某鋼企威金斯型煤氣柜泄漏故障原因分析

楊 鎮(zhèn)

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海 201900）

引言

為充分利用能源，鋼鐵企業(yè)通常將煉焦、煉鐵以及煉鋼過程中的副產(chǎn)煤氣回收利用。在煤氣回收及輸配過程中需要用到一類重要設(shè)備——煤氣柜。煤氣柜有多種類型，其中用于轉(zhuǎn)爐煤氣的通常為威金斯型煤氣柜。

2010年至2011年期間，某鋼企的一個(gè)威金斯煤氣柜發(fā)生了多次煤氣泄漏故障。為降低設(shè)備運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)，避免此類故障再次發(fā)生，需要對煤氣泄漏原因進(jìn)行分析，從而找到恰當(dāng)?shù)姆佬孤┐胧?/p>

1 煤氣柜基礎(chǔ)信息及其煤氣泄漏故障歷史

該煤氣柜為兩段橡膠膜密封的威金斯柜，容積為8萬m3，儲氣壓力為3 kPa，柜直徑約55 m，柜體總高約48 m，投用于2006年。

2010年6月，該煤氣柜活塞上部斷續(xù)出現(xiàn)CO報(bào)警，量值（100～600）×10-6。8月入柜檢查橡膠膜固定螺栓的緊固情況，并對橡膠膜進(jìn)行捉漏。捉漏未發(fā)現(xiàn)橡膠膜漏點(diǎn)，重新緊固螺栓后設(shè)備投用，投用后活塞上部仍有約200×10-6的CO濃度。半年后該濃度攀升至900×10-6，再度停柜捉漏，在橡膠外膜靠近T擋板連接槽鋼的兜底部位發(fā)現(xiàn)4條裂口和2處位于接縫的潛在脫膠點(diǎn)。裂口照片見圖1(a)，開裂位置如圖2所示。缺陷修補(bǔ)后設(shè)備重新投用，煤氣泄漏情況消失。然而，一年后煤氣柜活塞上部再次檢測到CO泄漏，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)9處漏點(diǎn)，其中大部分漏點(diǎn)同樣位于橡膠外膜靠近T擋板連接槽鋼的兜底部位，性狀為裂口，見圖1(b)。對這些缺陷進(jìn)行橡膠貼補(bǔ)，消除泄漏。但效果并未持續(xù)很久，2011年9月，活塞上部CO濃度從200×10-6攀升至1700×10-6，只能再次停機(jī)檢查。這一次發(fā)現(xiàn)了5個(gè)泄漏點(diǎn)，其中2個(gè)點(diǎn)是上兩次修補(bǔ)脫膠，1個(gè)是新裂口，還有2個(gè)是老位置上的新裂口。裂口形貌見圖1(c)。各次泄漏點(diǎn)位置示意見圖2、圖3統(tǒng)計(jì)信息。

圖1 泄漏點(diǎn)形貌

圖2 密封橡膠外膜泄漏點(diǎn)立面示意圖

圖3 密封裝置泄漏點(diǎn)所在位置的平面示意圖

2 故障原因分析

2.1 泄漏原因分析

根據(jù)文獻(xiàn)記載和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，與威金斯柜密封橡膠膜有關(guān)的泄漏原因主要有兩類：（1）螺栓緊固力不足，導(dǎo)致密封橡膠膜與柜體或與活塞的連接部位出現(xiàn)泄漏通道；（2）密封橡膠膜因?yàn)楦鞣N原因發(fā)生破損開裂，裂口成為泄漏通道。根據(jù)前述故障及處理信息來看，螺栓全面緊固后仍有泄漏現(xiàn)象，說明螺栓問題至少不是導(dǎo)致煤氣柜泄漏的主要原因。而幾次泄漏后的檢查均發(fā)現(xiàn)橡膠外膜出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明橡膠膜開裂才是導(dǎo)致煤氣泄漏的主要原因。

