120QYJ型全自動封閉式油管清洗機的設計及試驗

張義勝 陳金利 侯心愛 蔣博

(淄博市農業機械研究所 山東淄博 255086)

油管主要用于各油（氣）田開發過程中，實施采油、采氣、壓裂、酸化、注水、注氣、修井等多種作業用途，油管下在套管內，將油（氣）引導到地面[1-2]油管在油污介質中長期使用時，在其內外壁上會逐漸附著一層油污，而且油污會逐漸增厚影響油管的通流能力，在這種情況下，必須清洗其內外壁。

就清洗機而言，主要有熱煮法和熱輻射法兩種方式[1]。高壓水射流是高新技術，具有清洗、除垢效果好，成本低，不損壞和腐蝕被清洗物基體，不污染環境等優點[3-4]。油管清洗，一般采用常溫水清洗，清洗不干凈，即使有的采用熱水清洗，也采用開放式作業，能耗大，自動化程度低。

提高油管修復質量，可以減少返工作量，降低作業費用，保證油水井的作業質量。清洗是油管修復檢測線中的首道工序[5-6]，能否有效清洗油管內外壁的污垢，是達到油管修復指標的重要前提，因此選擇合適的清洗方式可以提高油管修復質量，降低生產綜合成本。

針對油管清洗機存在問題，采用熱煮法清洗工藝，設計了120QYJ型全自動封閉式油管清洗機[7]。

1 結構及工作原理

1.1 整機結構

根據圖1～圖3內容顯示，清洗機由上料機構、進料機構、齒盤喂料機構、中心驅動機構、驅動機構減速機、清洗泵、支撐滾輪、限位滾輪、燃燒機、加熱系統、控制系統、內壁清洗裝置、出料機構、擋油管機構、外壁清洗機構、外刷式清洗機、排污系統等組成。

圖1 油管清洗機主機結構示意圖

圖2 進(出)料傳輸機構示意圖

根據圖3 內容顯示可知，上料機構由鏈條、上料勾、減速電機、傳動軸、鏈輪、軸承座等組成。減速電機通過聯軸器連接傳動軸，在上料架的頂部和下部各布置一條傳動軸，兩軸的兩端各安裝兩個鏈輪及軸承座，左右各安裝一鏈條，鏈條各安裝一個上料勾。

根據圖1～圖3 內容顯示，進（出）料機構均由減速電機、聯軸器、錐齒輪變速箱、滾輪、傳動軸等組成。在進（出）料機構的外端，安裝一個減速電機，其輸出端串聯帶動多個錐齒輪減速箱，在每個減速箱的輸出端，均安裝一個滾輪用于輸送油管，減速箱的數量要根據現場情況而定。

圖3 油管清洗機上下料架結構示意圖

根據圖4內容顯示可知，支撐滾輪由滾輪支座、滾輪、滾輪軸組成。左右各安裝一組支撐滾輪，中心驅動機構支撐在支撐滾輪的上方。在驅動機構的兩端各安裝一套限位滾輪，以限制其軸向移動。

圖4 支撐滾輪結構意圖

根據圖5內容顯示可知，驅動機構由齒盤固定圈、鋼管、大齒輪、活齒盤等組成。減速機輸出軸安裝一個小齒輪，與大齒輪嚙合，帶動卡在活齒盤內的油管轉動。擋油管機構與驅動機構同心安裝，其作用是防止油管徑向脫落。活齒盤用螺栓固定在齒盤固定圈上，為了加工更換方便，活齒盤由幾塊組成。更換不同規格活齒盤，可以清洗不同規格的油管。活齒盤共有40個齒，即齒盤轉動一圈，可以完成40條油管的清洗。

圖5 驅動機構結構示意圖

1.2 工作原理

根據圖1～圖3 內容顯示，上料機構將油管從上料架輸送到進料輸送棍上。輸送棍將油管輸送到位后，齒盤喂料機構將其輸送到活齒盤齒內。在清洗池內，油管隨活齒盤轉動,得到熱水的浸泡。油管有跳槽現象時，防跳裝置發出信號，自動停車排除故障。在油管旋出液面輸送到沖洗平臺時，清洗泵提供的高壓水射流沖洗油管內壁，然后翻轉機構將油管轉至出料傳輸線上，在油管出料的過程中，外壁得到高壓水射流沖洗和滾刷刷洗。排污口用于定期排除清洗池內的油污。換熱泵使清洗池內的熱水流經安裝在煙筒上的換熱套，熱水再次得到加熱,提高了熱效率。

