橡膠密封膜型干式氣柜設計細節探討

李 松

（武漢金中石化工程有限公司）

隨著國家對環保要求的提高，石化行業對裝置尾氣和排放氣的回收越來越重視，橡膠密封膜型干式氣柜（簡稱氣柜）在企業中的作用越發明顯。 氣柜儲存介質一般為煉廠尾氣，具有易燃、易爆、有毒及腐蝕等特性，儲氣量至少達5 000m3，一旦發生火災、爆炸等安全事故將會產生嚴重的后果，甚至造成人員傷亡。 因此，氣柜的合理化設計、便捷化施工和人性化操作，是保障氣柜安全、經濟和高效運行的前提。 但是，國內目前暫無相應的設計標準，造成氣柜的設計理念多樣化。 筆者將對氣柜設計和施工過程中的3 個細節性問題進行探討，如：氣柜內部的活塞是否需要與氣柜本體（柜頂或柜壁）進行跨接從而完成靜電導出；氣柜壁板（下端儲氣部分）間的連接型式對氣柜安裝、運行有何影響；施工過程中有廠家反映一般設計采用的冷鍍鋅鋼板即便在空置情況下也易出現銹蝕，因此是否有必要將冷鍍鋅變更為熱鍍鋅。

1 活塞靜電導出

氣柜中的活塞在運行過程中是否會產生和積聚靜電，是活塞是否需要與氣柜本體進行跨接連接的前提［1］。

以典型的20 000m3氣柜為例，運行時活塞在柜體中的位置（圖1）大致可分為兩個階段：第1階段，T 圍欄落在T 圍欄架臺上，活塞通過第1 段密封膜與T 圍欄連接， 此時活塞僅在柜底板和T圍欄頂板之間上下運行； 第2 階段， 活塞頂在T圍欄架臺頂面上，T 圍欄通過第2 段密封膜與柜體連接， 此時活塞與T 圍欄可視為一個整體在T圍欄架臺頂面至其最大行程之間運行。 由此可知，無論是哪個階段，運行中的活塞與柜體均由導電性能極差的橡膠密封膜相連，一旦活塞上產生靜電， 將因沒有泄放途徑而出現靜電積聚現象，最終可能導致事故發生。

靜電產生的途徑有3 條：同類或不同類物體間緊密接觸后迅速分離，即物體間的摩擦；物體上附著了帶靜電的微粒； 通過感應或極化作用，使不帶電的物體帶電［1］。 對氣柜而言，首先，煉廠尾氣在進入氣柜之前已經過了水封罐、分液罐和工藝管道的靜電接地，故尾氣本身不會帶有靜電荷；其次，活塞處于封閉的全鋼結構柜體內部，不會因外界電磁場感應使之表面產生不平衡的靜電荷分布；最后，活塞隨尾氣的輸入和排出而上下運行，儲存介質與活塞之間的摩擦，密封膜本身的彎折狀態，尤其在事故狀態時因大量的尾氣涌入，活塞快速上升、摩擦加劇，靜電不可避免地產生，此時就需考慮活塞靜電導出的問題。

圖1 氣柜中活塞運行位置示意圖

在全國已投產且工作狀態良好的氣柜中，極少有活塞與氣柜本體進行跨接連接的，分析其原因可能有兩點：一是活塞在柜體中運動，至少需要3 組調平裝置進行平衡調節，每組調平裝置均通過兩根連接在活塞上的鋼絲繩與柜外調平配重相連（線接觸且非靜電接地標準中規定的靜電接地連接方式）， 構成了至少6 個活塞與柜體的連接點，此時的調平鋼絲繩可能起到臨時導靜電的作用；二是柜體儲存的介質為氣體，而通常純氣體或氣體混合物（與空氣混合）的分子運動產生的靜電很少［2］，且在實際生產中氣柜一般運行平穩，大多將活塞上的靜電量控制在安全范圍內或者為活塞提供了足夠的靜電靜置時間，使它在進行下一步動作前，已將所帶靜電消散至安全值以下。 即使是事故狀態也會通過系統的聯鎖機制將裝置區泄放的大部分尾氣轉向火炬系統燃燒，消除了活塞快速升降的風險，目前來看，活塞不與柜體進行專門的靜電跨接尚能滿足安全生產的要求。 但是，從設計原則（考慮最危險工況）和思路（防患于未然）的角度，筆者認為設置活塞靜電導出是有必要的， 僅需增加幾根跨接用連接線，并未增加更多建設成本，但卻構成保障氣柜安全運行的重要元素。 隨著技術的發展和安全生產意識的提高，例如可測量出運行中的活塞靜電量，就能通過實時觀測的數據來確定最危險工況下是否需設置靜電導出， 及時排除安全隱患，實現設計有據可依、生產安全有保障。

2 柜壁連接型式

氣柜壁板的排板型式與大型儲罐的罐壁排板基本相同，但又有點差別。 氣柜的壁板除自身的連接外，還需通過連接角鋼或直接焊接等型式與柜體周邊均布的若干H 型鋼立柱相連，這些立柱除承受地震載荷和風載荷外，還會分擔一部分的柜壁自重，且氣柜內部介質均為氣體，即使全部充滿，其內部壓力一般也不會超過4kPa，所以氣柜壁板并不會像大型儲罐壁板要受罐體自重、自然條件及儲存介質等載荷的影響，厚度較薄僅需滿足順風向風載荷和剛度要求即可。 因而，柜壁的連接型式除縱、環焊接接頭均為對接連接的連接型式外，還有縱、環焊接接頭均為搭接連接，縱向焊接接頭為對接、環向焊接接頭為搭接的連接型式。 目前，設計院設計的氣柜壁板連接型式大多參照大型儲罐的設計標準采用縱、環向焊接接頭均為對接連接，但有施工方反映因氣柜壁板厚度較薄（一般4.5～6.0mm），對接連接變形量大、難以保證成型質量，希望改用搭接連接。

