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1、-毕业设计（论文）-基于高压水射流的储罐清洗装置设计公开学 号120448毕业设计(论文)基于高压水射流机理的储罐清洗装置院(系、部):机械工程学院姓 名:年 级:2012级专 业:机械电子工程指导教师:教师职称:教授2016年 6月 10日北京-第 29 页密 级北京石油化工学院学位论文电子版授权使用协议论文卧式储油罐水射流清洗装置的传动与定位组件的设计系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉
2、上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 作者签名： 学 号： 2016 年 月 日北京石油化工学院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 机械工程学院 专业机械电子工程 班级 机电122 学生姓名 何一千 指导教师/职称 蔡晓君（教授） 1.毕业设计（论文）题目基于高压水射流机理的储罐清洗装置设计2.任务起止日期： 2016 年 2 月 22 日 至 2016 年 6 月 10 日3.毕业设计（论
3、文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）课题简介：高压水射流清洗技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术。高压水射流清洗具有清洗成本低、速度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等特点。自80年代中期传入我国以来，逐渐得到了工业界的普遍认同与重视。在传统的清洗作业中采用的清洗技术有机械钻孔清洗、蒸汽清洗、化学清洗、超声波清洗、以及水射流清洗等几十种形式。日本、欧美等西方发达国家在70年代以前主要采用化学方法清洗，自70年代末开始发展高压水射流清洗技术。到目前为止，高压水射流清洗已经成为西方发达国家的主流清洗技术，占到了清洗业市场份额
4、的80以上，在美国，高压水射流清洗已占到了清洗业的90。我国的清洗行业多年来一直处于化学和手工清洗的落后状态，据估计，我国工业清洗目前80是用化学方法。无论是化学清洗还是人工清洗都存在着清洗成本高、效率低、污染环境等问题，远远不能满足现代社会日益增长的工业及民用清洗要求。因此基于高压水射流机理的储罐清洗装置的设计及开发具有较好的现实意义。任务要求：1. 查阅国内外文献25篇以上，其中英文文献5篇以上，详细了解石油化工清洗技术的现状，具体了解高压水在清洗储罐装置、石油化工设备、清洗管道等场合的技术比较、应用场合、技术优劣等。查阅相关资料，详细了解高压水射流原理的基本理论、动力驱动数据分析，并对基
5、于高压水射流技术相关设备进行结构分析，并阐述国内外发展现状及发展趋势。2. 在大量查阅国内外文献资料的基础上，依据原始数据，完成基于高压水射流机理的储罐清洗装置结构设计及强度校核，完成附件结构设计及标准件选择。包括装置结构设计、清洗方案的制定，附件结构设计及三维模拟，并设计选择连接管道和阀门。3. 在完成储罐清洗装置结构设计的基础上，完成装置控制系统的设计、零部件选用、程序编写等。预期培养目标： 培养学生科技资料查阅检索能力、培养学生社会调研能力、培养学生机械方案设计能力，进而提高学生针对实际需求进行创新思维、机械设计和工艺制作等实际工作能力。课题较新颖，新知识较多，难度中等，工作量饱满，课题
6、结合生产实际情况，对学生的能力训练意义重大。原始数据：待清洗对象为储油罐规格尺寸：公称容积100m，长度12870mm，直径3200mm；人孔直径：550mm。提交成果：（1） 开题报告（参照相关格式）；要求：查阅国内外文献25篇以上，其中英文文献5篇以上，详细了解石油化工清洗技术的现状，具体了解高压水在清洗储罐清洗装置、清洗石油化工设备、清洗管道等场合的技术比较、应用场合、技术优劣等。查阅相关资料，详细了解高压水射流原理的基本理论、动力驱动数据分析，并对基于高压水射流技术相关设备进行结构分析，并阐述国内外发展现状及发展趋势。（2） 英文文献翻译；要求：查阅近年来国外期刊杂志，翻译一篇基于高压
