《基于空化水射流的储油罐智能清洗除锈机械研究》-工学论文，化学工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于空化水射流的储油罐智能清洗除锈机械研究

范文

廖松邓松圣赵华忠管金发姚粟

摘? ? ? 要：储油罐在长时间储存油品后，必须定期对其进行清洗除锈作业。在对空化清洗除锈机理进行研究的基础上，本着将中心体空化喷嘴与智能控制机械相结合，以达到安全、高效、省时和方便的思路，研究出一套基于空化的储油罐智能清洗除锈装置，并对该装置的总体结构、智能控制方案及运动执行机构进行了详细介绍。

关? 键? 词：空化;储油罐;中心体喷嘴;智能清洗除锈机械

中图分类号：TQ016.5+5? ? ? ?文献标识码： A? ? ? ?文章编号： 1671-0460（2019）09-2107-05

Abstract： After storing oil for a long time， the oil storage tank must be cleaned and rusted regularly. On the basis of the research on the mechanism of cavitation cleaning and rust removal， a set of intelligent cleaning and rust removal machine for oil storages based on cavitation water jet was developed. And the overall structure and intelligent control program of the device were introduced in detail.

Key words： Cavitation; Storage tank; Central-body nozzle; Intelligent cleaning and rust removal machine

储油罐是油品大规模储存的重要工具，储油罐投入使用后，在长期的储存过程中，由于重力作用，加之压力和温度的综合影响，油品中水分及其他杂质在罐壁和罐底聚积，导致罐底板及内壁腐蚀生锈，影响油罐储油的质量[1，2]。因此必须定期对油罐进行清洗除锈。空化水射流是一项新型、高效、安全可靠的新技术，具有较强清洗、除锈能力，在众多领域得到了较为广泛的应用[3-6]。目前不同种类的爬壁机器人等智能清洗除锈装置取得了一定的研究应用，但都存在一定的局限性，且工作效率低，环境适应性较差[7-9]，因此将空化水射流技术引入到油罐清洗除锈工艺中，与智能机械相结合，能够提高清洗除锈的效率，具有广泛的应用前景。

1? 总体研制方案

1.1? 主要技术要求

储油罐的清洗除锈作业是在油罐放空后进入罐内进行的。利用空化水射流技术进行清洗除锈作业时，由于空化冲蚀作用存在一个最佳的靶距（喷嘴出口端到被冲蚀表面的距离）范围，因此所采用的中心体空化喷嘴的靶距必须在其规定的最佳距离内。智能清洗除锈机械在作业过程中须自动进行并控制好靶距，保证清洗除锈的质量和效率，作业结束后，智能清洗除锈机械执行机构能自动收回，方便撤收作业。要求整个作业操作过程中操作方便，安全可靠，结构简单。考虑到各个油库安装的储油罐罐径变化较大，设计时要求清洗除锈机械能适应不同罐径的储油罐，在一定条件下也可以对卧式油罐进行清洗除锈，使清洗除锈后的油罐达到国家行业规定的标准（清洗除锈标准采用ISO-8501-1和GB8923-88）。

1.2? 清洗除锈方法

油罐清洗除锈技术是从上世纪60年代开始研究的，截止目前已经发展了几十种油罐清洗除锈方法，按照清洗除锈方法的不同可将油罐清洗基本分为三类：即人工清洗除锈、机械清洗除锈和化学清洗除锈。

人工清罐除锈会对工人健康造成影响、劳动强度较大、施工周期较长、存在着火灾爆炸的安全隐患，且原油回收率较低，污染环境。机械清洗除锈同样存在很多问题，如设备价格昂贵，清洗机装置还不够完善，还不能很好的对大型储罐和内浮顶罐进行清洗，且油罐清洗后通风阶段会使废气外逸，污染环境。由于对时间、温度和浓度等环境要求较严，利用化学清洗时，如果处理不当会降低清洗效果，严重时会导致油罐腐蚀穿孔，清洗结束后，会留有大量的清洗过程中产生废液，含有复杂的化学成分，处理時难度很大[10]。现有的几种主要的油罐清洗方法或多或少都存在一些缺点和问题，因此对新型清洗除锈方法的研究具有重要的意义。

空化水射流冲蚀作用对油罐进行清洗除锈作业是一种较为新型的清洗除锈方式，空化水射流具有清洗效率高、清洗效果好、对环境污染小、节水省时、成本低廉等优点[11]。利用空化水射流进行油罐清洗工作，不但在清洗质量和效率上取得令人满意的结果，还会使清洗工人从恶劣的传统的清洗除锈工作环境中解放出来，对于工人的健康有重要的意义;油库属于易燃易爆场合，而空化水射流清洗过程中不产生火花，对于油库安全具有重要的意义;空化水射流清洗使用的介质是纯水，成本低，产生环境污染小，对于环境保护具有重要的意义。

1.3? 空化清洗除锈机理

空化水射流是指在喷嘴出来的水射流内局部压力降低至相应温度下的饱和蒸汽压时，就会诱发空泡初生，适当的控制喷嘴出口截面与靶材之间的距离，使空泡发展长大，当压力升高到一定程度时，空泡便会破灭，空泡破裂时会产生局部高速、高温和高压，从而导致材料破坏。其压力可用下式描述：

