120QYJ型全自动封闭式油管清洗机的设计及试验

张义胜 陈金利 侯心爱 蒋博

(淄博市农业机械研究所 山东淄博 255086)

油管主要用于各油（气）田开发过程中，实施采油、采气、压裂、酸化、注水、注气、修井等多种作业用途，油管下在套管内，将油（气）引导到地面[1-2]油管在油污介质中长期使用时，在其内外壁上会逐渐附着一层油污，而且油污会逐渐增厚影响油管的通流能力，在这种情况下，必须清洗其内外壁。

就清洗机而言，主要有热煮法和热辐射法两种方式[1]。高压水射流是高新技术，具有清洗、除垢效果好，成本低，不损坏和腐蚀被清洗物基体，不污染环境等优点[3-4]。油管清洗，一般采用常温水清洗，清洗不干净，即使有的采用热水清洗，也采用开放式作业，能耗大，自动化程度低。

提高油管修复质量，可以减少返工作量，降低作业费用，保证油水井的作业质量。清洗是油管修复检测线中的首道工序[5-6]，能否有效清洗油管内外壁的污垢，是达到油管修复指标的重要前提，因此选择合适的清洗方式可以提高油管修复质量，降低生产综合成本。

针对油管清洗机存在问题，采用热煮法清洗工艺，设计了120QYJ型全自动封闭式油管清洗机[7]。

1.1 整机结构

根据图1～图3内容显示，清洗机由上料机构、进料机构、齿盘喂料机构、中心驱动机构、驱动机构减速机、清洗泵、支撑滚轮、限位滚轮、燃烧机、加热系统、控制系统、内壁清洗装置、出料机构、挡油管机构、外壁清洗机构、外刷式清洗机、排污系统等组成。

图1 油管清洗机主机结构示意图

图2 进(出)料传输机构示意图

根据图3 内容显示可知，上料机构由链条、上料勾、减速电机、传动轴、链轮、轴承座等组成。减速电机通过联轴器连接传动轴，在上料架的顶部和下部各布置一条传动轴，两轴的两端各安装两个链轮及轴承座，左右各安装一链条，链条各安装一个上料勾。

根据图1～图3 内容显示，进（出）料机构均由减速电机、联轴器、锥齿轮变速箱、滚轮、传动轴等组成。在进（出）料机构的外端，安装一个减速电机，其输出端串联带动多个锥齿轮减速箱，在每个减速箱的输出端，均安装一个滚轮用于输送油管，减速箱的数量要根据现场情况而定。

图3 油管清洗机上下料架结构示意图

根据图4内容显示可知，支撑滚轮由滚轮支座、滚轮、滚轮轴组成。左右各安装一组支撑滚轮，中心驱动机构支撑在支撑滚轮的上方。在驱动机构的两端各安装一套限位滚轮，以限制其轴向移动。

图4 支撑滚轮结构意图

根据图5内容显示可知，驱动机构由齿盘固定圈、钢管、大齿轮、活齿盘等组成。减速机输出轴安装一个小齿轮，与大齿轮啮合，带动卡在活齿盘内的油管转动。挡油管机构与驱动机构同心安装，其作用是防止油管径向脱落。活齿盘用螺栓固定在齿盘固定圈上，为了加工更换方便，活齿盘由几块组成。更换不同规格活齿盘，可以清洗不同规格的油管。活齿盘共有40个齿，即齿盘转动一圈，可以完成40条油管的清洗。

图5 驱动机构结构示意图

1.2 工作原理

根据图1～图3 内容显示，上料机构将油管从上料架输送到进料输送棍上。输送棍将油管输送到位后，齿盘喂料机构将其输送到活齿盘齿内。在清洗池内，油管随活齿盘转动,得到热水的浸泡。油管有跳槽现象时，防跳装置发出信号，自动停车排除故障。在油管旋出液面输送到冲洗平台时，清洗泵提供的高压水射流冲洗油管内壁，然后翻转机构将油管转至出料传输线上，在油管出料的过程中，外壁得到高压水射流冲洗和滚刷刷洗。排污口用于定期排除清洗池内的油污。换热泵使清洗池内的热水流经安装在烟筒上的换热套，热水再次得到加热,提高了热效率。

