机动管线自力式混油切割装置设计

张锐征 左永刚 张镇 肖杰 邬美春

【摘  要】机动管线应用于抢险、救灾等特殊场景，顺序输送可以极大提高其输送效率。为准确、高效实现顺序输送，论文对密度敏感型通断控制阀进行改进设计，研制了一款基于浮力原理的机动管线自力式混油切割装置。该装置结构简单，可以实现自力驱动、区间控制，自动对机动管线顺序输送过程中的混油进行切割。

【Abstract】Field pipeline are used for emergency rescue， disaster relief， etc. Batch transportation can greatly improve its transport efficiency. In order to accurately and efficiently realize the batch transportation， this paper improved the design of density sensitive on-off control valve， and developed a kind of self-operated oil-mixing cutting device in field pipeline based on buoyancy principle. The device is simple in structure， and can realize self-drive and interval control， and can automatically cut the mixed oil in the batch transportation process of the field pipeline.

【关键词】机动管线;顺序输送;自力式混油切割

【Keywords】field pipeline; batch transportation; self-operated oil-mixing cutting

【中图分类号】TE832                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）12-0179-03

1 引言

在同一管道内，按照一定的批量和次序，连续地输送不同种类油品的方式叫作顺序输送[1]。美国科洛尼尔成品油管道系统[2]干线和复线均可实现顺序输送，能以5天作为一个周期，进行118种不同型号成品油的顺序输送，创造了巨大的经济效益。我国格拉管线[3]和兰成渝管道[4]等成品油输送管道均已实现密闭式顺序输送工艺。

虽然成品油顺序输送工艺在固定管线上已得到广泛应用，但是在野外机动管线上应用较少。与固定输油管线相比，野外机动管线[5，6]具有临时装配、输油周期较短、使用环境恶劣、工作条件多变等特点。这些特点导致固定输油管线顺序输送混油界面采用光学检测、振动式检测、超声波检测等基于电信号检测的方法难以应用于野外机动管线，主要是缺少能源供给条件，加之基于电信号检测的混油界面检测装置结构精细复杂，价格高，对使用条件的要求较苛刻，对使用人员知识与技能的要求较高，不适合在使用环境较恶劣、条件多变的野外机动管线上应用。基于此，本文对机动管线自力式混油切割装置进行设计。

2 设计原理及思路

机动管線进行顺序输送的关键技术在于混油界面的检测，近年来，雍歧卫、何德安、何国玺等[7-9]从改进混油界面检测性能和方便性角度，研究了基于波辐法的超声波便携式混油界面检测仪和机械测力式混油浓度检测仪。要实现自力式混油切割，还有一项关键技术是利用管输油品性质的变化产生压力差并传导至主管线控制阀门通断，而这2种装置在油品信息传输或处理过程中均需要电信号进行处理，无法自力传导压力差。

目前可利用纯机械机构自动检测油品密度差别的原理方法主要有2种，分别是浮力原理和压差原理[10-12]。利用压差原理检测混油界面是可行的，但是由于缺少油品密度与节流元件压差对应的数据，难以保证其检测精度，而利用浮力原理进行油品密度鉴别与控制具有直观、线性的优点，因此本文采用浮力原理进行混油界面检测。

浮力原理[13]即阿基米德原理。浸没于液体中的浮子总是受到浮力的作用，浮子所受到的净浮力等于浮力与浮子及附件的自重之差，即：

Fnet=ρVg-G

式中：G——浮子及附件的重力，N;

ρ——液体密度，kg/m3;

V——液体密度，m3。

目前已有密度敏感型通断控制阀可以实现输油管线自力式通断控制，如图1所示，该控制阀由主阀和浮子控制导阀组成，由浮子控制导阀控制主阀的开闭，是一种采用先导控制机制工作的自动开关阀。浮子控制导阀由2个自由浮子和自动排气装置构成。浮子用于控制主阀芯后腔到阀后油流通道的通断，从而控制主阀的开闭。其中左侧浮子密度大于右侧浮子。自动排气装置用于排出从油品中逸出的气体，减小气体对阀门工作的影响。

这种控制阀具有自力驱动、区间控制等优点，但是通断控制是个一次性动作，需要手动复位才能转入下一个工作循环，且浮子装入导阀以后，其控制的油品就已经确定了，难以在线调节。

针对该控制阀的缺点，论文改进设计了自力式混油切割装置，并用SOLIDWORKS软件对其进行了三维建模，其三维模型如图2所示。

该装置主要由密度控制导阀和受控主阀组成，其中，密度控制导阀通过滑阀结构所处位置决定控制管路通断，其三维模型如图3所示，受控主阀通过阀芯移动控制主管路通断，其三维模型如图4所示。密度控制导阀和受控主阀共同配合，实现混油切割。