由上述可以推断，空化过程产生的气泡在溃灭时，会产生很高的压强。在高压水射流中加入空化射流后，空化射流产生的冲击压力与普通连续水射流产生的冲击压力关系为：

纯空泡的绝热压缩过程将引起空泡内气体温度剧烈上升，产生的局部温度由下式计算：

由此可见，空化射流过程中形成的空泡在溃灭时会产生极高的压力和温度，并伴有能量转换，将空泡溃灭时产生的巨大能量应用于物体表面，可达到清洗除锈效果，提高工作效率。

1.4? 空化喷嘴的选择

空化水射流的种类多样，根据空化产生的不同原理，可以将空化水射流分为剪切型空化水射流、绕流型空化水射流和振荡型空化水射流三种。由于剪切型空化射流必须形成淹没环境，振荡型空化射流结构较为复杂，因此选择绕流型空化喷嘴（中心体式空化喷嘴），结构简单，加工安装方便，且能达到清洗除锈的标准，结构原理图见图1。中心体是一个钝体，通过框架将其安装在喷嘴的出口位置，当高压水绕过中心体时，流体会在中心体底端出现分离，在底端出口下游的尾迹中出现漩涡，产生低压区，空泡便在漩涡中初生，在出口下游段适当的距离内，空泡发展长大，当射流冲击到靶材表面（或附近）时，空泡发生溃灭，产生的巨大能量集中作用在物体表面上，以达到冲蚀的作用效果，通过仿真研究，对三种含不同中心体（平头柱体、半球柱体、900锥形柱体）的喷嘴进行了比较，以气含率和空化体积为评价指标。

在相同压力情况下，含900圆锥柱体喷嘴产生的空化泡有效扩散距离最长，可达到20.8 mm，含半球柱体次之，大约为18.6 mm，含平头柱体喷嘴的空化泡有效扩散距离最短，只有15.4 mm，而由图2（d）可知，含锥形柱体喷嘴诱发产生的空泡体积也最大，为8.75×10-2cm3，是含平头柱体喷嘴产生空泡体积的5倍之多，所以选用喷嘴的结构形式为含900锥体喷嘴。

1.5? 技术方案

储油罐智能清洗除锈机械主要由高压水动力系统、运动执行机构（清洗除锈机械手）、控制机械等组成，如图3所示。

2? 运动及其控制

储油罐内壁的清洗除锈必须要达到国家清洗除锈标准。为了保证清洗除锈质量，清洗除锈时要保持喷嘴与油罐内壁面的距离为空化的最佳靶距。喷嘴清洗除锈运动轨迹为圆弧曲线，因此如何保证喷嘴与储油罐内壁面的距离在最佳靶距内是本研究要解决的关键技术问题。

2.1? 空化喷嘴运动轨迹控制方案

如图3所示，在清洗除锈机械系统中，角位移传感器安装在主轴上，通过主轴旋转来检测角度的变化量，在装有喷嘴的机械支架端安装光电位移传感器（镜面漫反射型），通过主轴旋转来检测喷嘴头与被清洗的壁面之间的位移变化量。机械开始作业时，周向旋转步进电机开始转动，带动主轴匀速旋转，由于射流的冲蚀作用，油罐壁面上的锈蚀污物会被清除处理，喷头端面到壁面在X方向上的距离存在变化，光电位移传感器就能检测到这个距离变化量。喷头清洗随主轴旋转一周后，位移传感器和角度位移传感器检测到的变化量数据（主轴转角与位移X的数据）。将这些数据拟合处理，然后将处理好的结果传送给单片机，通过微机系统来控制喷嘴轴向、周向伸缩运动。控制流程图如图4。

2.2? 微机PLC控制系统

2.2.1? 控制功能

在微机控制系统中，配备集成有位移检测机构以及机械运动执行机构，都由控制系统中单片机控制。在清洗除锈作业过程中，主轴周向电机旋转速度保持不变，轴向电机步进伸缩进给量由给定量来控制决定，所需的给定量数值由单片机中数据采集系统和处理单元给出，清洗除锈轨迹的轴向伸缩距离的数据是由位移传感器采集得到的，然后将这些数据传给单片机处理单元进行处理，通过处理后的结果信息来控制轴向电机与周向步进电机运动，进而控制清洗除锈喷头工作。单片机控制系统原理见图5。

2.2.2? 数据采集及处理

经分析确认，储油罐智能清洗除锈装置研究的关键点是喷嘴端面到罐壁距离的控制，即喷嘴端面到罐壁距离进给量的数据采集与处理。进给量的数据采集由微机系统中的单片机控制完成，所采集到数据传输给PC机，通过PC机处理完后再送到单片机。