7、水射流机理的储罐清洗装置方面的英文文献，完成翻译工作量2万字符。（3） 论文；要求： 在大量查阅国内外文献资料的基础上，依据原始数据，完成高压水储罐清洗装置结构设计及强度校核，完成附件结构设计及标准件选择。包括装置结构设计、清洗方案的制定，附件结构设计及三维模拟，并设计选择连接管道和阀门。 在完成储罐清洗装置结构设计的基础上，完成装置控制系统的设计、零部件选用、程序编写等。 设计说明书字数不少于 1.8 万字。 图纸：绘图量不少于折合成图幅为A0 号的图纸2 张，或手工绘图不少于折合成图幅为A1 号的图纸4张。4.主要参考文献（1） 机械设计书籍（2） 化工设备清洗书籍（3） 机械制图国家标准
8、（4） 机械设计手册（5） GB151、GB150（6） 储罐清洗方面论文（7） 近年来相关国外资料（8） 最近几年相关研究的博硕士论文5.进度计划及指导安排时间工作内容备注第1周 熟悉题目，查阅资料，撰写综述及开题报告查阅相关资料20篇以上第2周 翻译英文文献不少于2万英文字符第3周撰写开题报告查阅相关资料第4周调研国内外相关产品，确定技术方案查阅相关资料第5周结构初步设计，确定运动参数和动力参数查阅相关资料第6周传动装置设计，确定运动参数和动力参数查阅相关资料第7周零部件机构设计确定查阅相关资料第8周零部件强度校核查阅相关资料第9周零部件三维造型查阅相关资料第10周零部件工程图绘制查阅相关
9、资料第11周装配工作图的结构设计及绘制查阅相关资料第12周三维装配运动模拟仿真查阅相关资料第13周控制系统设计及程序编制查阅相关资料第14周撰写修改设计报告，答辩准备参照毕业设计要求第1516周答辩准备，预答辩参照毕业设计要求任务书审定日期 2016年 2月 20日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 2016 年 2 月 21 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 2016年 2 月 22日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 2016 年 6 月 10 日 学生（签字） 摘要 随着经济的发展，我国输油管道尚不发达，卧式储油罐的应用越来越广泛。在油品运输过程中，在罐底累积了
10、大量的无机物及沥青质、石蜡等重油组分。需要对卧式储油罐进行清洗。在清洗过程中，采用人工清洗有很多弊端。相比人工清洗而言，机械清洗因具有安全保障性高、环保效果好、清洗周期短、清洗效率高、节约能源而且能够取得更好的经济效益等优势，近年来得到迅速发展。本文主要采用水射流机械清洗的方法对卧式储油罐进行清洗，介绍了几种水射流清洗组件系统，对几种清洗方案进行了分析，确定采用弧形管机械清洗系统。整个机械清洗装置主要有传动装置和定位装置组成，传动装置主要是通过齿轮驱动使两根高压水管伸入罐内，同时清洗罐内两侧。定位装置主要是用来定位传动装置的安装位置。 本文明确了清洗对象为小于公称容积 100m，长度 1287
11、0mm，直径 3200mm的车载油罐。对车载油罐机械清洗装置进行了方案设计和遴选，最终确定的方案能够通过人孔，到达比较理想的清洗位置。并设计了清洗装置的机械结构和清洗参数分析以及优化。对所设计的机械本体的主要受力部件和危险截面进行受力分析和强度校核计算。采用 UG软件进行三维造型，显得更加直观。最后进行成本核算，并达到经济环保要求。关键词：卧式储罐，高压水射流，机械清洗，清洗机Abstract目 录第一章绪论1.1 研究背景1.2 研究意义1.3 文献综述1.4 本文主要研究内容1.5 本章小结第二章设计方案论证2.1 传动装置方案设计2.2 定位装置方案设计2.3 本章小结第三章清洗参数分析
12、和机械结构设计计算3.1 影响清洗的参数分析3.1.1影响水射流清洗的因素3.1.2水射流清洗参数操作参数选择3.2 初步确定射流压力和喷嘴直径3.3 初步确定水管的质量、直径和长度3.3.1 确定水管的质量和直径3.3.2 确定水管的长度3.4 水管的受力分析3.5 校核水管的强度3.6 传动机构设计3.6.1 小齿轮轴上驱动力矩的计算3.6.2 选定齿轮类型、传动比、材料以及齿数3.6.3 按齿根弯曲强度设计3.6.4 齿轮轴的计算3.7 本章小结第四章重要零件的结构设计4.1 人孔结构4.2 动密封结构4.3 清洗喷头4.4 三维结构造型4.5 轴承选择4.6 本章小结第五章技术经济分析
