工業油罐清洗三維旋轉噴射槍結構改進設計*

李玉朵 張銥鈖 蔡業彬 王美茹 楊志云

(1. 太原理工大學；2. 廣東石油化工學院)

工業油罐清洗三維旋轉噴射槍結構改進設計*

李玉朵**1,2張銥鈖1蔡業彬2王美茹1,2楊志云1,2

(1. 太原理工大學；2. 廣東石油化工學院)

介紹了噴射槍的基本結構、運動原理和清洗方式，針對現有噴射槍存在的主要缺點，將其噴桿運動改進為噴射槍內部雙軸運動、單一清洗方式改進為多種清洗模式，并對其噴嘴結構進行了設計與分析，形成新噴射槍。實際應用說明改進后的噴射槍可以縮短清洗周期。

噴射槍 工業油罐 噴嘴 高壓水射流清洗技術

高壓水射流清洗技術是一種高聚能、速度快、效率高、成本低、無腐蝕、無污染且不損害被清洗表面的物理清洗方法，自20世紀70年代末中國引入該項技術以來，至今已形成一定規模的產業鏈。隨著中石油、中石化和國儲基地強制要求全部儲油罐必須進行機械清洗[1]，其他各大小型企業公司的儲油罐也必將迎來機械清洗的高峰。文獻[2]表明以往的噴射槍具有結構復雜、笨重、不易操作、價格昂貴及噴桿或軟管極易損壞等缺陷。為此，筆者設計了一種結構簡單、效率高、價格便宜且通用性好的噴射槍。

1 噴射槍的基本結構和運動方式

噴射槍由氣動馬達、齒輪箱、離合器、桿軸、管軸、旋轉接頭、傘齒輪副和噴頭構成[3]，其機械運動原理為：氣動馬達帶動齒輪箱轉動[4]，齒輪箱分別帶動桿軸和管軸旋轉運動；管軸帶動旋轉接頭在0～360°的水平面內運動，旋轉接頭帶動噴頭也在0～360°的水平面內做公轉旋轉運動；桿軸帶動傘齒輪副轉動，傘齒輪副帶動噴頭在0～140°的斜平面內做自轉運動。離合器的離與合決定了桿軸是否運動。噴頭既做公轉又做自轉時，噴頭就在兩個不同的平面內運動，形成近似為半球面的運動軌跡。

旋轉射流是指射流噴嘴不旋轉時產生的具有三維速度、沿螺旋線軌跡運動的擴散式射流[5]，其外形是明顯擴張的喇叭狀，具有明顯的擴散能力和卷吸周圍介質參與流動的能力，并能夠形成較大的沖擊面積，產生良好的霧化效果。

旋轉噴頭則是噴頭本身旋轉，從噴嘴噴出的射流除了具有一定的旋轉射流功能外[6]，更具有旋轉特性。旋轉噴頭按照驅動方式的不同，可分為自動旋轉噴頭和強制旋轉噴頭；按照空間維數的不同，可分為平面型旋轉噴頭和空間型旋轉噴頭。

噴射槍的噴頭屬于強制、空間型旋轉噴頭，其轉速嚴格可調。文獻[7]詳細介紹了噴射槍公轉速度和自轉速度的大小和作用。只有合理選擇公轉速度和自轉速度，才能同時保證水射流既能凝聚、不散射、不霧化，又能覆蓋所有待清洗表面，從而達到水流沖擊力在罐壁上作用的時間最合適、清洗效率最高的目的。筆者自行設計的噴射槍基本運動參數有：管軸回轉速度為0.5～1.0r/min，噴嘴垂直升降速度為0.007r/min，噴嘴往復一個行程為111轉。

2 噴射槍的清洗方式

噴嘴的上下移動角度通過上下行程開關調節螺桿控制，可在0～140°范圍內任意選取，其常用清洗方式有[1]：全面清洗，0～140°；清洗底板，45～100°；清洗頂板，100～140°。如果某區域的污垢堅硬難以清除，可以針對性地調節噴射槍的角度(圖1)，以使清洗效果最好，從而有效地縮短清洗時間。

圖1 噴射槍清洗范圍和擺角調節

3 噴射槍的改進

從旋轉噴頭的分類上劃分，現有噴射槍屬于二維強制型旋轉噴頭，依靠機械或液壓馬達、氣壓馬達帶動噴桿或帶有噴頭的噴管旋轉并送進[8]，其基本結構如圖2所示，主要缺點是應用范圍窄、清洗方式單一、送進速度調節困難、噴桿易腐蝕磨損及噴嘴結構缺少明確的資料介紹等。針對上述缺點，筆者設計了新的噴射槍(圖3)。

圖2 現有的二維強制型旋轉噴射槍1——控制閥； 2——旋轉接頭； 3——噴嘴總成；4——齒輪箱； 5——氣動馬達； 6——旋轉速度控制閥

圖3 新設計的自動清洗噴射槍整體結構1——氣動馬達； 2——主動齒輪； 3——齒輪箱； 4——主動軸； 5——噴射槍套管； 6——帶導流孔的軸承； 7——水平旋轉傳動座； 8——導流孔； 9——傘齒輪； 10——帶導流孔的從動斜齒輪；11——連接塊； 12——噴嘴；13——角向旋轉軸；14——入口法蘭；15——水平旋轉軸；16——從動齒輪；17——氣動控制模塊； 18——離合器控制按鈕；19——電磁離合器

