СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗЕРВУАРОВ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ
BENCH TO INVESTIGATE PROCESS OF HYDRODYNAMIC CLEANING OF INNER SURFACE OF RESERVOIRS FROM OIL PRODUCTS

Изобретение относится к оборудованию для чистки и предотвращения загрязнений, более конкретно к стендам для исследования процесса струйной или гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов, и может найти применение в нефтяной, транспортной, химической и других областях промышленности.
Важное значение для надежной работы промышленности, транспорта и сельскохозяйственной техники имеет сохранение качества нефтепродуктов в процессе их поставки и применения. Так сельское хозяйство является одним из самых массовых потребителей нефтепродуктов, расходуя более 40% дизельного топлива и около 30% автобензина, производимых в стране. Основным показателем качества топлив и масел является уровень их загрязненности, оказывающий определяющее влияние на надежность многочисленных двигателей внутреннего сгорания и их топливной аппаратуры, смазываемых узлов и агрегатов машинотракторного парка.
Источниками загрязнений нефтепродуктов являются остаточные загрязнения в виде органических и неорганических веществ, оседающих в складских резервуарах и транспортных емкостях или образующихся вследствие коррозии их стенок. Происходит загрязнение следующих партий нефтепродуктов, заливаемых в этот резервуар. В связи с этим при эксплуатации резервуаров, железнодорожных и автомобильных цистерн, а также нефтеналивных судов предусматривается такая обязательная технологическая операция, как очистка емкостей для хранения и транспортирования нефтепродуктов. Очистка резервуаров и автомобильных цистерн производится в установленные сроки при техническом обслуживании, а также при заливе в них других видов нефтепродуктов и перед проведением ремонтных работ. Периодическая очистка резервуаров существенно повышает чистоту хранимых на нефтескладе нефтепродуктов.
По указанным причинам совершенствование процессов удаления отложений в резервуарах и обеспечение чистоты нефтепродуктов в сельскохозяйственном производстве, нефтяной, транспортной и химической промышленности является серьезной научно-технической проблемой. Важную роль в решении указанных задач играет создание испытательных стендов и лабораторных установок для исследования процессов очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов.
Известна лабораторная установка для определения параметров очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов, содержащая корпус, в котором расположены образцы с имитатором загрязнений, и термостат для подвода и отвода моющего раствора (см. свид. на полезную модель №20735, МПК В08В 9/08, опублик. 27.11.2001, бюл. №33).
Известная лабораторная установка предназначена для определения моющей и защитной от коррозии способностей раствора для очистки резервуаров от нефтепродуктов. Установка включает вертикальный цилиндрический корпус с теплоизоляционным покрытием и съемной крышкой, в котором по его оси установлена приводная мешалка, а на равном расстоянии от мешалки и стенки корпуса на подвесках, закрепленных в крышке, установлены образцы, изготовленные из СтЗ или СтЗ с цинковым покрытием или алюминиевого сплава, с имитатором загрязнений, при этом в верхней части корпус снабжен входным, в нижней - выходным патрубками, соединенными гибкими шлангами с термостатом для подвода и отвода нагретого моющего раствора и его циркуляции.
К недостаткам известной лабораторной установки для определения параметров очистки образцов от загрязнений и установления моющей способности раствора следует отнести сравнительно малую степень приближения используемого процесса очистки образцов к реальным условиям, возникающим при струйной очистке резервуаров от нефтепродуктов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является лабораторная установка для определения эффективности струйной очистки резервуаров от нефтепродуктов, содержащая герметичный корпус, термостат, насос, сопловой блок, емкость для сбора загрязненного моющего раствора, средства для размещения в корпусе образцов и измерения параметров процесса струйной очистки (см. свид. на полезную модель №20736, МПК В08В 9/08, опублик. 27.11.2001, бюл. №33 - прототип).
Известная установка по существу представляет собой мало автоматизированный стенд для исследования процесса гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов. Особенностью известной установки является то, что она содержит горизонтально расположенный цилиндрический корпус  герметичной откидной крышкой, выполненными в его цилиндрической части смотровыми окнами, сливным отверстием, сообщающимся с градуированным стеклянным сосудом для сбора загрязненного моющего раствора, и регулируемые по высоте крепежные приспособления для установки в корпусе по его оси, по меньшей мере, двух образцов из стали, стали с цинковым покрытием или из алюминиевого сплава с имитатором загрязнений, при этом в днище корпуса также по его оси установлена резьбовая втулка, в которой с возможностью перемещения вдоль оси корпуса расположен распылитель, соединенный гибким шлангом с термостатом для нагрева моющего раствора, из которого раствор подают под давлением насосом в распылитель для промывки образца в течение одной минуты с последующим извлечением образца и вновь размещением в корпусе с повторением цикла не менее двух раз.
