120QYJ型全自動(dòng)封閉式油管清洗機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

張義勝 陳金利 侯心愛(ài) 蔣博

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所 山東淄博 255086)

油管主要用于各油（氣）田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)施采油、采氣、壓裂、酸化、注水、注氣、修井等多種作業(yè)用途，油管下在套管內(nèi)，將油（氣）引導(dǎo)到地面[1-2]油管在油污介質(zhì)中長(zhǎng)期使用時(shí)，在其內(nèi)外壁上會(huì)逐漸附著一層油污，而且油污會(huì)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(nèi)外壁。

就清洗機(jī)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(shù)，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(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[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(kāi)放式作業(yè)，能耗大，自動(dòng)化程度低。

提高油管修復(fù)質(zhì)量，可以減少返工作量，降低作業(yè)費(fèi)用，保證油水井的作業(yè)質(zhì)量。清洗是油管修復(fù)檢測(cè)線中的首道工序[5-6]，能否有效清洗油管內(nèi)外壁的污垢，是達(dá)到油管修復(fù)指標(biāo)的重要前提，因此選擇合適的清洗方式可以提高油管修復(fù)質(zhì)量，降低生產(chǎn)綜合成本。

針對(duì)油管清洗機(jī)存在問(wèn)題，采用熱煮法清洗工藝，設(shè)計(jì)了120QYJ型全自動(dòng)封閉式油管清洗機(jī)[7]。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1～圖3內(nèi)容顯示，清洗機(jī)由上料機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、齒盤(pán)喂料機(jī)構(gòu)、中心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)減速機(jī)、清洗泵、支撐滾輪、限位滾輪、燃燒機(jī)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、內(nèi)壁清洗裝置、出料機(jī)構(gòu)、擋油管機(jī)構(gòu)、外壁清洗機(jī)構(gòu)、外刷式清洗機(jī)、排污系統(tǒng)等組成。

圖1 油管清洗機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 進(jìn)(出)料傳輸機(jī)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖3 內(nèi)容顯示可知，上料機(jī)構(gòu)由鏈條、上料勾、減速電機(jī)、傳動(dòng)軸、鏈輪、軸承座等組成。減速電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接傳動(dòng)軸，在上料架的頂部和下部各布置一條傳動(dòng)軸，兩軸的兩端各安裝兩個(gè)鏈輪及軸承座，左右各安裝一鏈條，鏈條各安裝一個(gè)上料勾。

根據(jù)圖1～圖3 內(nèi)容顯示，進(jìn)（出）料機(jī)構(gòu)均由減速電機(jī)、聯(lián)軸器、錐齒輪變速箱、滾輪、傳動(dòng)軸等組成。在進(jìn)（出）料機(jī)構(gòu)的外端，安裝一個(gè)減速電機(jī)，其輸出端串聯(lián)帶動(dòng)多個(gè)錐齒輪減速箱，在每個(gè)減速箱的輸出端，均安裝一個(gè)滾輪用于輸送油管，減速箱的數(shù)量要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定。

圖3 油管清洗機(jī)上下料架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖4內(nèi)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在支撐滾輪的上方。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端各安裝一套限位滾輪，以限制其軸向移動(dòng)。

圖4 支撐滾輪結(jié)構(gòu)意圖

根據(jù)圖5內(nèi)容顯示可知，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由齒盤(pán)固定圈、鋼管、大齒輪、活齒盤(pán)等組成。減速機(jī)輸出軸安裝一個(gè)小齒輪，與大齒輪嚙合，帶動(dòng)卡在活齒盤(pán)內(nèi)的油管轉(zhuǎn)動(dòng)。擋油管機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同心安裝，其作用是防止油管徑向脫落。活齒盤(pán)用螺栓固定在齒盤(pán)固定圈上，為了加工更換方便，活齒盤(pán)由幾塊組成。更換不同規(guī)格活齒盤(pán)，可以清洗不同規(guī)格的油管。活齒盤(pán)共有40個(gè)齒，即齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，可以完成40條油管的清洗。