需要上料时，控制系统发出指令，上料勾带动油管向上移动到顶部后，沿着斜坡进入进料机构输送辊内。需要进料时，控制系统发出指令，滚轮转动带动油管前进，进入活齿盘的齿盘内。需要出料时，控制系统发出指令，出料机构使油管出料下架。

上料机构、下料机构均由气动系统与机械手控制，控制台手动控制或计算机自控。燃烧器为自动控制。

油管清洗机技术参数如表1所示。

表1 技术参数

3.1 加热系统热负荷计算

3.1.1 设计计算条件

冬季最低温度：-20 ℃；
夏季最高温度：40 ℃；
水常温温度：20 ℃；
清洗水要求温度：8 ℃。

3.1.2 清洗池初次加热负荷计算

初次加热清洗池内水到指定温度需要的能量为

式（1）中：Q1为加热水到指定温度需要能量，单位：kWh；
G1为水池水重量，单位：T；
C1为水比热容，单位：kJ/kg·℃；
t1为水原始温度，单位：℃；
t2为加热后水温度，单位：℃。

水池蓄水量按照42 m3计算，水的比重=1 T/m3，则G1=42 T；
C1=4.186 kJ/kg·℃；
t1=20 ℃；
t2=85 ℃。由式（1）计算得：Q1=3 174 kWh。

初次加热洗池内水到指定温度需要热负荷为

式（2）中，N为初次加热水到指定温度需要热负荷，单位：kW；
Tm为初次加热时间，单位：h；
η为加热器热效率，单位：%。

加热器热效率η=88%，由式（2）计算得到，如果初次加热时间Tm为24 h，需要的热负荷150 kW；
如果初次加热时间Tm为36 h，需要的热负荷为100 kW。

3.1.3 油管加热所需热负荷计算

油管加热所需热负荷为

式（3）中，Q2为油管加热到指定温度需要的能量，单位：kWh；
G2为油管重量，单位：T；
C2为碳钢比热容，单位：kJ/kg·℃；
t3为油管原温度，单位：℃；
t4为油管加热后温度，单位：℃。

每根油管质量为100 kg，高清洗速度为120 根/h，120根油管重量G2=12 T；
C2=0.49 kJ/kg·°C；
t4=85 ℃。

由式（3）计算得到，冬季最冷工况，油管原始温度t3=-20 ℃，所需热负荷为195 kW。夏季最热工况，油管原始温度t3=40 ℃，所需热负荷为85 kW。常温工况，油管原始温度t3=20 ℃，所需热负荷为120 kW。按照常温工况设计，燃烧器最大燃烧量和最小燃烧量，分别满足冬季最冷工况和夏季最热工况。

3.1.4 燃气用量计算

燃料用量计算公式为

式（4）中，Gg为燃料用量，单位：m3/h；
Q为燃烧器热负荷，单位：kW；
qv为天然气发热量，单位：kJ/Nm3；
λ为散热损失，单位：%。

qv=37 600 kJ/Nm3，λ=5%

由式（4）进行计算得到，当热负荷为195 kW 时，Gg=19.65 m3/h；
当热负荷为120 kW时，Gg=12 m3/h；
当热负荷为85 kW时，Gg=8.57 m3/h。

3.1.5 燃烧器选择

根据所计算结果，选用BTG28PCN型自动燃烧器，燃烧负荷为80～280 kW，天然气耗量：9.8～19 m³/h；
满足各种工况使用要求。

3.2 驱动机构设计计算

3.2.1 功率设计计算

根据图4、图5 显示可知，中心驱动机构支撑在滚轮上，机构转动需要克服和滚轮的摩擦力矩。

式（5）中，M为机构与滚轮产生的摩擦力矩，单位：N·m；
G3为机构总重量，单位：kg；
r为钢管的半径，单位：m；
g为重力加速度，单位：m/s2；
μ为机构与滚轮摩擦系数。

G3由两个部分组成，一是机构净重为3 000 kg，二是40 条油管重量为4 000 kg，G3=7 000 kg，g=9.8 m/s2，μ=0.15[8]，r=0.25 m。由式（5）计算得，M=2 572.5 N·m。