3 密度控制导阀设计

密度控制导阀结构如图5所示，主要由控制手柄、导阀弹簧、导阀芯、浮子室、浮子和自动排气阀组成。

其工作过程如下：主管路油料通过采油口流入浮子室，当油品过多时从溢流口流出浮子室，浮子室内气体会通过自动排气阀排出浮子室，以减少气体对检测精度的影响。当浮子浸没于油品中时，浮子会在浮力的作用下上浮，带动浮子下端的连杆机构运动。导阀芯在与连杆机构连接处采用圆头结构，连杆机构的运动会对导阀芯的圆头施加力，进而带动导阀芯的移动。当导阀芯在左侧连杆机构和右侧弹簧的共同作用下移动到Ⅰ位平衡时，控制管路P1A1接通，P2A2关闭;当导阀芯移动到Ⅱ位平衡时，控制管路P2A2接通，P1A1关闭。

控制导阀对密度控制范围的调节主要是通过密度设定手柄实现的。密度设定手柄与导阀弹簧一端耦合连接，使得设定的密度值与导阀弹簧的弹簧力对应，例如，当设定的密度值较大时，导阀弹簧的弹簧力就相应增大;当设定的密度值较小时，导阀弹簧的弹簧力就相应减小。导阀弹簧的另一端与导阀芯耦合，导阀弹簧的弹簧力作用于导阀芯的一端。

影响该装置的检测精度与稳定性的主要原因有2个：

一是浮子室内油品流态对浮子的冲击;二是“浮子—连杆—导阀芯”的连接方式进行力传导的过程中会受到如摩擦力等因素的影响。

针对第一个原因，本文主要通过优化导阀浮子室结构设计，减小油料流动对浮子的冲击影响。所设计的一种浮子室进油端盖结构如图6所示，其进油孔是1个直径为16mm的孔，然后分散沿着分布较为均匀的18个直径为3mm的孔进入浮子室。因此可较大程度地降低对浮子的冲击。

针对第二个原因，将“浮子—连杆—导阀芯”的连接方式修改为“浮子—导阀芯”的直接连接方式，消除连杆机构在运动过程中所受摩擦力对检测和控制精度的影响。

4 受控主阀设计

受控主阀的阀芯前后均有控制管路与密度控制导阀相连，如图7所示，P1、P2为引流口，A1、A2为泄流口。设定A管路为轻油通路，B管路为重油通路，其具体工作过程如下：当来油密度处于Ⅰ范围时，控制管路P1A1接通，P2A2关闭时，A管轻油阀芯由于前后受力均衡，会开启A通路;B管重油阀芯前压力大于阀芯后的压力，该阀芯会向前移动，堵塞B通路。当来油密度处于Ⅱ范围时，控制管路P2A2接通，P1A1關闭时，B管重油阀芯由于前后受力均衡，会开启B通路;A管轻油阀芯前压力大于阀芯后的压力，该阀芯会向后移动，堵塞A通路。当来油密度处于Ⅰ范围和Ⅱ范围以外时，控制管路P1A1与P2A2均未接通，A管和B管的阀芯前压力均大于阀芯后压力，阀芯向后移动，堵塞A通路和B通路。

5 结论

机动管线在顺序输送过程中总会产生混油，为实现在恶劣工况下的混油自力式切割，本文基于浮力原理，在密度敏感型通断控制阀的基础上设计了机动管线自力式混油切割装置，该装置具有结构简单的优点，保证了混油切割的安全性和高效性。

【参考文献】

【1】康正凌，宫敬.管道顺序输送的混油研究[J].油气储运，2002（05）：1-4.

【2】杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].青岛：石油大学出版社，1996.

【3】姚志祥，姚嫄.格拉管线技术改造后首次顺序输送航空煤油实践[J].管道技术与设备，2007（06）：5-6.

【4】徐太贵.兰成渝管道模拟软件开发与应用[J].石油工业技术监督，2020，36（10）：32-35.

【5】张伟明，贾邓乐，李江，等.机动管线油水混合物电容检测装置设计[J].四川兵工学报，2015，36（12）：59-62.

【6】姜俊泽，张镇，李江，等.机动管线充气排液过程中油-气体两相流阻力特性[J].兵工学报，2021，42（04）：888-896.

【7】雍歧卫，蒋仕章，何德安，等.机动管线顺序输送混油浓度检测装置研究[J].后勤工程学院学报，2006（01）：42-44.

【8】雍歧卫，何德安，王涛，等.机动管线便携式混油界面检测仪研制[J].后勤工程学院学报，2011，27（04）：37-40.

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