圖5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

根據(jù)圖1～圖3 內(nèi)容顯示，上料機(jī)構(gòu)將油管從上料架輸送到進(jìn)料輸送棍上。輸送棍將油管輸送到位后，齒盤(pán)喂料機(jī)構(gòu)將其輸送到活齒盤(pán)齒內(nèi)。在清洗池內(nèi)，油管隨活齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),得到熱水的浸泡。油管有跳槽現(xiàn)象時(shí)，防跳裝置發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)停車排除故障。在油管旋出液面輸送到?jīng)_洗平臺(tái)時(shí)，清洗泵提供的高壓水射流沖洗油管內(nèi)壁，然后翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將油管轉(zhuǎn)至出料傳輸線上，在油管出料的過(guò)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(nèi)的油污。換熱泵使清洗池內(nèi)的熱水流經(jīng)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(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，上料勾帶動(dòng)油管向上移動(dòng)到頂部后，沿著斜坡進(jìn)入進(jìn)料機(jī)構(gòu)輸送輥內(nèi)。需要進(jìn)料時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)油管前進(jìn)，進(jìn)入活齒盤(pán)的齒盤(pán)內(nèi)。需要出料時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，出料機(jī)構(gòu)使油管出料下架。

上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)均由氣動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械手控制，控制臺(tái)手動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)自控。燃燒器為自動(dòng)控制。

2 技術(shù)參數(shù)

油管清洗機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

3 有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 加熱系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算

3.1.1 設(shè)計(jì)計(jì)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(fù)荷計(jì)算

初次加熱清洗池內(nèi)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(jì)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(jì)算得：Q1=3 174 kWh。

初次加熱洗池內(nèi)水到指定溫度需要熱負(fù)荷為

式（2）中，N為初次加熱水到指定溫度需要熱負(fù)荷，單位：kW；Tm為初次加熱時(shí)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(jì)算得到，如果初次加熱時(shí)間Tm為24 h，需要的熱負(fù)荷150 kW；如果初次加熱時(shí)間Tm為36 h，需要的熱負(fù)荷為100 kW。

3.1.3 油管加熱所需熱負(fù)荷計(jì)算

油管加熱所需熱負(fù)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(zhì)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(jì)算得到，冬季最冷工況，油管原始溫度t3=-20 ℃，所需熱負(fù)荷為195 kW。夏季最熱工況，油管原始溫度t3=40 ℃，所需熱負(fù)荷為85 kW。常溫工況，油管原始溫度t3=20 ℃，所需熱負(fù)荷為120 kW。按照常溫工況設(shè)計(jì)，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?xì)庥昧坑?jì)算

燃料用量計(jì)算公式為

式（4）中，Gg為燃料用量，單位：m3/h；Q為燃燒器熱負(fù)荷，單位：kW；qv為天然氣發(fā)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(jìn)行計(jì)算得到，當(dāng)熱負(fù)荷為195 kW 時(shí)，Gg=19.65 m3/h；當(dāng)熱負(fù)荷為120 kW時(shí)，Gg=12 m3/h；當(dāng)熱負(fù)荷為85 kW時(shí)，Gg=8.57 m3/h。

3.1.5 燃燒器選擇

根據(jù)所計(jì)算結(jié)果，選用BTG28PCN型自動(dòng)燃燒器，燃燒負(fù)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 功率設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)圖4、圖5 顯示可知，中心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在滾輪上，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服和滾輪的摩擦力矩。

式（5）中，M為機(jī)構(gòu)與滾輪產(chǎn)生的摩擦力矩，單位：N·m；G3為機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)與滾輪摩擦系數(shù)。

G3由兩個(gè)部分組成，一是機(jī)構(gòu)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(jì)算得，M=2 572.5 N·m。

