臥式儲油罐清洗裝置的設計與分析

賈繼磊 王龍庭 王西錄 劉志慧 王彥富

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司；2.中國石油大學（華東）機電工程學院；3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部）

為了確保儲罐完整性及其使用的安全性，在原油儲罐的實際運營中，需要定期停產檢修。 行業標準規定新建油罐第1次開罐檢修的時間最長不超過10年， 第2次及以后開罐檢修周期一般為5～7年［1，2］。原油儲罐在檢修前必須清洗干凈，且要確保清洗過程的安全性。 儲油罐的清洗通常是噴頭、噴槍裝置從浮頂孔進入儲油罐內，然后產生三維旋轉的射流，以此來達到對油罐頂部、底部、罐壁面的清洗和沖刷［3］，當射流的壓力逐漸增大時，還可以達到使罐底或者罐壁上沉積的原油等其他結塊雜質破碎或者溶解的效果。

筆者將普通的三維旋轉噴槍進行結構優化和效果改善，使之能夠配合到小型臥式儲油罐清洗機器人上， 并進行機器人的尺寸設計和穩定性分析。

1 普通噴頭射流軌跡分析

圖1所示為普通的三維噴頭結構，三維旋轉噴槍由氣動或電動馬達、減速機、齒輪傳動系統、連接有通到罐外傳感器的角度指示器、噴槍槍管、內外軸、 噴頭以及氣動或電動回路控制系統等結構組成。 氣動或電動馬達輸出的動力源經減速機減速后由下一級齒輪傳動系統分別傳送給三維旋轉噴槍的內外軸， 外軸形成噴頭繞噴槍軸線的旋轉運動（公轉），內軸的旋轉形成噴頭繞自身軸線的旋轉運動（自轉）或由氣動控制系統控制噴頭在一定角度范圍內擺動［4］。

圖1 普通三維旋轉噴槍的結構示意圖

將儲油罐罐頂清洗作業中的套管安裝在簡化模型后的履帶式清洗機器人上。噴頭處于儲油罐的中間， 旋轉軌跡如圖2所示。 清洗區域要包括儲油罐的頂部區域和底部區域，還要通過機器人的移動覆蓋到整個儲油罐內壁進行全方位清洗。

圖2 旋轉軌跡示意圖

當由清洗機器人裝載的噴槍清洗儲油罐底部時，通過圖2可知，清洗油罐底部時軸的擺動角度的最大極限是105°，但為了在清洗時能夠覆蓋到幾乎所有的油罐底部區域，裝載噴槍的機械機構在豎直方向做平動。 在此極限位置向下開始擺動噴頭，在油罐的頂部會形成由外向內的螺旋形射流軌跡線［5］。當噴頭繞斜面的軸線轉過半周時，最大可與噴槍管軸線形成135°夾角，大致可完成儲油罐頂部的清洗作業。 位于135～180°罐頂覆蓋不到的區域可以通過移動機器人或者其上的伸縮裝置進行清洗。 所以在清洗儲油罐的底部時，噴槍射流的清洗軌跡大致可認為是下極限位置到135°之間的軌跡區域。

當清洗機器人裝載的噴槍對儲油罐頂部進行清洗時，噴槍上的噴頭相對于豎直方向的夾角特別小（小于45°），噴頭的射流對油罐頂部的清洗覆蓋范圍較小，不能完全覆蓋到整個油罐頂部區域，因此在清洗機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 新型三維旋轉噴頭設計分析

普通噴頭清洗的覆蓋范圍不足以覆蓋到整個儲油罐的內壁面，只能夠清洗一定角度范圍內的內壁面，對于清洗不到的內壁面，需要在機器人的同一個位置設置1～2個類似的裝置來達到對整個壁面的清洗覆蓋。 本課題針對小型臥式儲油罐研究的清洗機器人要達到小型化、輕量化的目的，因此需設計一種新型的、清洗范圍全覆蓋的、節能的噴頭裝置，如圖3所示。

圖3 新型三維旋轉噴頭結構示意圖

該新型三維旋轉噴頭機械結構簡單，不需要附帶類似于上述的噴槍裝置來輔助配合，能夠自動完成清洗任務。 由于清洗對象是小型的臥式儲油罐，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，此時對較長的噴臂產生了一定的射流反沖力，然后帶動位于裝置內部的水平軸管轉動，由于水平軸和垂直軸之間采用了一套錐齒輪嚙合連接，因此水平軸管的轉動通過錐齒輪傳動到垂直軸管上，進而帶動垂直軸管轉動，然后整個噴頭裝置就開始轉動作業了。 通過此新型噴頭的工作過程可以了解到，這個結構裝置僅僅通過入口處水的壓力來驅動整個裝置的運行，簡化了裝置結構，節約了一部分能源。

該三維旋轉噴頭能完成立體清洗任務，對于油罐內壁的清洗幾乎可以達到全壁面的覆蓋，并且由于射流壓力為低壓， 會對油罐壁進行保護，同時產生的反沖力不會使機器人發生傾翻。

