油罐防溢自力式液位控制装置研究

油罐防溢自力式液位控制装置研究 一 50一 石油机械 CHINAPETROLEUMMACHINERY2008年第36卷第5期 ?应用技术 油罐防溢自力式液位控制装置研究 张世富朱金鹏张起欣 (1,解放军后勤工程学院军事供油系2.解放军后勤工程学院研究生管理大队) 摘要从槽车向大罐收油,向槽车发油及库内倒罐是油库收发油作业的基本方式,作业过程 中,油罐溢油rq题是影响作业安全的最主要问题.针对油库收发油作业过程中油罐溢油的问题, 研制了一种安全,可靠,适用,方便的油罐防溢自力式液位控制装置.该装置主要由差动控制阀, 节流阀,液位开关,高压控制管路组成,它采用全机械式结构,利用流体自身压力控制装置动作, 自动进行油品的发放,接收,可防止溢油事故的发生.在实际使用过程中效果良好,可推广应用 于运输加油车,飞机加油车,零收发油平台等领域. 关键词油罐防溢油自力式液位控制控制装置 引言 工业生产过程中,液态物料的储存,输送及加 注紧密衔接,不可分割,对其液位进行精确控制非 常重要.从槽车向大罐收油,向槽车发油及库内倒 罐是油库收发油作业的基本方式.作业过程中,油 罐溢油问题是影响作业安全的最主要问题,且 经常在油库作业中发生事故.因此,研制一种安 全,可靠,适用,方便的自力式液位控制装置,依 靠输送流体自身的压力保护灌装安全,自动进行油 品的发放,接收,以防止溢油事故的发生,是适应 油料运输,灌装作业安全的需要. 自力式液位控制装置(简称控制装置)由解 放军后勤工程学院研制,该控制装置采用全机 械式结构,利用流体自身压力控制装置动作.在具 体单位实际使用过程中效果良好,潜在应用范围广 阔,实现了油料灌装,运输,加注等过程的液位自 动控制,产品研制已向系列化方向发展. 控制装置基本原理与整体结构 1.控制装置工作原理 该控制装置应用了机械创新设计有关理论和流 体力学及机械控制的基本原理,其工作原理如图1 所示. 在起始工作状态,控制装置主阀心在弹簧力作 用下处于关闭状态.开始工作后,进油管路来油首 先经小孔滤波进行稳压,以减少输送流体的压力扰 动,稳定腔体内部的流体压力,保持相对稳定的内 部流场.随后经过滤波板的流体通过进油小孔A 进入内阀腔,流体压力作用于阀心,形成大于弹簧 弹性力的作用力,主阀开启,流体通过节流阀,高 压控制胶管到达液位开关.当处于低液位时,浮子 部件下沉将液位开关打开,开始加注作业;当罐内 液位到达设定液位时,液位开关通过控制管路取信 号,浮子部件上升堵塞住控制油路通往油罐的出口 节流孔B,由于主阀内腔流体处于充满状态,在控 制装置内腔很快形成与外腔一致的流体压力,主阀 在弹簧力的作用下关闭,停止加注作业,从而自动 完成液位控制过程. 图1控制装置工作原理简图 l一主阀心;2一筋板;3一内阀腔;4一滤波 ;7一浮筒液位开关 板;5一外阀腔;6一弹簧 2.整体结构研究 控制装置由差动控制阀,节流阀,液位开关, 高压控制管路组成,如图2,4所示. 2008年第36卷第5期张世富等:油罐防溢自力式液位控制装置研究 图2差动控制阀 1一壳体;2一弹簧;3一节流阀接口:4,8一密封 圈;5一阀心;6一导向法兰;7一壳体法兰;9一主 密封圈;10一阀座;11一内六角螺钉;12一螺塞 图3节流阀 1一高压控制胶管接头;2一节流阀体;3一延 时调整螺钉;4一差动控制阀;5一固定螺钉 图4液位开关 1一抱箍;2一阀套;3一阀座;4一阀杆;5一阀体;6一 鹤管;7一高压控制胶管接头;8一连接管;9一浮子部件 主要部件设计 1.弹簧及阀心结构设计 (1)弹簧设计自力式液位控制装置采用全 机械式结构,结合机械原理和实际情况,可知控制 装置总体尺寸,动作性能受弹簧影响大.根据 实际工作条件,控制装置弹簧按?类弹簧设计,弹 簧结构为YI型,选用钢丝为65Mn.首先确定 弹簧的最大受力状态,以弹簧行程到位后阀心下部 的压力计算,最终得最小工作载荷F,为223.4N, 初始最大工作载荷为287.6N.按照圆柱螺旋 弹簧设计计算的步骤得出:控制装置弹簧的结构尺 寸,稳定性,疲劳强度均满足要求. (2)阀心尺寸确定由于阀心尺寸很难用水 力计算的方法确定,笔者从阀体结构考虑,实现低 提升力矩,大密封比压的功能,最后设计的阀心结 构如图5所示,其总体长度为156.5mm,内径为 96mm. ,断面 图5阀心结构示意图 2.