機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)需要的功率為

式（6）中，P為電機(jī)功率，單位：kW；n為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，單位：r/min；φ為總傳動(dòng)效率。

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

3.2.2 轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)計(jì)算

中心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速

式（7）中，n為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，單位：r/min；n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：r/min；i為減速比；Z1為小齒輪齒數(shù)；Z2為大齒輪齒數(shù)。n1=1 480 r/min，i=513 3，Z1=22；Z2=128。由式（7）計(jì)算得，n=0.049 6 r/min，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 各工位油管運(yùn)行速度設(shè)計(jì)計(jì)算

清洗機(jī)最高清洗速度為120根/h，即清洗單根油管時(shí)間為30 s，要求各工位油管運(yùn)行時(shí)間要小于30 s。降低清洗速度時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整上料、進(jìn)出料等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，使之與清洗速度相匹配。上料架高度按照3 m 計(jì)算，要求上料鏈條的線速度＞0.1 m/s，這里按照0.2 m/s 計(jì)算。對(duì)于進(jìn)出料傳輸機(jī)構(gòu)，油管運(yùn)行長(zhǎng)度按照18 m計(jì)算，則油管最低運(yùn)行速度為0.6 m/s。

3.3.2 上料機(jī)構(gòu)功率設(shè)計(jì)計(jì)算

上料機(jī)構(gòu)需要的功率為

式（8）中，P1為電機(jī)功率，單位：kW；ν1為機(jī)構(gòu)上升速度，單位：m/s；F為行走阻力，單位：N。上料機(jī)構(gòu)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(jì)算得，P1=0.184 kW。選用BWD-0.37-59型行星擺線針輪減速機(jī)，電機(jī)功率0.37 kW，減速比i1=59，輸入轉(zhuǎn)速1 450 r/min，輸出轉(zhuǎn)速25 r/min。

3.3.3 上料鏈輪設(shè)計(jì)計(jì)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(zhuǎn)速，單位：r/min。

上料鏈輪的轉(zhuǎn)速n2=25 r/min。根據(jù)式（10）計(jì)算得，d=152.788 mm。上料鏈條的型號(hào)選用20A 型。選用鏈輪齒數(shù)Z3=15，則上料鏈輪的分度園直徑為157.351 mm，上料機(jī)構(gòu)的實(shí)際上升速度ν=0.206 m/s。

3.4 進(jìn)（出）料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.4.1 摩擦力矩計(jì)算

如圖3所示，油管支撐在滾輪上，滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服的摩擦力矩為

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

當(dāng)r1=0.064 m，由式（11）計(jì)算得：M1=9.4 N·m。

3.4.2 滾輪轉(zhuǎn)速計(jì)算

滾輪的轉(zhuǎn)速為

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

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

3.4.3 功率計(jì)算

滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)需要的功率為

式（13）中，P2為電機(jī)功率，單位：kW。

取φ=0.95，由式（13）計(jì)算得，P2=0.092 kW。考慮到減速機(jī)同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)變速箱，選用BWD-0.55-17型行星擺線針輪減速機(jī)，電機(jī)功率0.55 kW，減速比i2=17，輸入轉(zhuǎn)速1 480 r/min，輸出轉(zhuǎn)速87 r/min。

4 功率匯總

清洗機(jī)各傳動(dòng)部件所需功率如表2所示。

表2 功率匯總表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)油管清洗機(jī)所存在問(wèn)題，設(shè)計(jì)了該油管清洗機(jī)，并介紹了其構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理，計(jì)算了燃?xì)庀牧俊⒂凸芨鞴の坏倪\(yùn)行速度、功率消耗等。經(jīng)使用表明，清洗機(jī)具有清洗效果好，能耗低，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。清洗機(jī)各工位運(yùn)行速度是根據(jù)最高清洗速度而設(shè)計(jì)的，當(dāng)降低清洗速度時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整上料、進(jìn)料、出料等機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，使之與清洗速度相匹配。