Известная установка обладает сравнительно низкой точностью измерения основных параметров процесса очистки образцов, в том числе из-за отсутствия средств для определения параметров распыла струи моющей жидкости и средств для измерения действующих сил в зависимости от положения образцов относительно струи моющей жидкости. Посредством известной установки сравнительно сложно определять пространственно-временные характеристики потока моющей жидкости в направлении испытываемых образцов различного типа, в том числе из-за недостаточной имитации реального процесса струйной очистки от нефтепродуктов резервуаров, обладающих особенностями геометрии внутренней поверхности.
Решаемой задачей изобретения является создание удобного в эксплуатации и сравнительно простого в реализации универсального стенда для исследования характеристик и основных параметров процесса гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов.
Техническим результатом является устранение указанных недостатков известных технических решений и повышение точности измерения массовых, пространственных и временных параметров гидродинамической очистки, в том числе за счет многократного воздействия на разнонаправленные имитационные образцы струями различных видов моющего раствора и применения автоматической системы измерений с использованием современной техники переработки информации на ПЭВМ.
Указанный технический результат достигается тем, что в стенде для исследования процесса гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов, содержащем герметичный корпус, термостат, насос, сопловой блок, емкость для сбора загрязненного моющего раствора, средства для размещения в корпусе образцов, измерения параметров и управления стендом, согласно изобретению средства для измерения параметров процесса очистки включают тензометрические и фотоэлектрический датчики, источник светодиодного или лазерного излучения, аппаратуру для усиления и обработки полезного сигнала, причем тензоэлектрические датчики расположены на тыльной стороне испытываемых образцов или элементах их крепления, фотоэлектрический датчик и источник оптического излучения размещены на поверхности герметичного корпуса с возможностью прохождения потока излучения через струю моющего раствора, а выходы упомянутых датчиков соединены через многоканальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь блока управления стендом с входным портом персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением для определения частотных, массовых, пространственных и временных характеристик потока моющей жидкости и динамических нагрузок на испытываемые образцы.
Кроме того, персональный компьютер может быть оснащен программой на базе программ Labtronic 8 800 или N1 Lab VIEW 8.2 для интегрального анализа указанных характеристик потока моющей жидкости и испытываемых образцов по данным измерений упомянутых датчиков.
Такое выполнение стенда для исследования процесса гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата по интегральному определению массовых, частотно-временных и пространственных характеристик незатопленной струи моющей жидкости, а также нормальных и тангенциальных усилий на испытываемые образцы различной конфигурации. Эффективность предложенной установки повышается, в том числе, за счет автоматизации измерений при использовании современной техники преобразования полезного сигнала с помощью указанных тензометрических и фотоэлектрического датчиков в совокупности с современным мощным программным обеспечением.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенного стенда.
Стенд для исследования процесса гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов содержит герметичный корпус 1 (показан в разрезе по горизонтальной плоскости), термостат 2, насос 3 высокого давления, сопловой блок 4, емкость 5 для сбора загрязненного моющего раствора и средства для размещения в корпусе 1 одного из испытываемых образцов 6. Указанные средства включают узел 7 крепления образца 6 на трех измерительных штангах 8, расположенных по трем пространственным координатам и оснащенных тензометрическими датчиками 9, расположенными на указанных штангах 8 или на тыльной стороне образца 6. Такое расположение датчиков 9 необходимо для определения нормальных и тангенциальных усилий на испытываемый образец 6 от действия струи 10 моющей среды.
Средства для измерения параметров процесса гидродинамической очистки образца 6 включают также, по крайней мере, один фотоэлектрический датчик 11 и источник 12 светодиодного или лазерного излучения с источником питания 13, расположенные на корпусе 1 с возможностью прохождения потока излучения через герметизированные окна 14, а также через струю 10 моющего раствора в зоне ее сплошной или рассеянной части. Указанная возможность реализуется за счет двух узлов 14, обеспечивающих синхронное управляемое перемещение фотоэлектрического датчика 11 и источника 12 излучения вдоль и поперек струи 10 моющего раствора в диапазоне действительных сечений струи 10 моющей среды.