13、5.1 技术经济分析5.1.1 罐内残油的移送5.1.2 惰性气体的注入5.1.3 循环水清洗5.1.4 罐内残水、残渣的清理5.2 成本估算5.3 本章小结第六章总结与展望参考文献致谢声明第一章 绪论1.1 选题背景卧式储油罐作为运输储存石油化工产品的重要工具，广泛应用于流通过程中各个环节。由于我国油品输送管网尚不发达，卧式储罐的应用越来越广泛，因此成品油等油品的运输方式仍以铁路（公路）罐车为主，据粗略统计，我国约有数百万个各类铁路、公路油罐车，在油品盛装和输送过程中占据重要地位1。铁路罐车是运输液体物料的重要工具，广泛应用在石油、化工、食用油等运输领域，其数量逐年增加2。影响油料质量的因素
14、很多，其中，运输油料的铁路油罐车的清洗质量不高是其主要因素之一，提高铁路油罐车的清洗质量刻不容缓3。在石油在储运过程中，油品中的无机物及沥青质、石蜡等重油性组份在其重力作用下自然沉降，并积累在原油储罐底部，形成又黑又稠的胶状油泥，并占据了很大的储存空间。为了保障罐内油品质量和各种车辆、装备用油安全，需对油罐进行清洗。每年罐车清理的工作量是相当大的，特别是由于油料易燃、易爆和有毒的特性以及我国铁路油罐车的特殊上卸结构，使得油罐车的清洗工作需要特别关注。1.2 研究意义由于储油罐长年不停的使用，导致了短短几年时间内就会出现各种损坏严重的现象，不仅给储油罐的安全运行带来了影响，还给原油的正常储备工作
15、带来了不必要的麻烦。所以要想保证储油罐的正常运作，就必须对储油罐进行彻底的大修，大修之前最重要的前提就是必须对储油罐内残留的泥沙和残油等杂物进行清除。多年来石油石化行业一直采用人工清洗储油罐的方式，作业人员从罐侧壁检修孔进入储罐内搭梯进行人工擦洗。储罐空间狭小，空气不流通，可燃性气体浓度高， 易发生中毒和爆炸事故，施工作业环境恶劣，严重地损害作业人员的身心健康；另一方面从罐内清除的污油及人工擦洗产生的大量污水造成罐区和周边地区环境的污染，同时较长的清洗周期(平均为二个月)降低库区的储存调节能力，直接影响库区的正常生产，大量废弃的罐底油还造成资源浪费和经济损失4。然而高压水射流清洗技术其效果较之
16、传统的人工清洗、物理清洗、化学清洗方法具有效率高、无污染、综合费用低、节能、不腐蚀损伤基体，易于实现机械化，自动化和智能化控制等诸多优点。可清洗形状和结构复杂的零部件，能在空间狭窄、复杂环境、恶劣有害场合进行作业，水射流技术相比于人工清洗上有很多优势的地方，在安全性上人不需要进入罐内，提高了安全性。可以有效地保护环境，清洗、回收是封闭式的，并进行油水、油砂分离，无污水、污油、废气排出，不需要额外的废物处理设施。高压水射流清洗技术是从20 世纪70 年代迅速发展起来的一项新技术， 其基本原理是以水为介质，通过高压水发生装置形成高压，再经过特制的喷嘴喷射出能量集中、速度很高的水射流，来完成对物体的
17、去污除垢5。高压水射流清洗技术其先进性、安全性及可靠性已被证明。具有十分巨大的市场前景和经济效益，代表了储罐清洗技术未来的发展方向。因此，针对国内清洗装置技术的落后，本课题将设计一个较为先进的储罐清洗装置。1.3 文献综述1.3.1 储罐常用的清洗技术从作用原理上分，储罐清洗技术一般包括化学清洗、物理清洗以及生物清洗。下面分别对这3种清洗技术进行介绍。1. 化学清洗化学清洗技术已经从过去使用油基分散剂系统发展为使用水基化学品系统，只回收干净油技术。水基化学品系统中的水是用来在整个油罐中传热，水中的化学品有两方面的作用：一是渗透过油泥层到达干净的金属表面，具体清洗步骤为：把储罐中原油用泵抽到尽可