需要上料時，控制系統發出指令，上料勾帶動油管向上移動到頂部后，沿著斜坡進入進料機構輸送輥內。需要進料時，控制系統發出指令，滾輪轉動帶動油管前進，進入活齒盤的齒盤內。需要出料時，控制系統發出指令，出料機構使油管出料下架。

上料機構、下料機構均由氣動系統與機械手控制，控制臺手動控制或計算機自控。燃燒器為自動控制。

2 技術參數

油管清洗機技術參數如表1所示。

表1 技術參數

3 有關設計計算

3.1 加熱系統熱負荷計算

3.1.1 設計計算條件

冬季最低溫度：-20 ℃；夏季最高溫度：40 ℃；水常溫溫度：20 ℃；清洗水要求溫度：8 ℃。

3.1.2 清洗池初次加熱負荷計算

初次加熱清洗池內水到指定溫度需要的能量為

式（1）中：Q1為加熱水到指定溫度需要能量，單位：kWh；G1為水池水重量，單位：T；C1為水比熱容，單位：kJ/kg·℃；t1為水原始溫度，單位：℃；t2為加熱后水溫度，單位：℃。

水池蓄水量按照42 m3計算，水的比重=1 T/m3，則G1=42 T；C1=4.186 kJ/kg·℃；t1=20 ℃；t2=85 ℃。由式（1）計算得：Q1=3 174 kWh。

初次加熱洗池內水到指定溫度需要熱負荷為

式（2）中，N為初次加熱水到指定溫度需要熱負荷，單位：kW；Tm為初次加熱時間，單位：h；η為加熱器熱效率，單位：%。

加熱器熱效率η=88%，由式（2）計算得到，如果初次加熱時間Tm為24 h，需要的熱負荷150 kW；如果初次加熱時間Tm為36 h，需要的熱負荷為100 kW。

3.1.3 油管加熱所需熱負荷計算

油管加熱所需熱負荷為

式（3）中，Q2為油管加熱到指定溫度需要的能量，單位：kWh；G2為油管重量，單位：T；C2為碳鋼比熱容，單位：kJ/kg·℃；t3為油管原溫度，單位：℃；t4為油管加熱后溫度，單位：℃。

每根油管質量為100 kg，高清洗速度為120 根/h，120根油管重量G2=12 T；C2=0.49 kJ/kg·°C；t4=85 ℃。

由式（3）計算得到，冬季最冷工況，油管原始溫度t3=-20 ℃，所需熱負荷為195 kW。夏季最熱工況，油管原始溫度t3=40 ℃，所需熱負荷為85 kW。常溫工況，油管原始溫度t3=20 ℃，所需熱負荷為120 kW。按照常溫工況設計，燃燒器最大燃燒量和最小燃燒量，分別滿足冬季最冷工況和夏季最熱工況。

3.1.4 燃氣用量計算

燃料用量計算公式為

式（4）中，Gg為燃料用量，單位：m3/h；Q為燃燒器熱負荷，單位：kW；qv為天然氣發熱量，單位：kJ/Nm3；λ為散熱損失，單位：%。

qv=37 600 kJ/Nm3，λ=5%

由式（4）進行計算得到，當熱負荷為195 kW 時，Gg=19.65 m3/h；當熱負荷為120 kW時，Gg=12 m3/h；當熱負荷為85 kW時，Gg=8.57 m3/h。

3.1.5 燃燒器選擇

根據所計算結果，選用BTG28PCN型自動燃燒器，燃燒負荷為80～280 kW，天然氣耗量：9.8～19 m3/h；滿足各種工況使用要求。

3.2 驅動機構設計計算

3.2.1 功率設計計算

根據圖4、圖5 顯示可知，中心驅動機構支撐在滾輪上，機構轉動需要克服和滾輪的摩擦力矩。

式（5）中，M為機構與滾輪產生的摩擦力矩，單位：N·m；G3為機構總重量，單位：kg；r為鋼管的半徑，單位：m；g為重力加速度，單位：m/s2；μ為機構與滾輪摩擦系數。