Аппаратура для усиления и обработки полезного сигнала от указанных тензоэлектрических и фотоэлектрического датчиков включает многоканальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, входящие в состав блока 15 управления установкой, соединенного каналом связи с входным портом персонального компьютера 16, оснащенного программным обеспечением для определения частотных, массовых, пространственных и временных характеристик потока моющей жидкости и воздействующих динамических характеристик на испытываемые образцы. Персональный компьютер 16 оснащен программой на основе программ Labtronic 8 800 или N1 Lab VIEW 8.2 для интегрального анализа указанных характеристик потока моющей жидкости и испытываемых образцов по данным измерений от упомянутых датчиков. Блок 15 управления через управляющие цепи соединен с входами блока 17 питания указанными агрегатами установки: термостатом 2, насосом 3 и узлами 14 для синхронного перемещения источника излучения 12 и датчика 11. На фиг.1 также показаны управляемый клапан 18 для выпуска в емкость 5 загрязненного моющего раствора и съемная крышка 19, предназначенная для смены образцов 6 и профилактиктических работ внутри корпуса 1.
Стенд для исследования процесса гидродинамической очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов функционирует следующим образом.
В герметичный корпус 1 через съемную торцевую крышку 19 на узел 7 крепления устанавливают испытываемый образец 6, на лицевую поверхность которого нанесены слои загрязнений, характерные для исследуемых внутренних поверхностей резервуаров для нефтепродуктов. Исследуемые образцы 6 при этом могут иметь типичную вогнутую, плоскую или иную форму и могут быть установлены нормально или под углом к струе 10 моющей жидкости. После этого закрывают крышку 19 и герметизируют корпус 1. В емкость термостата 2 заливают необходимое количество моющего раствора заданного состава и по заданию блока 15 управления подогревают его до требуемой температуры. Затем вручную или по заранее заданной программе блока 15 управления подключают через блок питания 17 привод насоса 3 высокого давления.
Сопловой блок 4 обеспечивает необходимые направление и скорость струи 10 моющей жидкости в сторону испытываемого образца 6. В результате воздействия струи 10 усилие от нее передается через образец 6 и узел 7 крепления на три измерительные штанги 8, расположенные по трем пространственным координатам. В результате на тензометрических датчиках 9, расположенных на штангах 8, формируются полезные сигналы, пригодные после усиления и обработки в блоке управления 15 для определения реально действующих нормальных и тангенциальных усилий на испытываемый образец 6 от действия струи 10 моющей среды.
Средства для измерения параметров процесса гидродинамической очистки образцов 6 включают также фотоэлектрический датчик 11 и источник 12 светодиодного или лазерного излучения с источником питания 13, обеспечивающие прохождение потока лазерного или светодиодного излучения через струю 10 моющего раствора в зоне ее сплошной или рассеянной части. Путь прохождения излучения программируется блоком 15 управления или обеспечивается оператором вручную. Указанная возможность обеспечивается за счет синхронного перемещения двух узлов 14 для изменения положения фотоэлектрического датчика 11 и источника 12 излучения относительно действительных продольного и поперечного сечений струи 10 моющего раствора.
В состав блока 15 управления входит аппаратура для усиления и обработки сигналов от указанных тензоэлектрических и фотоэлектрического датчиков. Из блока 15 через канал связи полезная информация передается на входной порт персонального компьютера 16, оснащенного указанным программным обеспечением для определения частотных, массовых, пространственных и временных характеристик потока моющей жидкости и воздействующих динамических характеристик на испытываемые образцы. Блок 15 управления совместно с компьютером 16 обеспечивают интегральный анализ указанных характеристик потока моющей жидкости и усилий на испытываемых образцах по данным измерений от упомянутых датчиков. Для определения влияния кривизны поверхности резервуара для нефтепродуктов на силу удара струи при ее взаимодействии с очищаемой поверхностью проводились сравнительные испытания с использованием плоских, цилиндрических и сферических образцов.