3 清洗機器人的尺寸設計與穩定性分析

由于儲油罐內存在一系列的油水混合物、油泥結渣物等，罐內的環境相對比較復雜，因此清洗機器人的機構穩定性將直接關系到清洗工作能否順利、高效、安全的完成。 本次設計采用一種小型的履帶式清洗機器人，通過學習了解各種機器人穩定性理論的分析，決定采用較為簡單的力矩平衡穩定分析法，簡化設計模型，將主要參數進行理論計算分析，基于分析結果優化設計清洗機器人的寬度和接觸油罐的履帶長度。 通過對清洗機器人在儲油罐內遇到較大的結塊時的穩定性分析和在油罐內如何制動這兩種情況，利用力矩平衡方程進行分析。

3.1 尺寸設計

課題的設計主要是針對小型臥式儲油罐，其結構特點是：儲油罐的直徑為2 000mm，罐體長為6 000mm左右。 由于附著在罐壁上的油泥等雜質具有一定的流動性，清洗機器人上搭載的三維旋轉噴槍、噴頭機構的射流壓力不應該過大，以免造成對罐體焊縫的沖擊破壞。 所設計的清洗機器人的優化高度為600mm， 輕量化的目標質量為90kg。 除此之外，機器人上還應搭載照明燈、攝像頭及刮擦毛刷等裝置，受到機器人安裝尺寸的限制，設計噴槍結構重心的垂線距離機器人底盤重心位置的距離為240mm。履帶長度設計為400mm，機器人整體寬度為420mm， 其整體結構如圖4所示。

圖4 清洗機器人結構示意圖

3.2 穩定性分析

清洗機器人在儲油罐內工作時會遇到兩種特殊的情況可能會造成機器人發生側翻：一種是機器人在罐內作業行走時可能會遇到罐底的油泥等較大塊的雜質，使之發生傾翻；另外一種是機器人在罐內制動時可能發生傾翻。

對清洗機器人在油罐底部作業遇到較大塊雜質的情況進行受力分析， 具體如圖5所示，其中，Ff1為滾動阻力，Fq1為牽引力，v是機器人的前進速度。

圖5 清洗機器人遇到大塊雜質時的受力分析

對觸地的B軸進行受力分析，可得：

式中 G——機器人整體所受的重力，N；

h1——此時機器人的重心高度，mm；

l1——在此工況下的重心點到B軸的垂直距離，mm；

MON——支撐力N1產生的力矩；

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

N1——大塊雜質對于機器人的支撐力，N；

s——支撐力到B軸的垂直距離，mm。

在此工況下，機器人不發生傾翻的條件是MON＋MOGx≤MOGy，即：

當清洗機器人下放到儲油罐底部開始工作或遇到緊急事故突然制動時，假設摩擦力足夠大且機器人不會發生滑行，在短時間內機器人的速度要突然減小到0， 于是機器人的運動由原來在罐底的直線運動突變成圍繞著A軸的轉動。 在計算分析時可以忽略罐內空氣的影響，機器人在油罐底部制動時的受力分析如圖6所示，其中，Ff2為摩擦阻力，N2為罐底在此情況下的支持力。 機器人的重心點O的高度在100～340mm之間，重心O點距離觸地點A軸的距離l2在120～240mm之間。

圖6 清洗機器人在油罐底部制動時的受力分析

清洗機器人在油罐底部工作時以勻速進行運動，行走速度很小，假設行走速度v1=0.15m/s，在發生制動后， 機器人行走的水平速度v1會在瞬間變成圍繞A點的轉動角速度ω，根據動量守恒定律可得：

式中 h2——此情況下重心O距離A軸的垂直距離，mm；

JA——繞A點的轉動慣量，kg/m2；

m——清洗機器人的總質量，kg。

機器人在自身重力的作用下，會使之產生的角速度逐漸減小，而由于轉動慣量的產生，機器人接觸罐底的履帶會圍繞著A點發生轉動， 并且產生一個角δ，再根據能量守恒定律可知：

式中 z——慣性半徑，mm。

經計算可得：（1.2486×10-4）°<δmax<（4.3246×10-4）°，51.68°<γ<66.35°。由此可得，當清洗機器人在油罐底部發生制動的瞬間，其裝置的整體傾斜度（δmax+γ）?90°，因此清洗機器人不會發生傾翻。

4 結束語

筆者分析了現有儲油罐清洗技術中的清洗噴頭，了解了其工作原理和射流軌跡，發現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，設計出了一種新型的三維旋轉噴頭， 并匹配設計了一種適用于小型臥式儲油罐（直徑2 000mm、長6 000mm）的清洗機器人，針對小型臥式儲油罐設計的新型三維旋轉噴頭，無需附帶噴槍裝置的輔助，射流壓力小，反沖力小，基本能夠達到對油罐內壁的全覆蓋清洗；設計了小型履帶式清洗機器人，通過穩定性分析和力矩平衡分析，對其進行了整體尺寸的優化分析，分析結果表明優化其整體尺寸機器人工作穩定，工作過程中不會發生傾翻。