G3由兩個部分組成，一是機構凈重為3 000 kg，二是40 條油管重量為4 000 kg，G3=7 000 kg，g=9.8 m/s2，μ=0.15[8]，r=0.25 m。由式（5）計算得，M=2 572.5 N·m。

機構轉動需要的功率為

式（6）中，P為電機功率，單位：kW；n為機構轉速，單位：r/min；φ為總傳動效率。

齒盤固定圈轉動三圈完成120 根的清洗任務，由此確定最高轉速n=0.05 r/min。取φ=0.85。由式（6）計算得,P=0.016 kW。選用BWED-0.55-42-5133 型行星擺線針輪減速機，電機功率0.55 kW,減速比i=5133,輸入轉速1 480 r/min，輸出轉速0.29 r/min。

3.2.2 轉速設計計算

中心驅動機構的轉速

式（7）中，n為機構轉速，單位：r/min；n1為電機轉速，單位：r/min；i為減速比；Z1為小齒輪齒數；Z2為大齒輪齒數。n1=1 480 r/min，i=513 3，Z1=22；Z2=128。由式（7）計算得，n=0.049 6 r/min，符合設計要求。

3.3 上料機構設計計算

3.3.1 各工位油管運行速度設計計算

清洗機最高清洗速度為120根/h，即清洗單根油管時間為30 s，要求各工位油管運行時間要小于30 s。降低清洗速度時，可通過控制系統調整上料、進出料等機構的運行速度，使之與清洗速度相匹配。上料架高度按照3 m 計算，要求上料鏈條的線速度＞0.1 m/s，這里按照0.2 m/s 計算。對于進出料傳輸機構，油管運行長度按照18 m計算，則油管最低運行速度為0.6 m/s。

3.3.2 上料機構功率設計計算

上料機構需要的功率為

式（8）中，P1為電機功率，單位：kW；ν1為機構上升速度，單位：m/s；F為行走阻力，單位：N。上料機構的行走阻力為

式（9）中，G4為單根油管重量，單位：kg；α為上料鏈條坡度角，單位：°。

由式（8）（9）計算得，P1=0.184 kW。選用BWD-0.37-59型行星擺線針輪減速機，電機功率0.37 kW，減速比i1=59，輸入轉速1 450 r/min，輸出轉速25 r/min。

3.3.3 上料鏈輪設計計算

上料鏈輪的分度園直徑為

式（10）中，d為鏈輪分度園直徑，單位：mm；n2為鏈輪轉速，單位：r/min。

上料鏈輪的轉速n2=25 r/min。根據式（10）計算得，d=152.788 mm。上料鏈條的型號選用20A 型。選用鏈輪齒數Z3=15，則上料鏈輪的分度園直徑為157.351 mm，上料機構的實際上升速度ν=0.206 m/s。

3.4 進（出）料機構設計計算

3.4.1 摩擦力矩計算

如圖3所示，油管支撐在滾輪上，滾輪的轉動需要克服的摩擦力矩為

式（11）中，M1為油管與滾輪產生的摩擦力矩，單位：N·m；r1為滾輪的半徑，單位：m。

當r1=0.064 m，由式（11）計算得：M1=9.4 N·m。

3.4.2 滾輪轉速計算

滾輪的轉速為

式（12）中，n3為滾輪的轉速，單位：r/min；v2為滾輪線速度，單位：m/s。

油管運行速度，即滾輪線速度v2=0.6 m/s，由式（12）計算得，n3=89.52 r/min。

3.4.3 功率計算

滾輪轉動需要的功率為

式（13）中，P2為電機功率，單位：kW。

取φ=0.95，由式（13）計算得，P2=0.092 kW。考慮到減速機同時帶動多個變速箱，選用BWD-0.55-17型行星擺線針輪減速機，電機功率0.55 kW，減速比i2=17，輸入轉速1 480 r/min，輸出轉速87 r/min。

4 功率匯總

清洗機各傳動部件所需功率如表2所示。

表2 功率匯總表

5 結語

針對油管清洗機所存在問題，設計了該油管清洗機，并介紹了其構結構及工作原理，計算了燃氣消耗量、油管各工位的運行速度、功率消耗等。經使用表明，清洗機具有清洗效果好，能耗低，工作效率高等優點。清洗機各工位運行速度是根據最高清洗速度而設計的，當降低清洗速度時，可通過控制系統調整上料、進料、出料等機構運行速度，使之與清洗速度相匹配。