滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜可行性探討

程 杰

（重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司能源環(huán)保研究室，重慶 401122）

1 引言

目前，威金斯煤氣柜有一段式和兩段式，由于兩段式氣柜壓力有突變，在這里重點討論傳統(tǒng)一段式威金斯煤氣柜。

標準的傳統(tǒng)一段式威金斯煤氣柜是在C E C S 267：2009《橡膠膜密封煤氣柜工程施工質(zhì)量驗收規(guī)程》附錄A中橡膠密封儲氣柜簡圖（b）單段式氣柜剖面圖中標明的形式。氣柜活塞拱固定在活塞內(nèi)筒下部，如同一個U活塞內(nèi)筒。我國目前的幾家設(shè)計單位、日本川崎公司、英國M B公司（M o t h e r w e l l B r i d g eL t d）的單段式氣柜都是這種標準式氣柜。

標準單段式氣柜，也有一些不足的地方。首先，活塞內(nèi)筒承受的煤氣外壓力沒有利用煤氣來平衡，這樣設(shè)計出來的活塞內(nèi)筒耗鋼量偏大。如果這個煤氣外壓力沒有足夠考慮，則活塞內(nèi)筒剛性就不夠，活塞內(nèi)筒就容易失穩(wěn)。如果將活塞內(nèi)筒進行加強，則活塞內(nèi)筒耗鋼量也會增大，煤氣柜成本就提高了。

其次，由于活塞拱在最下面，這樣，活塞的浮心就很低（通常說的是氣體對活塞拱的作用中心點），重心與浮心的距離很近，有時活塞的質(zhì)量重心還高于浮心，從而造成煤氣柜活塞重心不穩(wěn)，當活塞快速運行時，活塞容易傾斜。

為了達到較好的穩(wěn)定性，多數(shù)設(shè)計單位采用加大直徑。可缺點就是加大了占地面積，同時，煤氣柜柜頂拱與活塞拱都必須增加強度。或者，還需要增強鋼絲繩平衡錘功能，這樣，煤氣柜柜頂既不安全，也不美觀。

為了克服上述的不足，賽迪提出了一種新思路，滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜，見圖1、圖2。

2 可行性探討

2.1 具有不倒翁的自平衡功能

滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜，就是將煤氣柜的固定活塞拱改成滑動式，這樣，我們就可以將活塞拱在運行時提升到某個最佳位置，讓氣體作用點遠遠高于整個活塞的質(zhì)量重心，猶如不倒翁那樣形成自平衡。特別是當活塞快速上下運動時，這種不倒翁結(jié)構(gòu)的活塞更能適應(yīng)。

圖1 滑動式H型活塞煤氣柜

當活塞上升到H 9的位置后（這時的卡位36號件已經(jīng)起到作用），整個活塞的浮心F′和重心W′就確定了，如果不考慮活塞的制作安裝誤差，根據(jù)力的平衡，在煤氣柜的垂直方向上浮力F與重力W是平衡的，當活塞不傾斜時，浮心F′和重心W′就與鉛垂線重合，即d=0。可是，當活塞傾斜時，浮心F′和重心W′的距離，見h與d形成的受力三角形，由 F（或 W）與 d產(chǎn)生糾偏力矩（F×d），當 h越大，d就越大，那么由F（或W）與d產(chǎn)生的糾偏力矩（F×d）就越大。這就證明，滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜具有不倒翁的自平衡功能。見圖2（c）。

圖2 煤氣柜滑動式H型活塞

2.2 受力方式最佳

我們在大活塞環(huán)里再設(shè)計一個滑動的小活塞，這個小活塞可以按照能滿足整個活塞需要承受的內(nèi)壓力來設(shè)計，這種設(shè)計只承受內(nèi)壓，受力最好，小活塞不帶配重，活塞配重主要布置在大活塞的圓筒桁架內(nèi)。我們的機理是將內(nèi)膽小活塞理解為挑起整個活塞的扁擔。

當滑動式H型活塞拱被煤氣壓力頂升到活塞圓筒中部的某個位置后（圖紙的36號件），這個小活塞拱下面的這段活塞圓筒兩邊受的煤氣壓力就相互正好抵消了，見圖2（b），內(nèi)膽活塞為工作位置。我們在設(shè)計時就只考慮H 9這段活塞圓筒的內(nèi)力，不考慮外壓影響而加強剛度了。另外，由于這個位置之上的那段活塞圓筒高度就比原始高度大大減小（H 3-H 9），因為，在受外壓作用時，這個圓筒高度越短，圓筒的剛性就越好，在滿足同樣的穩(wěn)定前提時，滑動式H型活塞煤氣柜就可以減少耗鋼量。

這種最佳受力是傳統(tǒng)一段式橡膠膜密封柜無法達到的。因為，傳統(tǒng)一段式橡膠膜密封柜的受外壓力就是整個活塞園筒，無法減短。

而傳統(tǒng)兩段式橡膠膜密封柜采用的是串聯(lián)圓筒，T圍欄與活塞段都承受了活塞段平衡重的最大壓力，受力不均。

2.3 簡化糾偏裝置

由于活塞的不倒翁功能明顯，我們不必像傳統(tǒng)一段式煤氣柜那樣，必須設(shè)置鋼絲繩調(diào)平裝置。實際上可以減少鋼絲繩調(diào)平裝置數(shù)量，甚至可以取消鋼絲繩調(diào)平裝置，這樣節(jié)省鋼材，也節(jié)省檢修維護成本，同時也增強了在柜頂行走的安全性，設(shè)備也美觀。

