機動管線自力式混油切割裝置設計

張銳征 左永剛 張鎮 肖杰 鄔美春

【摘 ?要】機動管線應用于搶險、救災等特殊場景，順序輸送可以極大提高其輸送效率。為準確、高效實現順序輸送，論文對密度敏感型通斷控制閥進行改進設計，研制了一款基于浮力原理的機動管線自力式混油切割裝置。該裝置結構簡單，可以實現自力驅動、區間控制，自動對機動管線順序輸送過程中的混油進行切割。

【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.

【關鍵詞】機動管線;順序輸送;自力式混油切割

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

【中圖分類號】TE832 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）12-0179-03

1 引言

在同一管道內，按照一定的批量和次序，連續地輸送不同種類油品的方式叫作順序輸送[1]。美國科洛尼爾成品油管道系統[2]干線和復線均可實現順序輸送，能以5天作為一個周期，進行118種不同型號成品油的順序輸送，創造了巨大的經濟效益。我國格拉管線[3]和蘭成渝管道[4]等成品油輸送管道均已實現密閉式順序輸送工藝。

雖然成品油順序輸送工藝在固定管線上已得到廣泛應用，但是在野外機動管線上應用較少。與固定輸油管線相比，野外機動管線[5，6]具有臨時裝配、輸油周期較短、使用環境惡劣、工作條件多變等特點。這些特點導致固定輸油管線順序輸送混油界面采用光學檢測、振動式檢測、超聲波檢測等基于電信號檢測的方法難以應用于野外機動管線，主要是缺少能源供給條件，加之基于電信號檢測的混油界面檢測裝置結構精細復雜，價格高，對使用條件的要求較苛刻，對使用人員知識與技能的要求較高，不適合在使用環境較惡劣、條件多變的野外機動管線上應用?；诖?，本文對機動管線自力式混油切割裝置進行設計。

2 設計原理及思路

機動管線進行順序輸送的關鍵技術在于混油界面的檢測，近年來，雍歧衛、何德安、何國璽等[7-9]從改進混油界面檢測性能和方便性角度，研究了基于波輻法的超聲波便攜式混油界面檢測儀和機械測力式混油濃度檢測儀。要實現自力式混油切割，還有一項關鍵技術是利用管輸油品性質的變化產生壓力差并傳導至主管線控制閥門通斷，而這2種裝置在油品信息傳輸或處理過程中均需要電信號進行處理，無法自力傳導壓力差。

目前可利用純機械機構自動檢測油品密度差別的原理方法主要有2種，分別是浮力原理和壓差原理[10-12]。利用壓差原理檢測混油界面是可行的，但是由于缺少油品密度與節流元件壓差對應的數據，難以保證其檢測精度，而利用浮力原理進行油品密度鑒別與控制具有直觀、線性的優點，因此本文采用浮力原理進行混油界面檢測。

浮力原理[13]即阿基米德原理。浸沒于液體中的浮子總是受到浮力的作用，浮子所受到的凈浮力等于浮力與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——液體密度，kg/m3;

V——液體密度，m3。

目前已有密度敏感型通斷控制閥可以實現輸油管線自力式通斷控制，如圖1所示，該控制閥由主閥和浮子控制導閥組成，由浮子控制導閥控制主閥的開閉，是一種采用先導控制機制工作的自動開關閥。浮子控制導閥由2個自由浮子和自動排氣裝置構成。浮子用于控制主閥芯后腔到閥后油流通道的通斷，從而控制主閥的開閉。其中左側浮子密度大于右側浮子。自動排氣裝置用于排出從油品中逸出的氣體，減小氣體對閥門工作的影響。

這種控制閥具有自力驅動、區間控制等優點，但是通斷控制是個一次性動作，需要手動復位才能轉入下一個工作循環，且浮子裝入導閥以后，其控制的油品就已經確定了，難以在線調節。