2.2 橡膠膜開裂原因分析

可能導(dǎo)致橡膠膜破損開裂的原因包括：橡膠膜本身質(zhì)量不佳，有薄弱點(diǎn)；橡膠膜使用年限已到；安裝不當(dāng)使得橡膠膜在投用前就受損而留下隱患；煤氣柜使用過程中發(fā)生了撞擊、沖頂、活塞傾斜超標(biāo)等故障，使得橡膠膜因異常受力或受沖撞而產(chǎn)生撕裂；煤氣柜側(cè)板、波紋板等與橡膠膜接觸的構(gòu)件上有尖銳部位，橡膠膜在升降過程中反復(fù)與其碰擦而導(dǎo)致破損；橡膠外膜下垂部位較長，在T擋板著陸臺架時(shí)被卷夾在兩者間，反復(fù)多次被夾軋后出現(xiàn)破損。在這幾種可能原因中，橡膠膜壽命問題和質(zhì)量問題可以首先被排除。由于橡膠膜開裂情況多次重復(fù)出現(xiàn)，并非偶然或一次性現(xiàn)象，表明因安裝不當(dāng)使得橡膠膜在投運(yùn)前就受損的可能性亦可排除。另外，煤氣柜使用記錄表明其運(yùn)行過程中并未發(fā)生過撞擊、沖頂、活塞嚴(yán)重傾斜等重大故障，側(cè)板和波紋板等與橡膠膜發(fā)生接觸的構(gòu)件上也沒有檢查到特別突出或尖銳的部位，因此也基本可排除由此導(dǎo)致橡膠膜破損的可能。如此，橡膠膜被夾壓以致開裂損傷成為最大的可疑情況。

如果橡膠外膜在T擋板著陸時(shí)被卷入T擋板與臺架間而因此受損，其受損部位一定會位于橡膠膜兜底部位，且傷口應(yīng)該沿膜的周向分布。由圖1及圖2可見，不同時(shí)期出現(xiàn)的裂口位置和性狀基本相似，且恰好與上述假設(shè)推理吻合，即：裂口基本均位于橡膠外膜靠近T擋板連接槽鋼的兜底部位；大部分開裂與橡膠接縫無關(guān)，裂口長邊方向基本與煤氣柜周向一致。由此可以推論：橡膠膜開裂應(yīng)與被夾壓有關(guān)。

這一推測在2011年11月的停柜檢查中得到證實(shí)：柜內(nèi)多處橡膠外膜呈現(xiàn)被卷夾現(xiàn)象，如圖4所示。而且，被卷夾部位展開后大多存在開裂現(xiàn)象，即存在圖1所示那樣的裂口。這些裂口并非徹底裂開，而是有所粘連，說明開裂并非一次形成，是多次卷夾和碾軋的結(jié)果。

圖4 某立柱附近橡膠外膜被卷

由此，橡膠膜開裂的原因和過程已明確：在T擋板著陸時(shí)部分橡膠外膜兜底部位被卷入T擋板與其臺架間，隨著煤氣柜吞吐和活塞上下運(yùn)動，T擋板反復(fù)起升和著陸，該部位頻繁受到T擋板下落時(shí)的沖壓和碾軋作用，最終破損開裂，造成煤氣泄漏。

2.3 橡膠膜被卷夾原因分析

2.3.1 橡膠外膜尺寸分析

最容易聯(lián)想到的一條因果鏈為：橡膠外膜高度方向尺寸過長，導(dǎo)致其兜底部位有較長的下垂，當(dāng)T擋板即將下落著陸在T擋板臺架上時(shí)，該下垂兜底部位的橡膠膜將堆疊擱置在臺架的橫梁及斜撐上，并在柜內(nèi)煤氣壓力的推擠作用下卷入T擋板與臺架之間的空間里，造成被卷夾碾壓的后果。這一因果鏈暗示煤氣柜橡膠外膜的高度尺寸有偏大嫌疑。

要回答這一問題，需要關(guān)注兩個(gè)關(guān)鍵尺寸——橡膠外膜有效高度H外，以及外膜兩端安裝位置——即側(cè)板密封角鋼螺孔中心線所在平面與T擋板底部密封槽鋼上表面——之間的相對高差H。這兩者的差值（H外-H）代表了橡膠外膜安裝的張緊程度。差值越小，說明橡膠外膜越緊，其在煤氣柜運(yùn)行的大部分時(shí)間里將可能處于拉伸狀態(tài)；差值越大，則橡膠外膜兜底部位下垂程度越大?？紤]到橡膠外膜兩端安裝位置在直徑方向上存在一定距離，且橡膠膜在壓力作用下會發(fā)生一定變形，差值（H外-H）并非越大越好或者越小越好，而是應(yīng)該有一個(gè)合理的值。因此，要衡量橡膠外膜高度尺寸是否正常，實(shí)際上就是要分析H外和H的設(shè)計(jì)值是否合理。由煤氣柜設(shè)計(jì)圖紙可知，這兩個(gè)尺寸分別被設(shè)計(jì)為H外=10368 mm和H=9982+28=10010 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[1]所述以及收集到的國內(nèi)同類煤氣柜相關(guān)數(shù)據(jù)來看，這一尺寸設(shè)計(jì)的應(yīng)用非常廣泛，對應(yīng)煤氣柜狀態(tài)基本良好，未見普遍出現(xiàn)橡膠被卷夾這一類故障的報(bào)道，說明這套設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟，應(yīng)可排除H外和H設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)南右伞?/p>