18、能低的液位；加入水和化学物品，使油泥被清洗液覆盖；加入稀释剂用作回收烃类的溶剂；把罐内物质加热到66 ；将得到的烃类物质直接泵入储油装置；将废水排放到隔油池，使油泥中的固体与油分离而留在罐底；二是吸收干净的烃类将油基溶解并分散形成稳定的溶液。这种方法的优点是废渣最少，可回收油品，适于清洗一些结构复杂的设备，减少洗罐所需人力和物力，不足之处是化学清洗的处理条件（温度、流速、时间和浓度）要求较严，处理不当就达不到理想的清洗效果，严重时，还会发生清洗事故（如腐蚀穿孔），同时废液处理难度大，一般多用于清洗原油罐6。2. 生物清洗生物清洗就是利用微生物将设备表面附着的油污等污物转化成为无毒无害的水溶性物
19、质的过程。这类清洗剂可将污物如油类和有机物彻底分解，是一种真正意义上的环保型绿色清洗技术。微生物清洗技术在国外已取得很大发展，并成功地应用于许多领域，但在国内生物清洗技术则仍处于研发阶段7。3. 物理清洗（1）人工清洗：目前国内采用的清罐方法主要是人工清洗。清洗方式为先用蒸汽对罐加热，并在罐外挖一个储油坑，然后清洗人员进入罐内，用工具向罐外推油进行清罐。人工清罐存在着劳动强度大、施工周期长、安全性差、原油回收率低、污染环境等问题。（2） 高压射流清洗目前高压射流清洗装置国外有很多种，其工作原理大同小异，都为由液压泵输送0.22.5MPa 压力的水或化学清洗剂，经管道输送进射流器，从喷嘴高速射出
20、，即有效地把压力尽可能地转化射流的出口速度，形成锥形射流，冲击容器的内表面，产生冲刷力。在喷射的反作用力作用下喷头旋转，喷头旋转的同时，带动传动机构，不断变化清洗面，即可达清洗整个容器内表面的目的。此项清洗的设备的核心部件为喷头。目前，喷头有设计成单头、双头、三头甚至还有四头的，从掌握的资料看，一般单头用于定向清洗，儿而多头都为全方位清洗，有的高压射流装置上的喷头可以互换。这类装置的优点是结构简单、操作方便，对易清洗的表面是一种省时、省力的清洗方法，效果较为理想。其不足之处为能耗大，废液处理难度大，由于清洗距离不等，存在一些难洗区，同时安装搬运不便。（3）油罐清扫机这种装置的动力源为气动或液动
21、，通过传动机构驱动清洗机沿罐壁或罐底动作，装置上装有清除机构（如刀具、吸盘、板刷等）。将容器内表面的附着物除去。如日本新泓等四公司于1984 年共同研制成功的罐底清洗机以及由日立公司研制的天井式全方位油罐清洗机就属此类产品。罐底清洗机就是通过气动行走。整机既能遥控也能人工操作，通过装在清罐机上的螺旋式清除装置铲除罐底淤泥，通过软管泵出罐外。为了安全和减轻重量，机体采用非铁金属材料制成，机身为组装式，可分为七部分，由直径为60 cm的人孔搬入罐内，约需15 min 组装完。这类装置清洗作业效能高，作业安全可靠，油罐内壁附着物清洗干净，与人工清洗相比大大缩短清洗时间，减少了劳动强度和经费。缺点为结
22、构设计复杂，单机生产成本较高，搬运不便，需人进罐组装。（4）喷丸清洗这种方法是以压缩空气为动力源，将磨料以一定速度从喷嘴喷出，撞出清洗表面，通过冲击力和切削力来去除清洗表面的污物和锈块，这种方法设计简单，投资少，机动性好，操作方便，清洗效果不受环境的制约，不足之处为能耗大，易造成清洗表面的损伤，清洗不均匀，作业安全性低，不适于危险场所作业。目前，国外很少用此方法来清理油罐，一般用于钢材表面除锈以及管道的清理。（5）浸没式喷射清罐器这类清罐器一般安装在油罐底或进油口，利用油罐进油或打循环时的流体自身能量使油品从喷嘴喷射出，使油品横向冲刷罐底，罐底淤渣重新悬浮起来，通过向罐外输油，淤渣与油品一起输
23、出，达到清洗油罐罐底的目的。国外一般都有在原油罐上安装此类设备。这种装置的优点是结构简单，成本底，使用方便，清洗频繁，不足之处为冲刷力小，清洗效果不理想。另外，由于清洗结果淤渣仍滞留在油品中造成二次污染，所以不适于成品油罐的清洗。（6） 声波清洗这种清洗原理就是利用声波传输器发出声波，通过波导体与淤渣产生共振，从而产生一个清洗力，使淤渣从表面上消除，达到清洗的目的。目前，用这项技术清洗油罐在一些发达国家也只是进行了初步尝试，例如美国一家公司就研制了一种声波清洗油罐装置，但从掌握的国外资料来看，技术还待于完善，目前，还没有看到有关这项技术实际应用的报道。随着工业生产自动化水平的提高，油罐清洗技术
