威金斯气柜橡胶膜运行分析与探讨

马理军

(安阳钢铁股份有限公司，河南安阳 455004)

前言

在转炉煤气回收中，威金斯气柜起着承上启下的重要作用，有效解决了转炉煤气间断回收与用户连续使用之间的矛盾。威金斯气柜利用橡胶膜、侧板、底板、活塞形成一个密闭空间，其中橡胶膜起到了密封煤气的重要作用，橡胶膜的翻卷带动活塞升降实现气柜的进气、吐气作业。在运行中，橡胶膜出现褶皱、伸长或发出异常声音，对气柜的安全运行有较大影响。

1 威金斯气柜橡胶膜概况

安阳钢铁公司动力厂现有威金斯气柜2座，1座为回收一炼轧厂1×100 t 转炉的80 000 m3威金斯气柜(以下简称8 万柜)，投运于2016 年；另1 座为回收二炼轧厂3×150 t 转炉的100 000 m3威金斯气柜(以下简称10 万柜)，投运于2007 年；2 座威金斯气柜均为两级运行，即每座气柜有2套橡胶膜。

橡胶膜起着密封煤气的作用，也是密封环节中最薄弱的部分。橡胶膜与气柜钢结构的连接采用螺栓固定的形式，外膜上部与气柜侧板连接，下部与T 型挡板上部的外侧连接；内膜上部与T 型挡板下部的内侧连接，下部与活塞外侧连接。橡胶膜整体形状为圆筒状，含有两层各夹有尼龙织物相互贴合而成的橡胶制品，双层帘线胶布按45°交叉贴合而成，与空气接触的一面（圆筒内侧）采用氯丁橡胶，表面为麻面；与煤气接触的一面（圆筒外侧）采用丁腈橡胶，表面为光面。

2 橡胶膜运行问题分析

2.1 褶皱

橡胶膜在活塞的运动过程中会形成皱褶，若褶皱长时间存在且无法消除，极易形成裂痕，不利于橡胶膜长周期运行。褶皱现象表现出以下规律：在低柜位或活塞落床状态时无明显显现，随着柜容的升高尤其在高柜位时愈加明显和严重；运行中橡胶膜产生的褶皱多出现在外膜，在内膜上较少发现褶皱；褶皱的呈现形式为顺时针、逆时针或顺时针与逆时针同存在。其原因分析如下。

威金斯气柜的调平系统能自动调整活塞升降时的水平度。调平系统钢丝绳一端与配重块连接，另一端与活塞上部的固定架连接，共设置若干组这种装置；每组调平装置能自动调整活塞在某一个径向的水平，若干组调平装置便能自动地调整活塞在多个径向的水平。

活塞在一级运行中处于较低位置，调平系统钢丝绳与铅垂线形成的夹角较小，其产生的应力对活塞在水平方向上的影响也小。随着活塞上升与T型挡板接触后进入二级运行，钢丝绳与铅垂线的夹角不断增大，如图1所示，夹角α始终小于β，随着活塞的不断上升，夹角也不断增大，调平装置产生的应力作用于活塞逐渐显现，橡胶膜产生了褶皱现象。故在低柜位或活塞落床状态时橡胶膜无明显褶皱；当多组调平装置产生应力方向一致时，橡胶膜呈现顺时针或逆时针的旋转；当应力方向不一致时，橡胶膜会形成水平方向上的漂移，又因橡胶膜与气柜钢结构的连接采用螺栓固定，若安装时橡胶膜上下对应部位的螺丝孔未形成垂线状态，也会增加这种应力的作用，橡胶膜会同时存在顺时针与逆时针方向的皱褶。

图1 活塞在高、低柜位时钢丝绳与铅垂线的夹角

对于内膜为何褶皱较少可解释如下。活塞走台上部设置有立柱数量两倍的橡胶垫，8 万柜为60个，10 万柜为64 个，通过调整橡胶垫可实现活塞与T 型挡板同时接触与分离，保证活塞平稳升降。当气柜在一级运行中，随着气体进入气柜内部，活塞上升带动内膜向上翻卷，直至活塞接触T 型挡板后进入二级运行，活塞与T型挡板同时升降，由于数量众多的橡胶垫的存在，活塞与T 型挡板间的摩擦力和橡胶膜内部产生的压力阻碍了调平装置产生的不均衡应力，故内膜较少出现褶皱现象。

