滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜可行性探讨

2014-12-06程杰

冶金动力 2014年9期

程杰

（重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司能源环保研究室，重庆 401122）

1 引言

目前，威金斯煤气柜有一段式和两段式，由于两段式气柜压力有突变，在这里重点讨论传统一段式威金斯煤气柜。

标准的传统一段式威金斯煤气柜是在C E C S 267：2009《橡胶膜密封煤气柜工程施工质量验收规程》附录A中橡胶密封储气柜简图（b）单段式气柜剖面图中标明的形式。气柜活塞拱固定在活塞内筒下部，如同一个U活塞内筒。我国目前的几家设计单位、日本川崎公司、英国M B公司（M o t h e r w e l l B r i d g eL t d）的单段式气柜都是这种标准式气柜。

标准单段式气柜，也有一些不足的地方。首先，活塞内筒承受的煤气外压力没有利用煤气来平衡，这样设计出来的活塞内筒耗钢量偏大。如果这个煤气外压力没有足够考虑，则活塞内筒刚性就不够，活塞内筒就容易失稳。如果将活塞内筒进行加强，则活塞内筒耗钢量也会增大，煤气柜成本就提高了。

其次，由于活塞拱在最下面，这样，活塞的浮心就很低（通常说的是气体对活塞拱的作用中心点），重心与浮心的距离很近，有时活塞的质量重心还高于浮心，从而造成煤气柜活塞重心不稳，当活塞快速运行时，活塞容易倾斜。

为了达到较好的稳定性，多数设计单位采用加大直径。可缺点就是加大了占地面积，同时，煤气柜柜顶拱与活塞拱都必须增加强度。或者，还需要增强钢丝绳平衡锤功能，这样，煤气柜柜顶既不安全，也不美观。

为了克服上述的不足，赛迪提出了一种新思路，滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜，见图1、图2。

2 可行性探讨

2.1 具有不倒翁的自平衡功能

滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜，就是将煤气柜的固定活塞拱改成滑动式，这样，我们就可以将活塞拱在运行时提升到某个最佳位置，让气体作用点远远高于整个活塞的质量重心，犹如不倒翁那样形成自平衡。特别是当活塞快速上下运动时，这种不倒翁结构的活塞更能适应。

图1 滑动式H型活塞煤气柜

当活塞上升到H 9的位置后（这时的卡位36号件已经起到作用），整个活塞的浮心F′和重心W′就确定了，如果不考虑活塞的制作安装误差，根据力的平衡，在煤气柜的垂直方向上浮力F与重力W是平衡的，当活塞不倾斜时，浮心F′和重心W′就与铅垂线重合，即d=0。可是，当活塞倾斜时，浮心F′和重心W′的距离，见h与d形成的受力三角形，由 F（或 W）与 d产生纠偏力矩（F×d），当 h越大，d就越大，那么由F（或W）与d产生的纠偏力矩（F×d）就越大。这就证明，滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜具有不倒翁的自平衡功能。见图2（c）。

图2 煤气柜滑动式H型活塞

2.2 受力方式最佳

我们在大活塞环里再设计一个滑动的小活塞，这个小活塞可以按照能满足整个活塞需要承受的内压力来设计，这种设计只承受内压，受力最好，小活塞不带配重，活塞配重主要布置在大活塞的圆筒桁架内。我们的机理是将内胆小活塞理解为挑起整个活塞的扁担。

当滑动式H型活塞拱被煤气压力顶升到活塞圆筒中部的某个位置后（图纸的36号件），这个小活塞拱下面的这段活塞圆筒两边受的煤气压力就相互正好抵消了，见图2（b），内胆活塞为工作位置。我们在设计时就只考虑H 9这段活塞圆筒的内力，不考虑外压影响而加强刚度了。另外，由于这个位置之上的那段活塞圆筒高度就比原始高度大大减小（H 3-H 9），因为，在受外压作用时，这个圆筒高度越短，圆筒的刚性就越好，在满足同样的稳定前提时，滑动式H型活塞煤气柜就可以减少耗钢量。

这种最佳受力是传统一段式橡胶膜密封柜无法达到的。因为，传统一段式橡胶膜密封柜的受外压力就是整个活塞园筒，无法减短。

而传统两段式橡胶膜密封柜采用的是串联圆筒，T围栏与活塞段都承受了活塞段平衡重的最大压力，受力不均。

2.3 简化纠偏装置

由于活塞的不倒翁功能明显，我们不必像传统一段式煤气柜那样，必须设置钢丝绳调平装置。实际上可以减少钢丝绳调平装置数量，甚至可以取消钢丝绳调平装置，这样节省钢材，也节省检修维护成本，同时也增强了在柜顶行走的安全性，设备也美观。

我们用传统8万m3转炉煤气柜分析，经过分析计算：

当活塞处于全重量运行时，浮心理论上高于重心1427m m；

当活塞处于第一段运行时，浮心理论上高于重心1270m m。

从数据上看，好像是稳定的，可是这个1m多一点的距离在工程上，如果受到制作精度与安装精度影响，很难保证浮心高于重心，所以，传统转炉煤气柜必须设置钢丝绳调平装置。

如果我们采取措施，将活塞上混凝土移至T围栏下部时，如果将混凝土移至T围栏底部，则混凝土的重心下降到距离T围栏底线上1600m m处。

当活塞处于全重量运行时，浮心理论上高于重心3445m m；

当活塞处于第一段运行时，浮心理论上高于重心628m m。

也就是说，将活塞上混凝土移至T围栏下部时，活塞运行时，重心远处于浮心之下，活塞运行当然稳定了，取掉钢丝绳调平装置就成为可能。

2.4 施工难度简单

由于活塞拱采用上下滑动的，所以，活塞施工与检修时处于最低位置，这样，施工与检修难度大大降低，同时也降低了施工与检修成本。

其次，传统两段式煤气柜的T围栏落地时是搁置在T挡板支架上，由于T挡板支架制造不一定精确，故会造成T围栏基础不准。而我们的一段式，减少了制作高度达到8m的T挡板支架的误差，地面基础是可以施工得比较准确的，就是活塞落地支架也是比较矮的，最多在2m以内，这个高度施工方便，制造精度可以控制很准。

第三，活塞拱为硬拱，而且是几乎落地的，施工难度小，比新型煤气柜活塞拱高度还低，因此能保证质量。

2.5 死空间最小

在大活塞环里再套一个小活塞。这样，小活塞落地后起到了去除固定拱下面这部分空间（俗称死空间）的功能。另外，由于小活塞拱起点低，而且小活塞向内收缩，所以，滑动式H型活塞煤气柜的死空间是目前橡胶膜密封煤气柜中最小的，甚至比新型柜还低。

2.6 压力恒定没有波动

滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜的运行压力是恒定的。滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜初看是两段橡胶膜密封，实际上还是一段橡胶膜密封煤气柜，因为，小活塞段只是便于改变活塞拱位置。当煤气进入后，活塞拱运行到设计位置时，一段橡胶膜密封煤气柜形成，煤气继续加压，到整个活塞压力平衡时，活塞才被提升，行程开始改变，以后的工作状态，活塞上下运行，煤气柜压力也是维持不变的，这就是典型一段式。这也是滑动式H型活塞橡胶膜密封煤气柜发明最巧妙的地方。