24、得到了不断完善和进化，表现在以加强清洗防爆安全为宗旨的氮气保护技术的利用。油罐清洗技术发展到现在，已经有专业的油罐清洗公司在世界上产生，如：泰福德（Toftejorg）技术公司在油罐清洗领域处于世界领先地位；日本大凤工业株式会社研制的COW 清洗系统在东南亚、欧洲、中东等地区的陆上原油储罐清洗方面得到广泛应用。（7）干冰清洗干冰清洗技术是最近几年新兴的一种工业清洗技术，其原理是利用干冰升华时温度较低的特性，以压缩空气为载体将干冰颗粒喷射作用于污物表面，使被处理物体表面的污垢在极短的时间内冷冻、脆化以至爆裂。同时，当干冰颗粒进入污垢的裂缝后立即气化，其体积在千分之几秒内膨胀近800倍，在附着物与
25、附着体之间形成一种“微型”爆炸，从而把污物层吹扫带离物体表面8。1.3.2高压水射流清洗技术高压水射流技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术，最早出现在 19 世纪中叶，到20世纪50年代才开始应用于采煤，60年代大批高压柱塞泵和增压器的问世推动了水射流技术快速发展。到70年代末，水射流技术出现了新的研究方向，并研制成功了高频脉冲射流、共振射流和磨料射流，这些射流的压力虽然不太高，但威力却高于相同压力的普通连续水射流 。进入80年代，磨料射流 、空化射流、水射流和自振射流的发展把水射流技术推向一个新的阶段。水射流技术的应用越来越受到人们的重视9。随着高压水射流技术的发展，水射流清洗技术也
26、越来越为人们所重视， 应用也日趋广泛。水射流清洗技术是利用水射流使一种或多种材料（表面覆层）从另外一种物体（基体）表面上脱离下来，如容器内壁和管道内壁的清洗和除垢、 带钢除鳞、 铸件去毛刺等。 水射流清洗技术涉及到交通、冶金、电力、机械、市政、化工、建筑等领域10。美、德、日、英、法、加等发达国家，工业上用高压水射流工艺进行清洗的比例已达到80%85%。水射流可除去用化学方法不能或难以清洗的特殊覆层，主要用于水垢、锈蚀、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、微生物污泥等的清除。高压水射流清洗技术在6070 年代开始推广，到80年代以后得到了很快的发展，自80年代中期传入我国以来
27、，逐渐得到了工业界的普遍认同与重视。 1. 高压水射流清洗技术的特点高压水射流技术把水作为介质， 以射流为核心， 集高压泵、 阀 、 自控系统等于一体 ， 通过高压发生装置 ，使水流获得巨大的能量后以特定的流体运动方式从一定形状的喷嘴中高速喷射出来， 形成了能量高度集中的水流。 高压水射流技术之所以能脱颖而出， 是与其本身的许多特点和优势分不开的。 它不仅与水本身所固有的性质有关， 也与高压水的力学作用有着密切的联系11。作为一种先进的物理清洗方法高压水射流清洗与传统的高压水冲洗、化学、机械、手工等清洗方法相比， 高压水射流清洗技术具有以下优点:1）清洗成本低。高压水射流采用的介质是自来水，在
28、清洗过程中，水射流能量强大，不需添加任何磨料及洗涤剂即可将物体清洗干净。另外，这种清洗方法与消防用水不同，不需要大量用水，属细射流喷射，耗水量只有1.5t/h，所用设备的功率为190kw，属于节水、节能设备。2）清洗质量好。由于清洗时具有很大的能量，以超音速运动的高压水射流完全能够破坏坚硬的结垢物，虽然清洗后可见到金属本色，但对金属却没有任何损伤。高压水的压力小于金属或钢筋混凝土的，抗压强度，不会对管路和设备产生任何损坏。3）清洗速度快。由于水射流(国外称水弹)的冲刷、契劈、剪切、磨削等复合破碎作用，可立即将结垢物打碎，比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械及手工方法清洗速度快几倍至几十倍1
29、2。4）无环境污染。喷砂抛丸及简单机械清洗易产生大量粉尘，污染环境，损害人体健康，化学清洗易产生大量酸碱废液，污染土质和水质。高压水射流以自来水或工业用水为介质，无味、无色、无臭、无毒，对环境没有任何污染，属于环保型清洗方法。5）不腐蚀金属。由于采用纯物理方法，清洗介质使用的是清洁水，水射流中没有任何酸、碱药剂等添加剂，既不腐蚀金属，又不损坏管路及设备，延长了设备的使用寿命。6）应用范围广泛。凡是水射流直接射到的部位，不论是管道、容器罐体的内外壁、建筑物的表面，还是坚硬结垢物、致密堵塞物，皆可迅即被击碎剥落，脱离粘结母体，清洗干净。对设备、设施大小、形状、材质及垢物种类均无特殊要求，故其应用范