3.1噴桿運動方式改進

現有噴射槍僅隨噴桿做公轉運動，因此其運動軌跡是一系列以偏心距為半徑的圓包絡面[9]，具有重復性，清洗周期長，容易造成能源浪費，且僅適用于平面清洗，清洗范圍窄。新噴射槍采用內部雙軸傳動，使噴頭既做公轉運動又做自轉運動，運動軌跡近似為半球面[3]。新噴射槍適用于平面清洗和空間清洗，清洗范圍擴大，省去了送進裝置。依據新噴射槍的參數做如下分析：若噴嘴每分鐘轉動一周，則噴嘴公轉和自轉的比值為360/2.52=142.857 142 9…，由此可知公轉與自轉的差速比是無理數，流體運動軌跡永遠不封閉，即起點和終點始終不重合，有效地縮短了清洗周期，提高了清洗效率。

3.2清洗模式改進

現有噴射槍只有一種清洗方式，且不能根據清洗工況進行調節，而新噴射槍克服了這一缺點，在其結構上設有上下行程開關調節螺桿和角度螺桿，可以根據現場實際情況進行調節從而確定清洗模式，常用的清洗模式有3種：全面清洗、罐底清洗和罐頂清洗。

4 噴嘴結構的設計計算與分析

筆者采用理論計算、Gambit建模網格劃分軟件和Fluent流體分析軟件對新噴射槍的噴嘴結構進行設計與分析。噴嘴是將高壓水靜壓強轉化為水動能的直接元件，其結構是否合理直接影響著清洗效率、清洗質量和清洗周期。因此應根據射流作業的要求合理選擇噴嘴類型。工業清洗領域一般選用圓柱形噴嘴[8]，其具有結構簡單和清洗效率高的優點。噴嘴的主要幾何參數有：噴嘴出口直徑d、收縮角α(一般取12～14°)和長徑比l/d。新設計的噴嘴結構如圖4所示。

圖4 新設計的噴嘴結構

噴嘴出口直徑d的計算式為[10]：

(2)

式中p——射流壓力，MPa；

q——射流的體積流量，L/min；

μ——噴嘴的流量系數，對于圓柱形噴嘴，一般取0.95。

清洗破碎油泥、罐壁和罐底的射流是一種低壓大流量的沖擊射流，因此新噴射槍的噴嘴幾何參數為：p=0.4～1.0MPa，q=633～1 583L/min，d=28mm。將相應的參數代入式(2)可得：

由此可知噴嘴出口直徑d的取值范圍為17.8～35.4mm，故本設計中取噴嘴直徑d=28mm具有合理性。

噴嘴出口速度v與射流壓力p的關系為[11]：

v=44.72p1/2

(3)

取射流壓力p為1.0MPa，將其代入式(3)，得到v=44.72m/s。通過Gambit建模和Fluent分析可得噴嘴內流體速度沿水平軸線的等值云圖和軌跡線(圖5)。由圖5可知：在噴嘴截面積不變的區域，流體速度基本保持不變；在噴嘴截面積驟縮區域，流體的速度迅速增大；噴嘴出口速度大小與公式計算得到的速度大小一致。

a. 等值云圖

b. 軌跡線圖5 噴嘴內流體速度沿水平軸線 的等值云圖和軌跡線

改進后的三維旋轉噴射槍已成功應用于國內某些石化公司原油儲罐的機械清洗工程中，縮短了清洗周期，提高了油罐的運轉能力。

5 結論

5.1改進后的噴射槍在結構上上下行程開關調節螺桿實現了清洗范圍的可控性，優化出了3種高效的清洗模式，有效地縮短清洗周期；角度螺桿可實現任意調節噴射槍角度，能針對性地清洗某一特殊位置。

5.2噴射槍的雙軸傳動保證了公轉速度和自轉速度的獨立存在和獨立調節，優化了流體的運動軌跡，有效提高清洗效率。

5.3通過Gambit建模和Fluent分析可知，新設計的噴嘴結構設計合理，且通用性良好。

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ImprovementDesignof3DRotatingSprayingGunStructureinCleaningOil-tanks

LI Yu-duo1,2, ZHANG Yi-fen1, CAI Ye-bin2, WANG Mei-ru1,2,YANG Zhi-yun1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maomin525000,China)

The basic constitution, working principle and parameters as well as the operating mode of the spraying gun were described. Aiming at the existing gun’s major defects, the spraying bar was changed into biaxial transmission and the multi-mode cleaning were employed, including analysis and design of the new jet nozzle for spraying guns. Its application shows that the improved spraying gun can shorten the cleaning period.

spraying gun, industrial oil tank,jet nozzle,high pressure water jet technology

*國家自然科學基金項目(61174113)，國家科技型中小企業創新基金項目(12C26214405347)，廣東省自然科學基金項目(8152500002000011)，廣東省教育廳科技創新項目(2012KJCX0076)。

** 李玉朵，女，1990年1月生，碩士研究生。山西省太原市，030024。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0207-04

2014-05-22，

2014-06-09)