Испытания цилиндрических образцов 6 проводились на предложенном стенде, включающем указанные корпус 1, термостат 2 с моющим раствором, насос 3 высокого давления, сопловой блок 4, емкость 5 для сбора загрязненного моющего раствора и средства для размещения в корпусе 1 образцов 6. Средства, включающие узел 7 крепления образца 6, измерительные штанги 8 и тензометрические датчики 9, обеспечивают определение нормальных и тангенциальных усилий на испытываемый образец 6 от действия струи 10 моющей среды. В качестве испытуемых образцов использовались металлические пластины из листовой стали толщиной 1,5-2,5 мм и размером 100 мм и более. Некоторые образцы имели плоскую поверхность, а другие представляли собой цилиндрической сектор с радиусом до 500 мм, который показан на фиг.1.
При проведении испытаний образцы 6 поочередно располагались на фиксированном расстоянии, например 300 мм от среза соплового блока 4, причем плоский образец размещался сначала перпендикулярно к продольной оси струи 10 моющего раствора с содержанием наиболее эффективных реагентов, а затем под углом 45° к этой оси. В качестве основы рабочей жидкости для моющего раствора использовалась вода, которая подавалась из термостата 2 насосом 3 высокого давления с производительностью 30 л/мин и напором до 0,5 МПа. В результате взаимодействия струи 10 жидкости с поверхностью образца 6 с помощью фотоэлектрической системы 11, 12 определялись параметры сплошности струи 10 по длине и сечению, а посредством тензометрической системы измерения с датчиками 9 фиксировалась сила удара струи 10 о поверхность образца 6. После трехкратных или более импульсных воздействий струи 10 на образец 6 моющая жидкость из корпуса 1 через управляемый клапан 18 поступает в емкость 5 для сбора загрязненного моющего раствора и оценки его количества и свойств.
Эксперименты по очистке образцов 6 от стандартных видов загрязнений повторяют несколько раз, причем расхождения в результатах параллельных экспериментов не должны превышать 20%. Одновременно визуально через окно (не показано) в корпусе 1 или после изъятия образца 6 из корпуса 1 оценивается степень чистоты его поверхности. Первоначальная толщина слоя загрязнений на образце 6 и значения этого показателя после каждого цикла промывки на стенде определяются расчетным путем по результатам прецизионного взвешивания образцов.
Незатопленную струю 10 жидкости при экспериментах на работающем стенде по длине можно разделить на три части с различной структурой: компактную (сплошную), раздробленную (многоструйную) и распыленную (капельную или дождевую). Компактная часть струи имеет близкую к цилиндрической форму и сохраняет сплошную структуру. В раздробленной части сплошность жидкого потока нарушается, он разделяется на отдельные струйки и расширяется по сравнению с первоначальными размерами. Распыленная часть струи состоит из отдельных капель, рассеянных в поперечном сечении на значительное расстояние. Для очистки внутренней поверхности резервуара струя моющего раствора должна по возможности иметь компактную структуру. Использование указанного оборудования на стенде позволяет с достаточно высокой точностью определить указанные характеристики струи 10 и эффективность ее воздействия на процесс очистки образцов 6 как в режиме программного, так и ручного управления агрегатами и системами стенда.
Эффективность гидродинамической или струйной очистки поверхностей резервуара от нефтепродуктов зависит от прочностной характеристики отложений и от силы удара струи моющего раствора по загрязненной поверхности. Прочностная характеристика отложений связана с их реологическими и адгезионно-когезионными свойствами, определяющими прочность этих отложений на сдвиг, сжатие, изгиб и другие внешние воздействия. В ряде работ высказывается мнение, что в данном случае решающую роль при гидродинамической очистке поверхностей от нефтяных загрязнений играет статистическое напряжение сдвига, которое замеряется указанными тензометрическими датчиками.
Проведение сравнительных испытаний моющих свойств различных растворов должно предусматривать проведение испытаний их моющих характеристик на первом этапе без использования гидродинамического стенда. После исследования свойств моющих растворов по результатам первого этапа для наиболее эффективных реагентов предусматривается второй этап испытаний, который уже в полной мере моделирует процесс гидродинамической очистки внутренних поверхностей резервуаров. В ходе данных испытаний моделируется реальный процесс гидродинамической очистки с применением растворов, показавших лучшие результаты. Для проведения испытаний в МГАУ им. В.П.Горячкина были спроектированы основные агрегаты указанного стенда и проведены соответствующие испытания на образцах с различными видами загрязнений, типичных для внутренней поверхности резервуаров для нефтепродуктов.