30、围极其广泛。7）节水又节能。水射流清洗属于高压细射流清洗。喷嘴喷头的孔径只有0.5-2.5mm，射流直径也以毫米计算，每小时只消耗3-5m3的水，用过的水还可以回收。故高压水射流清洗机属节水节能设备。8）易于实现机械化、自动化、便于数字控制。2. 高压水射流清洗技术在发达国家中的发展状况高压水射流清洗技术在发达国家中广泛应用，应用最普遍的是美国、德国和日本，他们的热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、物料输送管道、设备表面等清洗作业几乎全部使用高压水射流技术。在很多特种清洗作业中，诸如轮船船体的除焦除藻、飞机跑道的除漆除胶、核电反应堆的除垢除污、特殊钢厂的铸件清砂、轧件除磷等，也多采用高压水射流
31、技术。经过多年的发展和进步，这些国家的高压水射流清洗工艺水平都比较高。借助很多先进的周边设备，使高压水射流清洗作业中的喷射枪具的旋转和推进实现了机械化和自动化。他们采用的高压柱塞水泵，单级压缩可达到300MPa，即使不加磨料也可实现设备除鳞除锈、除氧化皮的要求。重要的清洗参数，如清洗机的压力、流量和功率，也可根据清洗对象的要求随时调节至最合适的状态。并且高压水泵的质量比较高、易损件的寿命也比较长，在国际上受到普遍欢迎。高压水射流清洗中配套使用的高压胶管，最小外径可达到68mm，通常可承压100300MPa，有的甚至可达到300600MPa。他们使用的喷嘴、喷头和喷枪就有数百种之多，分别编辑成册
32、，可根据清洗对象优化选用，以便获得最佳的使用效果。这些喷射枪具都由专业厂家生产、供应。为了提高清净率，多用二维或三维旋转的喷头、喷嘴，喷嘴、喷头的推进形式有喷射反力自进、液压旋转推进及外力牵引推进等。另外，还有各式各样的空间辅助变位机构、清洗罐体的多维空间变幅机构、清洗排污管道的纵向牵引机构等。当前，在美国最先进的送进机构是爬壁机器人，它可以在大型金属构件及建筑物表面纵向、横向自由地爬移，以便顺利和灵活地在这些平面上除漆、除锈和清除各种结合物及粘结物。3. 高压水射流清洗技术在我国工业中的应用现状在我国，使用高压水射流技术做工业清洗的单位也有很多。我国高压水射流柱塞泵大型生产企业有十几家，分布
33、在天津、辽宁、江苏、四川和陕西等地。高压水射流清洗机的生产厂家多为大型柱塞泵的制造厂家。目前在我国正常服役的大型高压水射流清洗机有上万台，每年投入生产使用的也有上千台。一级压缩最高压力可达280MPa，高压水流量由每分钟几十升到几百升不等。我国高压水泵厂的生产潜力很大，随着清洗机用户的增加，他们可以提供大量的水泵。与之配套的柴油机、电机、配电柜等设备，也都能满足生产与使用要求。清洗机主要用户分布在石油、化工、发电、炼油、动力、酿造、造纸、橡胶、冶金、制药及市政工程等行业或部门。若我国大中城市及大中型企业都使用大型高压水射流清洗机，需要量将成倍增加，因此，其在我国清洗机制造及使用潜在市场都很巨大
34、。我国大型高压水射流清洗机重量多在2-3t，主要用来清洗城市上下水管道、工矿企业排污及物料运输管道、各类热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、大型设备表面和建筑物外墙等。高压水射流工业清洗在我国已初步形成产业，并且每年大约以10%-20%的速度增长13。1.3.3高压水射流清洗系统1.高压水射流清洗系统的构成与工作流程（1） 高压水射流清洗系统的构成如图1 所示。1. 自动控制系统；2.供水装置；3.高压泵；4.自动调压装置；5.罐车高压清洗机；6.三维洗罐器；7.铁路化工罐车；8.抽液装置；9.废气净化装置；10.长管空气呼吸器防护装置- - -自动控制线 管路图1 高压水射流清洗系统结构图供
35、水装置、高压泵、罐车高压清洗机、自动调压装置及抽液装置的运行均由自动控制系统控制。废气净化装置和长管空气呼吸器防护装置分别自成系统。罐车清洗过程由自动控制系统控制自动完成。另外，自动控制系统还具有监视、通讯、语音提示、关键参数检测等功能。废气净化装置采用二级净化技术(预滤器和过滤吸收器)，将真空泵抽出的废气净化，以达到国家有关废气排放标准，减少大气污染。长管空气呼吸器防护装置是人员进入罐车的保护装置之一，它利用压缩空气为气源，经过六级过滤将足够的新鲜空气供给罐车内的工作人员呼吸14。（2）高压水射流清洗系统自动工作流程铁路罐车高压清洗采用2750MPa（清洗盛装不同介质的罐车，所需压力有所不同
