基于空化水射流的儲油罐智能清洗除銹機械研究

廖松 鄧松圣 趙華忠 管金發(fā) 姚粟

摘? ? ? 要：儲油罐在長時間儲存油品后，必須定期對其進行清洗除銹作業(yè)。在對空化清洗除銹機理進行研究的基礎上，本著將中心體空化噴嘴與智能控制機械相結合，以達到安全、高效、省時和方便的思路，研究出一套基于空化的儲油罐智能清洗除銹裝置，并對該裝置的總體結構、智能控制方案及運動執(zhí)行機構進行了詳細介紹。

關? 鍵? 詞：空化;儲油罐;中心體噴嘴;智能清洗除銹機械

中圖分類號：TQ016.5+5? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 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

儲油罐是油品大規(guī)模儲存的重要工具，儲油罐投入使用后，在長期的儲存過程中，由于重力作用，加之壓力和溫度的綜合影響，油品中水分及其他雜質在罐壁和罐底聚積，導致罐底板及內壁腐蝕生銹，影響油罐儲油的質量[1，2]。因此必須定期對油罐進行清洗除銹?？栈淞魇且豁椥滦?、高效、安全可靠的新技術，具有較強清洗、除銹能力，在眾多領域得到了較為廣泛的應用[3-6]。目前不同種類的爬壁機器人等智能清洗除銹裝置取得了一定的研究應用，但都存在一定的局限性，且工作效率低，環(huán)境適應性較差[7-9]，因此將空化水射流技術引入到油罐清洗除銹工藝中，與智能機械相結合，能夠提高清洗除銹的效率，具有廣泛的應用前景。

1? 總體研制方案

1.1? 主要技術要求

儲油罐的清洗除銹作業(yè)是在油罐放空后進入罐內進行的。利用空化水射流技術進行清洗除銹作業(yè)時，由于空化沖蝕作用存在一個最佳的靶距（噴嘴出口端到被沖蝕表面的距離）范圍，因此所采用的中心體空化噴嘴的靶距必須在其規(guī)定的最佳距離內。智能清洗除銹機械在作業(yè)過程中須自動進行并控制好靶距，保證清洗除銹的質量和效率，作業(yè)結束后，智能清洗除銹機械執(zhí)行機構能自動收回，方便撤收作業(yè)。要求整個作業(yè)操作過程中操作方便，安全可靠，結構簡單?？紤]到各個油庫安裝的儲油罐罐徑變化較大，設計時要求清洗除銹機械能適應不同罐徑的儲油罐，在一定條件下也可以對臥式油罐進行清洗除銹，使清洗除銹后的油罐達到國家行業(yè)規(guī)定的標準（清洗除銹標準采用ISO-8501-1和GB8923-88）。

1.2? 清洗除銹方法

油罐清洗除銹技術是從上世紀60年代開始研究的，截止目前已經(jīng)發(fā)展了幾十種油罐清洗除銹方法，按照清洗除銹方法的不同可將油罐清洗基本分為三類：即人工清洗除銹、機械清洗除銹和化學清洗除銹。

人工清罐除銹會對工人健康造成影響、勞動強度較大、施工周期較長、存在著火災爆炸的安全隱患，且原油回收率較低，污染環(huán)境。機械清洗除銹同樣存在很多問題，如設備價格昂貴，清洗機裝置還不夠完善，還不能很好的對大型儲罐和內浮頂罐進行清洗，且油罐清洗后通風階段會使廢氣外逸，污染環(huán)境。由于對時間、溫度和濃度等環(huán)境要求較嚴，利用化學清洗時，如果處理不當會降低清洗效果，嚴重時會導致油罐腐蝕穿孔，清洗結束后，會留有大量的清洗過程中產(chǎn)生廢液，含有復雜的化學成分，處理時難度很大[10]?，F(xiàn)有的幾種主要的油罐清洗方法或多或少都存在一些缺點和問題，因此對新型清洗除銹方法的研究具有重要的意義。

空化水射流沖蝕作用對油罐進行清洗除銹作業(yè)是一種較為新型的清洗除銹方式，空化水射流具有清洗效率高、清洗效果好、對環(huán)境污染小、節(jié)水省時、成本低廉等優(yōu)點[11]。利用空化水射流進行油罐清洗工作，不但在清洗質量和效率上取得令人滿意的結果，還會使清洗工人從惡劣的傳統(tǒng)的清洗除銹工作環(huán)境中解放出來，對于工人的健康有重要的意義;油庫屬于易燃易爆場合，而空化水射流清洗過程中不產(chǎn)生火花，對于油庫安全具有重要的意義;空化水射流清洗使用的介質是純水，成本低，產(chǎn)生環(huán)境污染小，對于環(huán)境保護具有重要的意義。

1.3? 空化清洗除銹機理

空化水射流是指在噴嘴出來的水射流內局部壓力降低至相應溫度下的飽和蒸汽壓時，就會誘發(fā)空泡初生，適當?shù)目刂茋娮斐隹诮孛媾c靶材之間的距離，使空泡發(fā)展長大，當壓力升高到一定程度時，空泡便會破滅，空泡破裂時會產(chǎn)生局部高速、高溫和高壓，從而導致材料破壞。其壓力可用下式描述：