針對該控制閥的缺點，論文改進設計了自力式混油切割裝置，并用SOLIDWORKS軟件對其進行了三維建模，其三維模型如圖2所示。

該裝置主要由密度控制導閥和受控主閥組成，其中，密度控制導閥通過滑閥結構所處位置決定控制管路通斷，其三維模型如圖3所示，受控主閥通過閥芯移動控制主管路通斷，其三維模型如圖4所示。密度控制導閥和受控主閥共同配合，實現混油切割。

3 密度控制導閥設計

密度控制導閥結構如圖5所示，主要由控制手柄、導閥彈簧、導閥芯、浮子室、浮子和自動排氣閥組成。

其工作過程如下：主管路油料通過采油口流入浮子室，當油品過多時從溢流口流出浮子室，浮子室內氣體會通過自動排氣閥排出浮子室，以減少氣體對檢測精度的影響。當浮子浸沒于油品中時，浮子會在浮力的作用下上浮，帶動浮子下端的連桿機構運動。導閥芯在與連桿機構連接處采用圓頭結構，連桿機構的運動會對導閥芯的圓頭施加力，進而帶動導閥芯的移動。當導閥芯在左側連桿機構和右側彈簧的共同作用下移動到Ⅰ位平衡時，控制管路P1A1接通，P2A2關閉;當導閥芯移動到Ⅱ位平衡時，控制管路P2A2接通，P1A1關閉。

控制導閥對密度控制范圍的調節主要是通過密度設定手柄實現的。密度設定手柄與導閥彈簧一端耦合連接，使得設定的密度值與導閥彈簧的彈簧力對應，例如，當設定的密度值較大時，導閥彈簧的彈簧力就相應增大;當設定的密度值較小時，導閥彈簧的彈簧力就相應減小。導閥彈簧的另一端與導閥芯耦合，導閥彈簧的彈簧力作用于導閥芯的一端。

影響該裝置的檢測精度與穩定性的主要原因有2個：

一是浮子室內油品流態對浮子的沖擊;二是“浮子—連桿—導閥芯”的連接方式進行力傳導的過程中會受到如摩擦力等因素的影響。

針對第一個原因，本文主要通過優化導閥浮子室結構設計，減小油料流動對浮子的沖擊影響。所設計的一種浮子室進油端蓋結構如圖6所示，其進油孔是1個直徑為16mm的孔，然后分散沿著分布較為均勻的18個直徑為3mm的孔進入浮子室。因此可較大程度地降低對浮子的沖擊。

針對第二個原因，將“浮子—連桿—導閥芯”的連接方式修改為“浮子—導閥芯”的直接連接方式，消除連桿機構在運動過程中所受摩擦力對檢測和控制精度的影響。

4 受控主閥設計

受控主閥的閥芯前后均有控制管路與密度控制導閥相連，如圖7所示，P1、P2為引流口，A1、A2為泄流口。設定A管路為輕油通路，B管路為重油通路，其具體工作過程如下：當來油密度處于Ⅰ范圍時，控制管路P1A1接通，P2A2關閉時，A管輕油閥芯由于前后受力均衡，會開啟A通路;B管重油閥芯前壓力大于閥芯后的壓力，該閥芯會向前移動，堵塞B通路。當來油密度處于Ⅱ范圍時，控制管路P2A2接通，P1A1關閉時，B管重油閥芯由于前后受力均衡，會開啟B通路;A管輕油閥芯前壓力大于閥芯后的壓力，該閥芯會向后移動，堵塞A通路。當來油密度處于Ⅰ范圍和Ⅱ范圍以外時，控制管路P1A1與P2A2均未接通，A管和B管的閥芯前壓力均大于閥芯后壓力，閥芯向后移動，堵塞A通路和B通路。

5 結論

機動管線在順序輸送過程中總會產生混油，為實現在惡劣工況下的混油自力式切割，本文基于浮力原理，在密度敏感型通斷控制閥的基礎上設計了機動管線自力式混油切割裝置，該裝置具有結構簡單的優點，保證了混油切割的安全性和高效性。

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