2.2 异常声音与伸长

气柜检修后投运中，在两级运行的末期，外膜和内膜会发出异常声音，T 型挡板和活塞钢结构也伴有轻微振动。

橡胶膜为两层各夹有尼龙织物相互贴合而成的橡胶制品，双层帘线胶布按45°交叉贴合而成，采用多幅拼接形成圆筒状，其直径设计采用中径法，即内膜的直径大于活塞直径而小于T 型挡板内直径。当气体进入柜内，外膜和内膜在气体压力的作用下逐渐鼓起，贴向波纹板一侧，活塞上升带动橡胶膜翻卷，橡胶膜从贴向波纹板一侧不断转向贴近侧板内壁或内筒板，橡胶膜的双层帘线胶布45°交叉贴合的结构形式很好地解决了三者之间直径不同的不利因素，保证了橡胶膜在波纹板和侧板内壁或内筒板间的翻卷运动，但橡胶膜在长期承受伸长与压缩的力后会出现伸长现象。

当气柜内部无压力时橡胶膜处于自由状态，因橡胶膜长期使用、重力和温度等因素的影响出现了伸长现象，外膜和内膜下部可见不同程度的下垂现象。气体进入气柜内部，在气体压力的作用下橡胶膜鼓起并贴向波纹板一侧，橡胶膜的下垂部分由于橡胶膜自身重力以及橡胶膜与波纹板之间摩擦力的作用保持不变形成了一个“尾巴”；活塞上升带动橡胶膜持续不断翻卷，在一级运行的末期，内膜与波纹板间的摩擦力被气体压力形成的向上的力克服，橡胶膜得到伸展同时下部“尾巴”消失，同时橡胶膜发出异常声音并伴有轻微振动。因橡胶膜在周长上的伸长量不一致，伸展及发出异常声音会持续一段时间。同理，在二级运行的末期也会出现类似现象。

振动对气柜钢结构的强度有一定的影响。如果运行中橡胶膜未得到完全伸展，外膜和内膜都存在着活塞回落或落床时被碾轧开裂的可能，存在橡胶膜破裂泄漏煤气的安全隐患。

3 改善措施

（1）新建气柜时，保证橡胶膜、密封部件、钢结构件三者要孔数和孔距相等，并以基准孔为中心来对准，橡胶膜安装时上下端对应的孔要在同一垂线上。

（2）威金斯气柜调平系统由多组调平装置组成，气柜在建设或检修后，保证位于柜顶的同组调平装置的2 个调平导轮和2 个支撑导轮共4 个导轮在一条直线上，用于消除钢丝绳扭曲而产生的导轮轴向应力；同时保证同组的2 个调平导轮、2 个支撑导轮、配重块吊点和活塞上部固定架吊点在同一平面上，形成六点一面，消除调平系统的不平衡应力避免产生橡胶膜褶皱[1]。

（3）气柜新建或检修后，活塞需进行一次全行程的升降，将橡胶膜伸展。

4 进一步探讨

虽然通过运行调整可消除橡胶膜褶皱、伸长及异常声音的不利因素，但竖直方向的伸长对橡胶膜长周期运行仍然不利。

如前所述，橡胶膜在使用中随着活塞升降，其周长不停地发生变化，双层帘线胶布45°交叉贴合的结构形式满足了橡胶膜使用中周长不断变化的要求，很好地解决了橡胶膜与内外侧连接处的三者之间不同直径问题；但这种结构形式使得密封膜在垂直方向上的强度降低，又因橡胶膜长期使用、重力和温度等因素的影响，极易出现竖直方向上较大的伸长。对于近几年新建的单段式威金斯气柜，橡胶膜的长度远大于两段式气柜，在竖直方向上的伸长及形成的尾巴问题，若无法根本性解决，同样存在T 型挡板底部钢结构碾轧橡胶膜的隐患，不利于橡胶膜长周期运行。

探讨采用三层线状帘子布替代现有结构形式，包括橡胶层，在表层橡胶和底层橡胶层之间为按左右45°方向正交的两层线状帘子布，在所述45°方向正交的两层线状帘子布之间还设有一层竖直方向的线状帘子布，三层线状帘子布构成“米”形结构，成为橡胶密封膜的帘子布骨架[2]。橡胶膜不仅在水平方向上具有拉伸变形，在竖直方向上也具有足够的强度且不会拉伸。