由上述可以推斷，空化過程產(chǎn)生的氣泡在潰滅時，會產(chǎn)生很高的壓強。在高壓水射流中加入空化射流后，空化射流產(chǎn)生的沖擊壓力與普通連續(xù)水射流產(chǎn)生的沖擊壓力關系為：

純空泡的絕熱壓縮過程將引起空泡內氣體溫度劇烈上升，產(chǎn)生的局部溫度由下式計算：

由此可見，空化射流過程中形成的空泡在潰滅時會產(chǎn)生極高的壓力和溫度，并伴有能量轉換，將空泡潰滅時產(chǎn)生的巨大能量應用于物體表面，可達到清洗除銹效果，提高工作效率。

1.4? 空化噴嘴的選擇

空化水射流的種類多樣，根據(jù)空化產(chǎn)生的不同原理，可以將空化水射流分為剪切型空化水射流、繞流型空化水射流和振蕩型空化水射流三種。由于剪切型空化射流必須形成淹沒環(huán)境，振蕩型空化射流結構較為復雜，因此選擇繞流型空化噴嘴（中心體式空化噴嘴）， 結構簡單，加工安裝方便，且能達到清洗除銹的標準，結構原理圖見圖1。中心體是一個鈍體，通過框架將其安裝在噴嘴的出口位置，當高壓水繞過中心體時，流體會在中心體底端出現(xiàn)分離，在底端出口下游的尾跡中出現(xiàn)漩渦，產(chǎn)生低壓區(qū)，空泡便在漩渦中初生，在出口下游段適當?shù)木嚯x內，空泡發(fā)展長大， 當射流沖擊到靶材表面（或附近）時， 空泡發(fā)生潰滅， 產(chǎn)生的巨大能量集中作用在物體表面上，以達到?jīng)_蝕的作用效果，通過仿真研究，對三種含不同中心體（平頭柱體、半球柱體、900錐形柱體）的噴嘴進行了比較，以氣含率和空化體積為評價指標。

在相同壓力情況下，含900圓錐柱體噴嘴產(chǎn)生的空化泡有效擴散距離最長，可達到20.8 mm，含半球柱體次之，大約為18.6 mm，含平頭柱體噴嘴的空化泡有效擴散距離最短，只有15.4 mm， 而由圖2（d）可知，含錐形柱體噴嘴誘發(fā)產(chǎn)生的空泡體積也最大，為8.75×10-2cm3，是含平頭柱體噴嘴產(chǎn)生空泡體積的5倍之多，所以選用噴嘴的結構形式為含900錐體噴嘴。

1.5? 技術方案

儲油罐智能清洗除銹機械主要由高壓水動力系統(tǒng)、運動執(zhí)行機構（清洗除銹機械手）、控制機械等組成， 如圖3所示。

2? 運動及其控制

儲油罐內壁的清洗除銹必須要達到國家清洗除銹標準。為了保證清洗除銹質量，清洗除銹時要保持噴嘴與油罐內壁面的距離為空化的最佳靶距。噴嘴清洗除銹運動軌跡為圓弧曲線，因此如何保證噴嘴與儲油罐內壁面的距離在最佳靶距內是本研究要解決的關鍵技術問題。

2.1? 空化噴嘴運動軌跡控制方案

如圖3所示，在清洗除銹機械系統(tǒng)中，角位移傳感器安裝在主軸上，通過主軸旋轉來檢測角度的變化量， 在裝有噴嘴的機械支架端安裝光電位移傳感器（鏡面漫反射型）， 通過主軸旋轉來檢測噴嘴頭與被清洗的壁面之間的位移變化量。機械開始作業(yè)時，周向旋轉步進電機開始轉動，帶動主軸勻速旋轉， 由于射流的沖蝕作用，油罐壁面上的銹蝕污物會被清除處理，噴頭端面到壁面在X方向上的距離存在變化，光電位移傳感器就能檢測到這個距離變化量。噴頭清洗隨主軸旋轉一周后， 位移傳感器和角度位移傳感器檢測到的變化量數(shù)據(jù)（主軸轉角與位移X的數(shù)據(jù)）。將這些數(shù)據(jù)擬合處理，然后將處理好的結果傳送給單片機，通過微機系統(tǒng)來控制噴嘴軸向、周向伸縮運動?？刂屏鞒虉D如圖4。

2.2? 微機PLC控制系統(tǒng)

2.2.1? 控制功能

在微機控制系統(tǒng)中，配備集成有位移檢測機構以及機械運動執(zhí)行機構，都由控制系統(tǒng)中單片機控制。在清洗除銹作業(yè)過程中，主軸周向電機旋轉速度保持不變，軸向電機步進伸縮進給量由給定量來控制決定，所需的給定量數(shù)值由單片機中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和處理單元給出，清洗除銹軌跡的軸向伸縮距離的數(shù)據(jù)是由位移傳感器采集得到的，然后將這些數(shù)據(jù)傳給單片機處理單元進行處理，通過處理后的結果信息來控制軸向電機與周向步進電機運動， 進而控制清洗除銹噴頭工作。單片機控制系統(tǒng)原理見圖5。

