工业油罐清洗三维旋转喷射枪结构改进设计*

李玉朵 张铱鈖 蔡业彬 王美茹 杨志云

(1. 太原理工大学；2. 广东石油化工学院)

工业油罐清洗三维旋转喷射枪结构改进设计*

李玉朵**1,2张铱鈖1蔡业彬2王美茹1,2杨志云1,2

(1. 太原理工大学；2. 广东石油化工学院)

介绍了喷射枪的基本结构、运动原理和清洗方式，针对现有喷射枪存在的主要缺点，将其喷杆运动改进为喷射枪内部双轴运动、单一清洗方式改进为多种清洗模式，并对其喷嘴结构进行了设计与分析，形成新喷射枪。实际应用说明改进后的喷射枪可以缩短清洗周期。

喷射枪 工业油罐 喷嘴 高压水射流清洗技术

高压水射流清洗技术是一种高聚能、速度快、效率高、成本低、无腐蚀、无污染且不损害被清洗表面的物理清洗方法，自20世纪70年代末中国引入该项技术以来，至今已形成一定规模的产业链。随着中石油、中石化和国储基地强制要求全部储油罐必须进行机械清洗[1]，其他各大小型企业公司的储油罐也必将迎来机械清洗的高峰。文献[2]表明以往的喷射枪具有结构复杂、笨重、不易操作、价格昂贵及喷杆或软管极易损坏等缺陷。为此，笔者设计了一种结构简单、效率高、价格便宜且通用性好的喷射枪。

1 喷射枪的基本结构和运动方式

喷射枪由气动马达、齿轮箱、离合器、杆轴、管轴、旋转接头、伞齿轮副和喷头构成[3]，其机械运动原理为：气动马达带动齿轮箱转动[4]，齿轮箱分别带动杆轴和管轴旋转运动；管轴带动旋转接头在0～360°的水平面内运动，旋转接头带动喷头也在0～360°的水平面内做公转旋转运动；杆轴带动伞齿轮副转动，伞齿轮副带动喷头在0～140°的斜平面内做自转运动。离合器的离与合决定了杆轴是否运动。喷头既做公转又做自转时，喷头就在两个不同的平面内运动，形成近似为半球面的运动轨迹。

旋转射流是指射流喷嘴不旋转时产生的具有三维速度、沿螺旋线轨迹运动的扩散式射流[5]，其外形是明显扩张的喇叭状，具有明显的扩散能力和卷吸周围介质参与流动的能力，并能够形成较大的冲击面积，产生良好的雾化效果。

旋转喷头则是喷头本身旋转，从喷嘴喷出的射流除了具有一定的旋转射流功能外[6]，更具有旋转特性。旋转喷头按照驱动方式的不同，可分为自动旋转喷头和强制旋转喷头；按照空间维数的不同，可分为平面型旋转喷头和空间型旋转喷头。

喷射枪的喷头属于强制、空间型旋转喷头，其转速严格可调。文献[7]详细介绍了喷射枪公转速度和自转速度的大小和作用。只有合理选择公转速度和自转速度，才能同时保证水射流既能凝聚、不散射、不雾化，又能覆盖所有待清洗表面，从而达到水流冲击力在罐壁上作用的时间最合适、清洗效率最高的目的。笔者自行设计的喷射枪基本运动参数有：管轴回转速度为0.5～1.0r/min，喷嘴垂直升降速度为0.007r/min，喷嘴往复一个行程为111转。

2 喷射枪的清洗方式

喷嘴的上下移动角度通过上下行程开关调节螺杆控制，可在0～140°范围内任意选取，其常用清洗方式有[1]：全面清洗，0～140°；清洗底板，45～100°；清洗顶板，100～140°。如果某区域的污垢坚硬难以清除，可以针对性地调节喷射枪的角度(图1)，以使清洗效果最好，从而有效地缩短清洗时间。

图1 喷射枪清洗范围和摆角调节

3 喷射枪的改进

从旋转喷头的分类上划分，现有喷射枪属于二维强制型旋转喷头，依靠机械或液压马达、气压马达带动喷杆或带有喷头的喷管旋转并送进[8]，其基本结构如图2所示，主要缺点是应用范围窄、清洗方式单一、送进速度调节困难、喷杆易腐蚀磨损及喷嘴结构缺少明确的资料介绍等。针对上述缺点，笔者设计了新的喷射枪(图3)。