36、）的高压水。其原理是利用高压水的动能将罐壁上的残存介质、聚合物及机械杂质等剥离，然后通过机械及人工清除，达到罐车特洗的目的。高压水洗车是利用柱塞式高压泵将水压升至2750MPa（对于比较粘稠的残存介质，需将水温适当提高），然后通过带密封盖的全自动三维清洗装置（结构简图见图1）对罐车进行清洗。该清洗装置的清洗过程是弯管带动三维自动洗罐器分别定位于图3所示的4点，其清洗顺序为ABCD。三维自动洗罐器连续旋转，其上的高压水喷嘴又在自转，因此形成球面清洗轨迹，由喷嘴喷射出的高速水流能够穿透20厚的水层，并冲击掉水层下面罐壁上的聚合物及机械杂质等这一点已得到实际验证。在洗车的同时，真空排水系统将车内污水
37、排除，使车内积水不超过15，因此清洗效果非常好。整个清洗过程既可人工控制，也可计算机控制，高压水清洗的时间一般为20-40分钟，整个清洗过程一般为40-70分钟。所有需要特洗的罐车都可用此种工艺清洗完成，更由于其配备了废气密闭抽吸系统及微正压供气系统，极大地改善了操作环境15。清洗系统自动工作流程如图2所示。图2 储罐清洗全自动三维清洗流程（3）三维洗罐器在罐车内的清洗位置通过分析确定了三维洗罐器的清洗位置如图3中A、B、C、D 四点所示。大量的罐车清洗实践证明此四点清洗方案的清洗效果好，效率高。铁路罐车节能清洗新工艺系统最终采用一点定位清洗，三维喷头位于检修人孔盖下部居中位置16。图3 喷头
38、在罐车内的清洗位置2. 高压水射流清洗核心装置国外典型机械清洗系统（1）悬臂式清洗组件悬臂式清洗组件主要由锥形筒、流体入口管、排气管、挡水板和旋转喷头组成，固定安装于罐顶人孔处（如图4所示)。通过水力或空气驱动喷头对罐车内壁进行三维冲击清洗，具有结构简单、灵活性好等特点，能够实现就地清洗，但喷头在罐内的位置无法调节，因此对其喷射距离要求较高。旋转喷头通常采用水力驱动，清水压力一般为1MPa左右，一个清洗周期约为10 min，完成整个清洗作业仅需(2050) min。在开发适用于罐车机械清洗喷头方面，技术水平领先的公司有美国Gamajet 公司、美国Butterworth公司和瑞典Scanjet
39、公司，所研发的多种类型喷头产品还可用于清洗公路罐车等其他石油化工产品运输车17。图4 悬臂式罐车清洗组件安装示意（2） 导轨式清洗组件导轨式清洗组件主要由对位装置、升降装置、旋转喷头、喷头定位杆和控制部件等组成，通常固定安装于专用洗罐站( 洗罐所或洗槽站台) 厂房内，如图5 所示。对位装置包括桁架、移动轮和动力机构，实现清洗组件与罐车人孔准确对位。通过升降装置和喷头定位杆将清洗组件主体送入罐内，旋转喷头固定在伸缩杆端部，利用液压或气压经定位杆与伸缩杆连接处的传动机构( 如齿轮齿条) 驱动伸缩杆水平外伸和收缩，进而随时改变喷头所处位置。罐车一端清洗完成后，可将伸缩杆移至人孔调整或直接在罐内旋转1
40、80，对罐车另一端进行清洗。还可通过直接在喷头定位杆两侧对称安装两个伸缩杆和喷头，以实现对罐体两端同时进行清洗18-20。将落地支架代替桁架可以降低支撑清洗机构的三维吊装高度，从而降低洗罐站厂房高度，节约了建造成本，解决了在引进国外罐车清洗系统时，普遍存在的因原有厂房高度( 7 9) m 较低而必须对其进行拆除重建的问题。图5 导轨式清洗组件安装示意 美国KMT 公司开发了另一种形式的导轨式清洗洗组件，主要由旋转喷头、支撑架和伸缩杆等组成，结构如图6 所示。两个伸缩杆端分别固定有旋转喷头，并相对于支撑架对称安装，旋转喷头可位于多个角度进行定点清洗，随伸缩杆的伸缩而轴向移动。清洗组件直接固定在人
41、孔上，无需悬吊装置，仅在安装或拆卸时借助吊装设备辅助移动。图6 美国KMT 公司罐车清洗组件结构示意（3） 弧形管式清洗组件弧形管式清洗组件的特点是可通过调节罐外旋转支撑机构使弧形钢管和旋转喷头在罐内作刚性移动。德国URACA公司的TWKTrunkojet 清洗组件、美国JETECH 公司的ITCG2 清洗组件和美国Butterworth公司的罐车清洗组件均采用了这种结构形式21。德国URACA 公司的TWKTrunkojet 罐车清洗组件主要由旋转支撑机构、弧形钢管、旋转喷头等组成( 如图7 所示) 。弧形钢管两端分别与旋转喷头和旋转支撑机构连接，通过进给机构驱动其在罐内作弧形运动。当清洗头