2.2.2? 數(shù)據(jù)采集及處理

經(jīng)分析確認，儲油罐智能清洗除銹裝置研究的關鍵點是噴嘴端面到罐壁距離的控制，即噴嘴端面到罐壁距離進給量的數(shù)據(jù)采集與處理。進給量的數(shù)據(jù)采集由微機系統(tǒng)中的單片機控制完成， 所采集到數(shù)據(jù)傳輸給PC機，通過PC機處理完后再送到單片機。

在數(shù)據(jù)采集時，通過傳感器探頭檢測將噴嘴端面控制在距離壁面20 mm處，然后將伸縮進給電機關閉，開啟周向電機旋轉進行檢測，每旋轉1°為一個數(shù)據(jù)采集點， 在每個點上采集10個數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，由于罐壁本身質量影響以及傳感器存在的誤差，使所采取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生曲線異化現(xiàn)象，所以需要對所采取數(shù)據(jù)進行擬合處理。通過對比分析，這里采用最小二乘法來進行曲線擬合處理。設軸向距離值為Xi，角度值為i。設擬合曲線的二次方程為：

令， 求出三個系數(shù)a、b、c，將三個系數(shù)代入方程就可以得到經(jīng)擬合處理后的噴嘴清洗除銹作業(yè)軌跡曲線，從而可以通過曲線方程提供的數(shù)值控制清洗除銹機械工作，提高清洗除銹的質量和效率。

2.3? 清洗除銹質量檢測及控制

智能機械裝置在實施油罐清洗除銹作業(yè)時，噴嘴進行周向旋轉和上下軸向移動，由于壁面油污和銹蝕的程度不同，在旋轉和上下移動過程中會導致清洗不均勻、除銹不完全的問題。

如何保證油罐壁面清洗除銹徹底并達到標準，提出兩種方案：

（1）通過適當調節(jié)控制機械裝置的高壓水射流的壓力來提高沖擊力，從而達到清洗除銹標準;

（2）通過控制光電位移傳感器旋轉一周，檢測噴頭到壁面的距離是否在最佳靶距范圍內，將檢測到的信號傳到單片機內， 經(jīng)過控制程序后調整靶距，繼續(xù)作業(yè)。

為簡化操作過程， 提高智能化水平，保持機械裝置的穩(wěn)定性，所以選擇用第二種方案。

3? 空化水射流系統(tǒng)

空化水射流系統(tǒng)由高壓泵組部分、輸送管道、空化噴嘴及電磁開關等組成。高壓水源動力部分采用高壓柱塞泵，泵的工作壓力最高為70 MPa，額定流量為4.2 m3/h，泵壓可通過變頻器進行無極調節(jié)。在泵體上裝有壓力表和安全閥，壓力表用于監(jiān)視泵的排出壓力，安全閥用于系統(tǒng)超壓保護。水流經(jīng)加壓后隨輸送管道到中心體噴嘴射出，在合適的靶距內形成空化，對罐壁面進行清洗除銹。

4? 運行控制執(zhí)行機構

4.1? 運動傳動機構

在清洗除銹作業(yè)過程中，機械運動軌跡采用軸向上下移動、主軸周向旋轉的復合式運動來控制。軸向上下移動由步進電機的升降來完成，周向旋轉運動由周向步進電機帶動主軸旋轉來實現(xiàn)。所選用的步進電機為三相混合式電機，由滑塊與導軌組成，裝配有絲桿、導軌、電機， 所占空間體積小，使用便捷，接線安裝簡單。主軸支承在由安裝在底座上，周向旋轉步進電機安裝在底座主軸支承下方。

4.2? 清洗除銹執(zhí)行機構

在實際的作業(yè)中， 存在各種不同罐徑的儲油罐，為滿足不同罐徑的清洗除銹要求，桿1、桿2長度均可伸縮調?？烧{節(jié)桿1上安裝高壓水空化噴嘴，可調節(jié)桿4上安裝軸向位移傳感器，清洗除銹機械執(zhí)行機構如圖6所示。

5? 結束語

基于空化水射流技術的儲油罐清洗除銹裝置，是將傳統(tǒng)機械機構學與現(xiàn)代高科技技術相結合的新型裝置，將機、電、液集于一體，實現(xiàn)了智能化控制。因其安全可靠，清洗除銹效率高，節(jié)能環(huán)保，省時低成本等特點， 必將在儲油罐的清洗除銹作業(yè)中， 得到廣泛的推廣與應用。

在實際的應用過程中，針對現(xiàn)場不同環(huán)境的情況、油罐銹蝕污物程度不同的特征等因素，要結合具體情況，從實際需求出發(fā)，不斷去優(yōu)化完善智能清洗除銹機械的結構和性能參數(shù)，充分利用空化效應的沖蝕性能，以達到更好的清洗除銹效果。

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