具有直觀、線性的優(yōu)點，因此本文采用浮力原理進行混油界面檢測。

浮力原理[13]即阿基米德原理。浸沒于液體中的浮子總是受到浮力的作用，浮子所受到的凈浮力等于浮力與浮子及附件的自重之差，即：

Fnet=ρVg-G

式中：G——浮子及附件的重力，N;

ρ——液體密度，kg/m3;

V——液體密度，m3。

目前已有密度敏感型通斷控制閥可以實現(xiàn)輸油管線自力式通斷控制，如圖1所示，該控制閥由主閥和浮子控制導(dǎo)閥組成，由浮子控制導(dǎo)閥控制主閥的開閉，是一種采用先導(dǎo)控制機制工作的自動開關(guān)閥。浮子控制導(dǎo)閥由2個自由浮子和自動排氣裝置構(gòu)成。浮子用于控制主閥芯后腔到閥后油流通道的通斷，從而控制主閥的開閉。其中左側(cè)浮子密度大于右側(cè)浮子。自動排氣裝置用于排出從油品中逸出的氣體，減小氣體對閥門工作的影響。

這種控制閥具有自力驅(qū)動、區(qū)間控制等優(yōu)點，但是通斷控制是個一次性動作，需要手動復(fù)位才能轉(zhuǎn)入下一個工作循環(huán)，且浮子裝入導(dǎo)閥以后，其控制的油品就已經(jīng)確定了，難以在線調(diào)節(jié)。

針對該控制閥的缺點，論文改進設(shè)計了自力式混油切割裝置，并用SOLIDWORKS軟件對其進行了三維建模，其三維模型如圖2所示。

該裝置主要由密度控制導(dǎo)閥和受控主閥組成，其中，密度控制導(dǎo)閥通過滑閥結(jié)構(gòu)所處位置決定控制管路通斷，其三維模型如圖3所示，受控主閥通過閥芯移動控制主管路通斷，其三維模型如圖4所示。密度控制導(dǎo)閥和受控主閥共同配合，實現(xiàn)混油切割。

3 密度控制導(dǎo)閥設(shè)計

密度控制導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由控制手柄、導(dǎo)閥彈簧、導(dǎo)閥芯、浮子室、浮子和自動排氣閥組成。

其工作過程如下：主管路油料通過采油口流入浮子室，當油品過多時從溢流口流出浮子室，浮子室內(nèi)氣體會通過自動排氣閥排出浮子室，以減少氣體對檢測精度的影響。當浮子浸沒于油品中時，浮子會在浮力的作用下上浮，帶動浮子下端的連桿機構(gòu)運動。導(dǎo)閥芯在與連桿機構(gòu)連接處采用圓頭結(jié)構(gòu)，連桿機構(gòu)的運動會對導(dǎo)閥芯的圓頭施加力，進而帶動導(dǎo)閥芯的移動。當導(dǎo)閥芯在左側(cè)連桿機構(gòu)和右側(cè)彈簧的共同作用下移動到Ⅰ位平衡時，控制管路P1A1接通，P2A2關(guān)閉;當導(dǎo)閥芯移動到Ⅱ位平衡時，控制管路P2A2接通，P1A1關(guān)閉。

控制導(dǎo)閥對密度控制范圍的調(diào)節(jié)主要是通過密度設(shè)定手柄實現(xiàn)的。密度設(shè)定手柄與導(dǎo)閥彈簧一端耦合連接，使得設(shè)定的密度值與導(dǎo)閥彈簧的彈簧力對應(yīng)，例如，當設(shè)定的密度值較大時，導(dǎo)閥彈簧的彈簧力就相應(yīng)增大;當設(shè)定的密度值較小時，導(dǎo)閥彈簧的彈簧力就相應(yīng)減小。導(dǎo)閥彈簧的另一端與導(dǎo)閥芯耦合，導(dǎo)閥彈簧的彈簧力作用于導(dǎo)閥芯的一端。

影響該裝置的檢測精度與穩(wěn)定性的主要原因有2個：

一是浮子室內(nèi)油品流態(tài)對浮子的沖擊;二是“浮子—連桿—導(dǎo)閥芯”的連接方式進行力傳導(dǎo)的過程中會受到如摩擦力等因素的影響。

針對第一個原因，本文主要通過優(yōu)化導(dǎo)閥浮子室結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小油料流動對浮子的沖擊影響。所設(shè)計的一種浮子室進油端蓋結(jié)構(gòu)如圖6所示，其進油孔是1個直徑為16mm的孔，然后分散沿著分布較為均勻的18個直徑為3mm的孔進入浮子室。因此可較大程度地降低對浮子的沖擊。

針對第二個原因，將“浮子—連桿—導(dǎo)閥芯”的連接方式修改為“浮子—導(dǎo)閥芯”的直接連接方式，消除連桿機構(gòu)在運動過程中所受摩擦力對檢測和控制精度的影響。

4 受控主閥設(shè)計

受控主閥的閥芯前后均有控制管路與密度控制導(dǎo)閥相連，如圖7所示，P1、P2為引流口，A1、A2為泄流口。設(shè)定A管路為輕油通路，B管路為重油通路，其具體工作過程如下：當來油密度處于Ⅰ范圍時，控制管路P1A1接通，P2A2關(guān)閉時，A管輕油閥芯由于前后受力均衡，會開啟A通路;B管重油閥芯前壓力大于閥芯后的壓力，該閥芯會向前移動，堵塞B通路。當來油密度處于Ⅱ范圍時，控制管路P2A2接通，P1A1關(guān)閉時，B管重油閥芯由于前后受力均衡，會開啟B通路;A管輕油閥芯前壓力大于閥芯后的壓力，該閥芯會向后移動，堵塞A通路。當來油密度處于Ⅰ范圍和Ⅱ范圍以外時，控制管路P1A1與P2A2均未接通，A管和B管的閥芯前壓力均大于閥芯后壓力，閥芯向后移動，堵塞A通路和B通路。

5 結(jié)論

機動管線在順序輸送過程中總會產(chǎn)生混油，為實現(xiàn)在惡劣工況下的混油自力式切割，本文基于浮力原理，在密度敏感型通斷控制閥的基礎(chǔ)上設(shè)計了機動管線自力式混油切割裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，保證了混油切割的安全性和高效性。

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