由上述分析判斷，橡膠外膜尺寸正常，與被卷夾碾壓及開裂無關(guān)。

2.3.2 煤氣柜運(yùn)行對橡膠外膜狀態(tài)的影響

既然分析認(rèn)為橡膠膜尺寸正常，那么進(jìn)一步分析一套正常的橡膠膜在煤氣柜升壓、升降、泄壓等一系列運(yùn)行過程中可能發(fā)生怎樣的形態(tài)變化。

當(dāng)煤氣柜內(nèi)尚未充入壓力氣體時(shí)——這種情況多發(fā)生在設(shè)備安裝或維修結(jié)束后而未投用前，橡膠內(nèi)外膜均處于不承受壓力的自由狀態(tài)，T擋板也處于著陸位置，這時(shí)橡膠內(nèi)外膜的兜底部位略有下垂，見圖5(a)示意，外膜的下垂量大約等于H外與H差值的三分之一。當(dāng)測試用空氣或煤氣逐漸進(jìn)入柜內(nèi)，橡膠內(nèi)外膜受到氣體壓力作用后會慢慢鼓起，并貼向波紋板一側(cè)，這時(shí)內(nèi)外膜兜底部位的下垂會變成“闌尾”狀，下垂量基本不變，見圖5(b)。當(dāng)氣體壓力形成的力與活塞內(nèi)筒重力平衡后，第一級活塞（見圖2中的活塞板及活塞擋板）升起。在此過程中，橡膠內(nèi)膜會逐漸從貼向波紋板轉(zhuǎn)而貼向內(nèi)筒板，由于橡膠膜自身重力以及膜與波紋板之間摩擦力的作用，內(nèi)膜的“闌尾”會一直保持，直至第一級活塞升至與T擋板接觸的位置時(shí)，由氣體壓力帶來的向上的提拉力將克服上述重力和摩擦力作用，使得整幅橡膠內(nèi)膜完全提拉展開，底部“闌尾”消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫敳抗某觥Ｅc此同時(shí)，T擋板仍處于著陸位置，橡膠外膜的下垂“闌尾”仍舊存在且下垂量不變，見圖5(c)示意。當(dāng)氣體壓力形成的力與一二級活塞總重量相等時(shí)，T擋板升起，橡膠內(nèi)膜保持不變，橡膠外膜逐漸從貼向波紋板轉(zhuǎn)而貼向柜體側(cè)板，類似地，由于橡膠膜自身重力以及膜與波紋板間的摩擦力作用，橡膠外膜兜底部位的下垂并不會消失，見圖5(d)，直到活塞上升至接近最高位，膜與波紋板間的摩擦力被氣體壓力形成的向上的力克服，橡膠外膜得以充分伸展，底部下垂闌尾消失并轉(zhuǎn)化為半球形頂部，見圖5(e)。此后，無論活塞如何升降，只要柜內(nèi)壓力不降低，橡膠膜都將處于伸展?fàn)顟B(tài)，見圖5(f)，不會出現(xiàn)下垂“闌尾”。而當(dāng)柜內(nèi)壓力降低，即發(fā)生“泄壓”時(shí)，橡膠膜與波紋板間的摩擦力會減小，膜會在重力作用下重新下垂，變回圖5(a)狀態(tài)。