在数据采集时，通过传感器探头检测将喷嘴端面控制在距离壁面20 mm处，然后将伸缩进给电机关闭，开启周向电机旋转进行检测，每旋转1°为一个数据采集点，在每个点上采集10个数据。在数据采集过程中，由于罐壁本身质量影响以及传感器存在的误差，使所采取的数据产生曲线异化现象，所以需要对所采取数据进行拟合处理。通过对比分析，这里采用最小二乘法来进行曲线拟合处理。设轴向距离值为Xi，角度值为i。设拟合曲线的二次方程为：

令，求出三个系数a、b、c，將三个系数代入方程就可以得到经拟合处理后的喷嘴清洗除锈作业轨迹曲线，从而可以通过曲线方程提供的数值控制清洗除锈机械工作，提高清洗除锈的质量和效率。

2.3? 清洗除锈质量检测及控制

智能机械装置在实施油罐清洗除锈作业时，喷嘴进行周向旋转和上下轴向移动，由于壁面油污和锈蚀的程度不同，在旋转和上下移动过程中会导致清洗不均匀、除锈不完全的问题。

如何保证油罐壁面清洗除锈彻底并达到标准，提出两种方案：

（1）通过适当调节控制机械装置的高压水射流的压力来提高冲击力，从而达到清洗除锈标准;

（2）通过控制光电位移传感器旋转一周，检测喷头到壁面的距离是否在最佳靶距范围内，将检测到的信号传到单片机内，经过控制程序后调整靶距，继续作业。

为简化操作过程，提高智能化水平，保持机械装置的稳定性，所以选择用第二种方案。

3? 空化水射流系统

空化水射流系统由高压泵组部分、输送管道、空化喷嘴及电磁开关等组成。高压水源动力部分采用高压柱塞泵，泵的工作压力最高为70 MPa，额定流量为4.2 m3/h，泵压可通过变频器进行无极调节。在泵体上装有压力表和安全阀，压力表用于监视泵的排出压力，安全阀用于系统超压保护。水流经加压后随输送管道到中心体喷嘴射出，在合适的靶距内形成空化，对罐壁面进行清洗除锈。

4? 运行控制执行机构

4.1? 运动传动机构

在清洗除锈作业过程中，机械运动轨迹采用轴向上下移动、主轴周向旋转的复合式运动来控制。轴向上下移动由步进电机的升降来完成，周向旋转运动由周向步进电机带动主轴旋转来实现。所选用的步进电机为三相混合式电机，由滑块与导轨组成，装配有丝杆、导轨、電机，所占空间体积小，使用便捷，接线安装简单。主轴支承在由安装在底座上，周向旋转步进电机安装在底座主轴支承下方。

4.2? 清洗除锈执行机构

在实际的作业中，存在各种不同罐径的储油罐，为满足不同罐径的清洗除锈要求，杆1、杆2长度均可伸缩调。可调节杆1上安装高压水空化喷嘴，可调节杆4上安装轴向位移传感器，清洗除锈机械执行机构如图6所示。

5? 结束语

基于空化水射流技术的储油罐清洗除锈装置，是将传统机械机构学与现代高科技技术相结合的新型装置，将机、电、液集于一体，实现了智能化控制。因其安全可靠，清洗除锈效率高，节能环保，省时低成本等特点，必将在储油罐的清洗除锈作业中，得到广泛的推广与应用。

在实际的应用过程中，针对现场不同环境的情况、油罐锈蚀污物程度不同的特征等因素，要结合具体情况，从实际需求出发，不断去优化完善智能清洗除锈机械的结构和性能参数，充分利用空化效应的冲蚀性能，以达到更好的清洗除锈效果。

参考文献：

[1]赵琳，刘国荣，姚凤灵，等. 油罐清洗技术的发展现状[J]. 过滤与分离， 2015（4）： 43-45.

[2]王桦龙. 国内储油罐清洗技术进展[J]. 化学工程与装备，2014（4）： 167-169.

[3]王建杰，陈立宇，杨夏明，等.空化水射流的研究进展[J].精密成形工程， 2016， 8（5）： 156-162.

[4] 管金发，邓松圣，雷飞东，等.空化水射流理论和应用研究[J].石油化工应用， 2010， 29（12）： 15-19.

[5]李赵杰，姜希彬，邓松圣. 空化射流除锈性能研究[J]. 中国储运， 2009： 109-111.

[6]Odhiambo D，Soyama H.Cavitation shotless peering for improvement of fatigue strength of carbonized steel[J]. Int.J.Fatigue， 2003（25）： 1217-1222.

[7]娄伟，张军. 大型油罐喷砂除锈机器人躯体结构设计[J]. 山东农业大学学报（自然科学版）， 2006， 37（2）：279-283.

[8]闫久江，赵西振，左干，等.爬壁机器人研究现状与技术应用分析[J].机械研究与应用，2015，3（28）：52-58.

[9]周利坤，刘宏昭，李悦.清洗机器人研究现状与关键技术综述[J].机械科学与技术，2014，33（5）： 635-642.

[10] 沙海涛，张海宁，高锦伟，等. 原油储罐清洗技术探讨[J]. 工艺与装备， 2011， 40（7）： 690-692.

[11]何新民. 高压水射流技术在石化设备清洗、除锈中的应用[J].工业技术， 2013： 104-106.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。