42、降至罐内中心处时，开始作直线运动，达到最远端稍停即开始返程升至高点，将旋转支撑机构转动180，对罐壁另一侧进行清洗。清洗组件主体部分固定在罐外，仅有弧形钢管和旋转喷头位于罐内，因此容易跨越罐内障碍物，但同时也导致整个机构重心偏移，在清洗作业时难以保持平衡和稳定。为此，需配套使用吊车装置，将清洗组件刚性固定在吊车横梁上，横梁升降及水平移动始终保持清洗组件处于平衡状态，便于对准人孔进行定位安装。美国JETECH 公司的ITCG2 罐车清洗组件主要由可移动支架、滑轨、液压动力系统、真空抽吸管、两个弧形钢管和旋转喷头等设备组成。清洗组件主体结构悬置于滑轨上，分别调节X、Y和Z轴方向上移动支架可实现弧形
43、钢管三维移动，进而与人孔进行准确对位。ITCG2 清洗组件长宽高分别为10.6 m、4. 47 m、10.11 m，弧形钢管长8.58 m，弧形半径为3.01 m，最大转动角度达110，采用电动马达驱动。旋转喷头在罐内可达到的最大水平移动距离( 相对人孔中心处距离) 为5.08 m，最小循环周期( 即喷头从人孔处移动至最远处一个行程所用时间) 为5 min。每个旋转喷头上对称安装4 个喷嘴，利用水力驱动，驱动压力为10. 3 MPa，流量为4.5 L/min，喷头最大旋转速度为140 r/min。清洗系统最大工作压力为138 MPa，最大流量为760 L/min，可通过的最小开孔直径为480
44、mm，清洗作业过程通过PLC 实现自动控制。图7 TWKTrunkojet 清洗组件安装示意（4） 清洗机器人 随着自动控制技术和机器人技术的飞速发展，基于遥控操作的移动机器人逐渐应用于罐车自动化清洗中。旋转喷头安装于机器人主体结构上并随其在罐车内移动，工作人员通过手持控制面板进行操作。由于机器人技术在罐车清洗中的应用尚处于发展阶段，目前全球开发此类清洗机器人的公司较少。图8 为美国McwhorterAssociates 公司研发的罐车清洗机器人结构示意图。机器人主体支架由通过轮轴连接的两个车轮和滑块支撑，支架顶端固定有一个旋转喷头，并安装有高压水入口接管。通过位于支架中间位置的液压缸控制轮轴
45、和滑块支架伸缩，确保机器人在罐车内平稳移动，车轮进给运动由安装在车轮中心处的马达控制。机器人采用在特定区域进行点对点的清洗模式，保证了清洗轨迹覆盖罐内所有区域。旋转喷头为美国NLB 公司产品，工作压力为( 20 138) MPa，工作流量为( 50 189) L/min，可实现空间三维旋转。清洗机器人可通过的最小开孔直径为18 in( 45. 7 cm) ，条件允许时，可将视频摄像监控设备自人孔悬挂于罐中，实时监测罐内清洗进程22。图8 罐车清洗机器人结构示意3. 其他设备除了上述供水及核心设备之外，还有其他有关的配套设备，现介绍如下：（1）抽残液及废水设备由真空泵、中间罐、废污罐、残液罐及闸
46、门等组成。其作用是抽残液，抽出洗罐的污水；罐车就位后， 将抽料管插入罐车底部洼口。通过真空泵将残液抽至残液罐。残液用氮气压至残液罐。清洗过程开始后， 同样利用真空泵将废水抽至污水罐。当罐内水位达到预设液位或一节罐车清洗完毕时， 自动打开压空管路电磁阀， 关闭真空管路电磁阀， 停真空泵， 将罐内污水压至污水处理系统23。（2）空气净化设备由真空泵、过滤器、真空阀等组成。罐体洗完之后，罐体中的废气抽出罐外净化处理之后才被允许排放到大气中。（3）供气设备工人进入罐内作业，戴长管呼吸器，由空气压缩机、储罐及精密过滤器向长管呼吸器供清洁的新鲜空气。（4）烘干设备经清洗处理后的罐体用热风烘干，热风由热风机供给。（5）通讯设备由电话、电视、交换机、摄像机等组成。（6）控制设备主要设备由PLC和可编程控制器及电磁阀、行程开关、压力、温度、液位传感器、指示灯、显示仪、继电器等组成。高压水清洗罐体清洗机的动作及水压选择、清洗速度的选择等，可以人工手动，也可以自动控制24。1.3.4高压水射流清洗过程中几个主要参数的确定1. 工作压力确定高压水射流清洗的工作压力应根据结垢