表1 列出了4 種規格氣柜不同壁板連接型式的用材狀況。 可以看出，隨著氣柜容積的增大，搭接式所耗鋼材量呈逐步上升趨勢，若要改變柜壁的連接型式，必然會導致材料費的增加；氣柜不同于大型儲罐的另一個方面就是其壁板僅需進行焊縫密封性的檢測，這方面的費用搭接與對接并無不同；從施工的難易程度上來說，搭接式在壁板焊接成型質量控制方面比對接式采用的工序少且施工便捷，施工費用少，但據文獻［2］中表1-4 （搭接式與對接式拱頂油罐罐體工程費用及差額計算表）所列的變化趨勢來看，容積越大，搭接式在工程費用上所占的優勢會越小。

表1 不同壁板連接型式的用材狀況

另外， 氣柜的安裝目前普遍采用倒裝法，即在柜底板、活塞底板鋪設完成后，再在地面組裝柜頂，然后利用吊車將柜頂吊起一定高度，從上至下逐圈安裝壁板，直至安裝完成。 這種安裝方法對壁板的連接型式無特定要求，因此搭接式與對接式的主要差別就在于成型質量的控制。 氣柜壁板厚度一般為4.5～6.0mm， 若要將此薄板的焊接變形量控制在設計允許范圍內，則要合理安排焊接工序。 對接焊因不像搭接焊那樣在焊接接頭處有壁板的重疊加強， 焊接變形量更加難以控制，而大的焊接變形量就容易導致柜筒體圓度不易滿足要求，致使活塞在運行過程中刮擦內壁或擠壓橡膠膜，危害氣柜的安全運行。

氣柜壁板在焊接完成后涂刷內、外防腐漆之前， 下部儲氣部分需進行焊接接頭的煤油試漏。搭接焊因外部連續焊、內部間斷焊且壁板在搭接接頭重疊的特點，試漏時極有可能會導致泄漏點被遮蓋或被檢查人員漏查，如在氣柜施工完成后進行的肥皂水試漏時才發現之前隱藏的泄漏點，而此時氣柜內構件和密封膜均已安裝到位，會對焊縫和內部防腐漆的修補施工造成很大的困難。對接焊煤油試漏時，如有泄漏點則會被清晰地觀察到，可以避免后續肥皂水試漏時的漏查問題。

國內大型儲罐標準歷經多次更新換版已完全取消了壁板搭接式焊接結構，一方面說明施工技術在不斷提高，另一方面也說明搭接焊與對接焊相比有一定的劣勢。 氣柜壁板連接形式的設計也是如此， 采用對接焊型式符合技術發展規律，施工單位應積極提升安裝技術水平，建設出超越設計要求的高質量氣柜。

3 波紋板鍍鋅

波紋板位于氣柜內活塞圍欄和T 圍欄的外側（圖2），因該處為橡膠膜活動時的折皺區，故將此處設計為波紋形狀（俯視），以適應橡膠膜的折皺活動， 避免活塞上下運動時產生擠壓損傷。 另外，波紋板緊貼密封膜外側，采用鍍鋅鋼板可有效增加波紋板的耐腐蝕性和耐磨性， 杜絕密封膜因接觸鐵銹而提前老化的可能，延長其使用壽命。

圖2 氣柜中波紋板示意圖

冷鍍鋅又稱電鍍鋅，其表面光滑，無鋅瘤、結塊等缺陷， 可有效保護橡膠膜不被劃傷磨損，但冷鍍鋅鍍層較薄，一般約5～15μm，在施工和搬運過程中很容易損傷鍍鋅層， 施工時需嚴格保護；熱鍍鋅則是鋼板通過熱浸使其鐵基體和外部鋅液形成鐵-鋅合金層，成型表面較冷鍍鋅粗糙，易產生工藝水紋和滴瘤， 且熱浸時鋼板易發生變形，這對經常與之接觸的橡膠膜是不利的，而熱鍍鋅鍍層較厚， 一般在60μm 以上， 甚至可達100μm［3］，在施工及生產階段的防腐蝕性能更強，成本也較冷鍍鋅更低。

目前，國內熱鍍鋅工藝處于不斷完善和進步階段，針對熱鍍鋅鋼板表面質量和變形控制技術也有相應的提高。 若能滿足設計要求，筆者建議盡可能采用經濟性更佳的熱鍍鋅波紋板。

4 結束語

隨著1985 年我國第1 臺橡膠密封膜型干式氣柜的開發， 至今已有30 余年的設計和施工經驗，但氣柜的結構僅經歷了兩代變革，隨著設計和施工水平的提升，氣柜結構的改進還有很大的空間，比如：改變橡膠膜與柜體鋼結構的連接方式，以減少漏氣量；改進活塞立柱的支撐型式，降低氣柜檢修時工人的勞動強度；采用氣動閥代替手動閥，提高危險工況下操作人員的安全保障。

盡管活塞靜電接地、壁板焊接型式、波紋板鍍鋅工藝及其構件的改進等在整個氣柜設計中屬于微小問題，但卻對氣柜的便捷施工、安全運行產生較大的影響。 因而，在設計中應對這些小問題倍加重視，以完善氣柜結構，提高設計質量，降低施工難度，維護業主利益。