我們用傳統(tǒng)8萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜分析，經(jīng)過分析計算：

當活塞處于全重量運行時，浮心理論上高于重心1427m m；

當活塞處于第一段運行時，浮心理論上高于重心1270m m。

從數(shù)據(jù)上看，好像是穩(wěn)定的，可是這個1m多一點的距離在工程上，如果受到制作精度與安裝精度影響，很難保證浮心高于重心，所以，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煤氣柜必須設(shè)置鋼絲繩調(diào)平裝置。

如果我們采取措施，將活塞上混凝土移至T圍欄下部時，如果將混凝土移至T圍欄底部，則混凝土的重心下降到距離T圍欄底線上1600m m處。

當活塞處于全重量運行時，浮心理論上高于重心3445m m；

當活塞處于第一段運行時，浮心理論上高于重心628m m。

也就是說，將活塞上混凝土移至T圍欄下部時，活塞運行時，重心遠處于浮心之下，活塞運行當然穩(wěn)定了，取掉鋼絲繩調(diào)平裝置就成為可能。

2.4 施工難度簡單

由于活塞拱采用上下滑動的，所以，活塞施工與檢修時處于最低位置，這樣，施工與檢修難度大大降低，同時也降低了施工與檢修成本。

其次，傳統(tǒng)兩段式煤氣柜的T圍欄落地時是擱置在T擋板支架上，由于T擋板支架制造不一定精確，故會造成T圍欄基礎(chǔ)不準。而我們的一段式，減少了制作高度達到8m的T擋板支架的誤差，地面基礎(chǔ)是可以施工得比較準確的，就是活塞落地支架也是比較矮的，最多在2m以內(nèi)，這個高度施工方便，制造精度可以控制很準。

第三，活塞拱為硬拱，而且是幾乎落地的，施工難度小，比新型煤氣柜活塞拱高度還低，因此能保證質(zhì)量。

2.5 死空間最小

在大活塞環(huán)里再套一個小活塞。這樣，小活塞落地后起到了去除固定拱下面這部分空間（俗稱死空間）的功能。另外，由于小活塞拱起點低，而且小活塞向內(nèi)收縮，所以，滑動式H型活塞煤氣柜的死空間是目前橡膠膜密封煤氣柜中最小的，甚至比新型柜還低。

2.6 壓力恒定沒有波動

滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜的運行壓力是恒定的。滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜初看是兩段橡膠膜密封，實際上還是一段橡膠膜密封煤氣柜，因為，小活塞段只是便于改變活塞拱位置。當煤氣進入后，活塞拱運行到設(shè)計位置時，一段橡膠膜密封煤氣柜形成，煤氣繼續(xù)加壓，到整個活塞壓力平衡時，活塞才被提升，行程開始改變，以后的工作狀態(tài)，活塞上下運行，煤氣柜壓力也是維持不變的，這就是典型一段式。這也是滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜發(fā)明最巧妙的地方。

2.7 運行簡單

當煤氣柜投產(chǎn)時，隨著煤氣的進入，內(nèi)膽活塞浮升，當內(nèi)膽活塞運行到小活塞上部定位柱時，小活塞被鎖住無法再上升了，一段式煤氣柜形成了；繼續(xù)進氣，當煤氣平衡壓力大于活塞全部重量后，整個活塞開始升起了，煤氣柜正式進入運行了，而煤氣柜一旦運行，這個小活塞就不會再下來了，煤氣柜的壓力也不會變化了。

當煤氣柜需要落地時，由于我們的活塞拱是可以上下升降的，我們將煤氣放空，這樣內(nèi)膽的活塞就會緩緩落下，直到都落到支架上（1號件）。

2.8 占地面積較小

3 結(jié)論

滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜，構(gòu)思奇特，打破了傳統(tǒng)兩段式橡膠膜密封的固有思維，改變了傳統(tǒng)一段式橡膠膜密封的僵化思維，彌補了固定式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜缺點。

分析證明，滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜是可行的。滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜是集

由于活塞具有不倒翁的自平衡功能，故可將活塞設(shè)計得高聳一點，高徑比相對高一些，這樣直徑可以小一點，占地相對小一些，煤氣柜與其他建構(gòu)筑物就可以靠近布置，從而達到節(jié)省土地的目的。傳統(tǒng)兩段式、傳統(tǒng)一段式和固定式H型優(yōu)點于一體的新型一段式橡膠膜密封煤氣柜。

滑動式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜前景廣闊，是新型煤氣柜的補充，也是新型煤氣柜的有力競爭柜型。

[1]C E C S 267:2009，橡膠膜密封煤氣柜工程施工質(zhì)量驗收規(guī)程[S].

[2]谷中秀.橡膠膜型干式煤氣柜[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3]谷中秀.新型干式煤氣柜[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.