图2 现有的二维强制型旋转喷射枪1——控制阀； 2——旋转接头； 3——喷嘴总成；4——齿轮箱； 5——气动马达； 6——旋转速度控制阀

图3 新设计的自动清洗喷射枪整体结构1——气动马达； 2——主动齿轮； 3——齿轮箱； 4——主动轴； 5——喷射枪套管； 6——带导流孔的轴承； 7——水平旋转传动座； 8——导流孔； 9——伞齿轮； 10——带导流孔的从动斜齿轮；11——连接块； 12——喷嘴；13——角向旋转轴；14——入口法兰；15——水平旋转轴；16——从动齿轮；17——气动控制模块； 18——离合器控制按钮；19——电磁离合器

3.1喷杆运动方式改进

现有喷射枪仅随喷杆做公转运动，因此其运动轨迹是一系列以偏心距为半径的圆包络面[9]，具有重复性，清洗周期长，容易造成能源浪费，且仅适用于平面清洗，清洗范围窄。新喷射枪采用内部双轴传动，使喷头既做公转运动又做自转运动，运动轨迹近似为半球面[3]。新喷射枪适用于平面清洗和空间清洗，清洗范围扩大，省去了送进装置。依据新喷射枪的参数做如下分析：若喷嘴每分钟转动一周，则喷嘴公转和自转的比值为360/2.52=142.857 142 9…，由此可知公转与自转的差速比是无理数，流体运动轨迹永远不封闭，即起点和终点始终不重合，有效地缩短了清洗周期，提高了清洗效率。

3.2清洗模式改进

现有喷射枪只有一种清洗方式，且不能根据清洗工况进行调节，而新喷射枪克服了这一缺点，在其结构上设有上下行程开关调节螺杆和角度螺杆，可以根据现场实际情况进行调节从而确定清洗模式，常用的清洗模式有3种：全面清洗、罐底清洗和罐顶清洗。

4 喷嘴结构的设计计算与分析

笔者采用理论计算、Gambit建模网格划分软件和Fluent流体分析软件对新喷射枪的喷嘴结构进行设计与分析。喷嘴是将高压水静压强转化为水动能的直接元件，其结构是否合理直接影响着清洗效率、清洗质量和清洗周期。因此应根据射流作业的要求合理选择喷嘴类型。工业清洗领域一般选用圆柱形喷嘴[8]，其具有结构简单和清洗效率高的优点。喷嘴的主要几何参数有：喷嘴出口直径d、收缩角α(一般取12～14°)和长径比l/d。新设计的喷嘴结构如图4所示。

图4 新设计的喷嘴结构

喷嘴出口直径d的计算式为[10]：

(2)

式中p——射流压力，MPa；

q——射流的体积流量，L/min；

μ——喷嘴的流量系数，对于圆柱形喷嘴，一般取0.95。

清洗破碎油泥、罐壁和罐底的射流是一种低压大流量的冲击射流，因此新喷射枪的喷嘴几何参数为：p=0.4～1.0MPa，q=633～1 583L/min，d=28mm。将相应的参数代入式(2)可得：

由此可知喷嘴出口直径d的取值范围为17.8～35.4mm，故本设计中取喷嘴直径d=28mm具有合理性。

喷嘴出口速度v与射流压力p的关系为[11]：

v=44.72p1/2

(3)

取射流压力p为1.0MPa，将其代入式(3)，得到v=44.72m/s。通过Gambit建模和Fluent分析可得喷嘴内流体速度沿水平轴线的等值云图和轨迹线(图5)。由图5可知：在喷嘴截面积不变的区域，流体速度基本保持不变；在喷嘴截面积骤缩区域，流体的速度迅速增大；喷嘴出口速度大小与公式计算得到的速度大小一致。

a. 等值云图

b. 轨迹线图5 喷嘴内流体速度沿水平轴线 的等值云图和轨迹线

改进后的三维旋转喷射枪已成功应用于国内某些石化公司原油储罐的机械清洗工程中，缩短了清洗周期，提高了油罐的运转能力。

5 结论

5.1改进后的喷射枪在结构上上下行程开关调节螺杆实现了清洗范围的可控性，优化出了3种高效的清洗模式，有效地缩短清洗周期；角度螺杆可实现任意调节喷射枪角度，能针对性地清洗某一特殊位置。

5.2喷射枪的双轴传动保证了公转速度和自转速度的独立存在和独立调节，优化了流体的运动轨迹，有效提高清洗效率。

5.3通过Gambit建模和Fluent分析可知，新设计的喷嘴结构设计合理，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

*国家自然科学基金项目(61174113)，国家科技型中小企业创新基金项目(12C26214405347)，广东省自然科学基金项目(8152500002000011)，广东省教育厅科技创新项目(2012KJCX0076)。

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

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0207-04

2014-05-22，

2014-06-09)