由圖5示意的一系列過程可以設(shè)想，如果煤氣柜運(yùn)行過程中活塞沒有升至過最高位并達(dá)到5(e)狀態(tài)，橡膠外膜就將一直以圖5(d)所示形態(tài)運(yùn)行，無法伸展至5(f)的狀態(tài)。這種情況下，外膜底部將始終帶有一個(gè)下垂。而這樣一個(gè)下垂，極有可能在T擋板著陸時(shí)在臺架上時(shí)被卷入碾軋，當(dāng)T擋板著陸頻率很高時(shí)，橡膠外膜下垂兜底部位被卷入T擋板與臺架間就幾乎成了必然發(fā)生的事件。由此可知，在威金斯煤氣柜運(yùn)行操作中有一個(gè)不可缺少的重要步驟，即：在煤氣柜進(jìn)氣投運(yùn)時(shí)，必須進(jìn)行一次接近沖頂?shù)纳癫僮?，使得橡膠外膜得以充分伸展、消除下垂褶皺，達(dá)到圖5(e)所示狀態(tài)。

圖5 氣柜運(yùn)行時(shí)橡膠內(nèi)外膜影響示意圖

至此，橡膠外膜被卷夾的原因已經(jīng)找到，整個(gè)失效事件的因果鏈也已清楚：由于設(shè)備投運(yùn)時(shí)未進(jìn)行橡膠膜拉伸操作，橡膠外膜兜底部位在煤氣柜運(yùn)行過程中始終存在一個(gè)下垂“闌尾”。當(dāng)煤氣柜在壓力變動點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，第一級活塞與第二級活塞在結(jié)合或脫離間轉(zhuǎn)變，相應(yīng)地，二級活塞的組成件T擋板會發(fā)生起升或著陸運(yùn)動。當(dāng)T擋板著陸在固定于柜底板上的T擋板臺架上時(shí)，橡膠外膜兜底部位的下垂可能堆疊在臺架上，并在氣體壓力作用下被推擠入T擋板底部與臺架頂部的空間中，造成夾軋和損傷。由于煤氣柜在不斷納入和吐出煤氣，活塞升降頻率高，每天可能發(fā)生多次T擋板起升和著陸操作，橡膠外膜兜底部位被卷夾的可能性和頻度都較高，不斷積累的損傷最終導(dǎo)致橡膠膜開裂和煤氣泄漏。

需要強(qiáng)調(diào)的是，并非僅在煤氣柜首次投用時(shí)需要充分展開橡膠膜，在每次停柜檢修后重新投運(yùn)時(shí)，橡膠外膜一開始都會處于不受壓的自由下垂?fàn)顟B(tài)，其底部總會有一個(gè)下垂“闌尾”，需要利用上升沖頂來將其展開。實(shí)際上，只要煤氣柜進(jìn)行過泄壓操作，橡膠膜就會發(fā)生下垂，在重新投運(yùn)時(shí)就必須進(jìn)行一次高柜位的橡膠膜拉伸操作，否則橡膠外膜被卷夾的可能性將大為增加。

3 結(jié)論及建議

（1）該威金斯型轉(zhuǎn)爐煤氣柜發(fā)生多次CO超標(biāo)的直接原因是：橡膠外膜破損導(dǎo)致柜內(nèi)煤氣外泄。而橡膠外膜破損的直接原因是：外膜在T擋板著陸時(shí)多次被卷夾在T擋板底部與臺架間并被碾軋，最終破損開裂。

（2）橡膠外膜在T擋板著陸時(shí)被卷夾的原因?yàn)椋合鹉z膜未能充分展開，兜底部位留有下垂“闌尾”，當(dāng)T擋板著陸在臺架上時(shí)，該下垂部位的橡膠膜會堆疊在臺架上，并在煤氣壓力作用下被推擠卷入T擋板與臺架之間的空間內(nèi)，造成夾軋。

（3）除被卷夾的破損部位外，整個(gè)橡膠外膜狀態(tài)良好，而破損部位經(jīng)修補(bǔ)后也不影響使用，因此認(rèn)為該密封橡膠膜還可繼續(xù)使用，尚不必馬上考慮更換。本次檢修結(jié)束后，重新投運(yùn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行一次高柜位沖頂操作，目的是充分展開橡膠外膜，消除下垂“闌尾”，避免橡膠膜再次受損。

（4）在將來的煤氣柜運(yùn)行中，只要煤氣柜進(jìn)行過停柜檢修、更換橡膠膜或其他可能導(dǎo)致柜內(nèi)泄壓的操作，在其重新投運(yùn)時(shí)均需要進(jìn)行一次高柜位的橡膠膜展開操作。