节流分析 节流结构作为自力式液位控制装置的检测件, 对流速分布,流束的影响很大.孑L板利用节流 原理使流过管道内的流体流速改变,静压力减小. 如图6所示,在孑L板内孑L径较小的阻挡件前后产生 静压差,充满管道的流体在流经节流件时,流束在 节流件处收缩,使流速增加,静压力降低,从而在 节流件前后产生了静压差』.流体的流速越大, 静压差就越大. 123 耍一 离bI 1/23司 _IH?p1=pl,p2司\—一 /\\『一 图6孔板前后流动状态的流速及压力分布示意图 根据流体力学基本原理,由连续性方程和伯努 利方程可以推导出节流小孑L的流量方程 1.—— q=?盯J2p卸叶 式中g——质量流量,kg/s; —— 流量系数; —— 流束的膨胀系数; d——设计状态下节流件的内径,mm; ?p——节流件上,下游的静压差,MPa; 石油机械2008年第36卷第5期 p——节流件上游流体的密度,kg/m. 通过理论分析及实验研究,确定节流阀心直径 为8mm. 增加滤波的目的是减少来油的压力扰动,稳定 阀体内部的流体压力,提高整个控制装置的可靠 性.为简化结构,设置为滤波小孑L.基本原理是全 部滤波小孔的过流面积应大于来流面积的2—3倍. 3.密封结构 控制装置依靠流体自身压力来控制阀门动作, 密封部位的泄漏可能引起主阀打不开或中途误关阀 的情况.设计阶段采用以下3种技术进行了对 比试验:?采用O形圈,试验明开关阀的阻力 大,出现了主阀心开关不到位,开关速度太慢的情 况;?采用密封活塞环,效果良好,但对缸体的加 工制造要求高,操作不好时,容易出现划痕引起泄 漏;?自行设计的O形圈和聚四氟乙烯组合密封 结构,采用此结构后,阀门的紧密性非常可靠,控 制装置的液位控制动作灵敏可靠.组合密封(见 图7)减小了移动阻力,降低了密封面磨损,提高 了密封比压.组合密封结构简单,加工制造方便, 使用耐久性好. 图7组合密封结构示意图 1一缸套;2一聚四氟乙烯环;3--主阔;4一O形圈 4.液位开关 为了控制油料加注和灌装过程中液位的安全, 液位开关动作要及时准确,为此独创设计了切向封 堵塔形结构,降低了封堵力,可直接利用聚四氟乙 烯管材来切向封堵泄流口,简单可靠.浮筒液位开 关的工作原理基于阿基米德定律,浮子部件通 过高压控制胶管取信号,依据浮筒液位的变化来控 制液位开关关闭,从而开始加注作业或停止作业, 保证灌装安全. 试验试用情况 控制装置在研制完成之后,对整体的作业性能 按实际使用流程进行了测试,适应时问测试流程图 如图8所示,5次试验的响应时间分别为3.3, 3.7,3.1,3.5,3.3S,平均响应时间为3.4S.试 验结果表明均符合具体基本技术要求. 图8响应时间试验流程图 1,8—5m车载油罐;2一泵机组;3一Dn100闸阀;4一油罐防溢 自力式控制装置;5一流量计;6一简易发油栈桥;7一液位控制器 综上所述,油罐防溢自力式液位控制装置具有 极大的潜在应用空间,可推广应用于运输加油车, 飞机加油车,零收发油平台等领域,能有效防止溢 油事故的发生,对提高油料运输,加注作业的安全 性具有重要意义. 参考文献 [1]陈锡剑.运油车一次油气回收接头的改制.专用汽 车,2004(i):21—22. [2]张策.机械原理与机械设计.上,下册.北京: 机械工业出版社,2004:376—388. [3]GB/T2624--1993流量测量节流装置用孑L板,喷 嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量.1993. [4]梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京:机 械工业出版社,2002:158—159. ,副教授,硕士研究生导师, 第一作者简介:张世富 生于1965年,1984年毕业于重庆大学机械设计专业,现主 要从事油气储运输送,加注技术及装备的研究工作地址: (400016)重庆市.电话:(023)68570744.E—mail:zshi~ @sina.corn. 收稿日期:2007—10—15 (本文编辑赵连禄)