机构转动需要的功率为

式（6）中，P为电机功率，单位：kW；
n为机构转速，单位：r/min；
φ为总传动效率。

齿盘固定圈转动三圈完成120 根的清洗任务，由此确定最高转速n=0.05 r/min。取φ=0.85。由式（6）计算得,P=0.016 kW。选用BWED-0.55-42-5133 型行星摆线针轮减速机，电机功率0.55 kW,减速比i=5133,输入转速1 480 r/min，输出转速0.29 r/min。

3.2.2 转速设计计算

中心驱动机构的转速

式（7）中，n为机构转速，单位：r/min；
n1为电机转速，单位：r/min；
i为减速比；
Z1为小齿轮齿数；
Z2为大齿轮齿数。n1=1 480 r/min，i=513 3，Z1=22；
Z2=128。由式（7）计算得，n=0.049 6 r/min，符合设计要求。

3.3 上料机构设计计算

3.3.1 各工位油管运行速度设计计算

清洗机最高清洗速度为120根/h，即清洗单根油管时间为30 s，要求各工位油管运行时间要小于30 s。降低清洗速度时，可通过控制系统调整上料、进出料等机构的运行速度，使之与清洗速度相匹配。上料架高度按照3 m 计算，要求上料链条的线速度＞0.1 m/s，这里按照0.2 m/s 计算。对于进出料传输机构，油管运行长度按照18 m计算，则油管最低运行速度为0.6 m/s。

3.3.2 上料机构功率设计计算

上料机构需要的功率为

式（8）中，P1为电机功率，单位：kW；
ν1为机构上升速度，单位：m/s；
F为行走阻力，单位：N。上料机构的行走阻力为

式（9）中，G4为单根油管重量，单位：kg；
α为上料链条坡度角，单位：°。

由式（8）（9）计算得，P1=0.184 kW。选用BWD-0.37-59型行星摆线针轮减速机，电机功率0.37 kW，减速比i1=59，输入转速1 450 r/min，输出转速25 r/min。

3.3.3 上料链轮设计计算

上料链轮的分度园直径为

式（10）中，d为链轮分度园直径，单位：mm；
n2为链轮转速，单位：r/min。

上料链轮的转速n2=25 r/min。根据式（10）计算得，d=152.788 mm。上料链条的型号选用20A 型。选用链轮齿数Z3=15，则上料链轮的分度园直径为157.351 mm，上料机构的实际上升速度ν=0.206 m/s。

3.4 进（出）料机构设计计算

3.4.1 摩擦力矩计算

如图3所示，油管支撑在滚轮上，滚轮的转动需要克服的摩擦力矩为

式（11）中，M1为油管与滚轮产生的摩擦力矩，单位：N·m；
r1为滚轮的半径，单位：m。

当r1=0.064 m，由式（11）计算得：M1=9.4 N·m。

3.4.2 滚轮转速计算

滚轮的转速为

式（12）中，n3为滚轮的转速，单位：r/min；
v2为滚轮线速度，单位：m/s。

油管运行速度，即滚轮线速度v2=0.6 m/s，由式（12）计算得，n3=89.52 r/min。

3.4.3 功率计算

滚轮转动需要的功率为

式（13）中，P2为电机功率，单位：kW。

取φ=0.95，由式（13）计算得，P2=0.092 kW。考虑到减速机同时带动多个变速箱，选用BWD-0.55-17型行星摆线针轮减速机，电机功率0.55 kW，减速比i2=17，输入转速1 480 r/min，输出转速87 r/min。

清洗机各传动部件所需功率如表2所示。

表2 功率汇总表

针对油管清洗机所存在问题，设计了该油管清洗机，并介绍了其构结构及工作原理，计算了燃气消耗量、油管各工位的运行速度、功率消耗等。经使用表明，清洗机具有清洗效果好，能耗低，工作效率高等优点。清洗机各工位运行速度是根据最高清洗速度而设计的，当降低清洗速度时，可通过控制系统调整上料、进料、出料等机构运行速度，使之与清洗速度相匹配。