威金斯氣柜橡膠膜運(yùn)行分析與探討

馬理軍

(安陽鋼鐵股份有限公司，河南安陽 455004)

前言

在轉(zhuǎn)爐煤氣回收中，威金斯氣柜起著承上啟下的重要作用，有效解決了轉(zhuǎn)爐煤氣間斷回收與用戶連續(xù)使用之間的矛盾。威金斯氣柜利用橡膠膜、側(cè)板、底板、活塞形成一個(gè)密閉空間，其中橡膠膜起到了密封煤氣的重要作用，橡膠膜的翻卷帶動(dòng)活塞升降實(shí)現(xiàn)氣柜的進(jìn)氣、吐氣作業(yè)。在運(yùn)行中，橡膠膜出現(xiàn)褶皺、伸長或發(fā)出異常聲音，對氣柜的安全運(yùn)行有較大影響。

1 威金斯氣柜橡膠膜概況

安陽鋼鐵公司動(dòng)力廠現(xiàn)有威金斯氣柜2座，1座為回收一煉軋廠1×100 t 轉(zhuǎn)爐的80 000 m3威金斯氣柜(以下簡稱8 萬柜)，投運(yùn)于2016 年；另1 座為回收二煉軋廠3×150 t 轉(zhuǎn)爐的100 000 m3威金斯氣柜(以下簡稱10 萬柜)，投運(yùn)于2007 年；2 座威金斯氣柜均為兩級(jí)運(yùn)行，即每座氣柜有2套橡膠膜。

橡膠膜起著密封煤氣的作用，也是密封環(huán)節(jié)中最薄弱的部分。橡膠膜與氣柜鋼結(jié)構(gòu)的連接采用螺栓固定的形式，外膜上部與氣柜側(cè)板連接，下部與T 型擋板上部的外側(cè)連接；內(nèi)膜上部與T 型擋板下部的內(nèi)側(cè)連接，下部與活塞外側(cè)連接。橡膠膜整體形狀為圓筒狀，含有兩層各夾有尼龍織物相互貼合而成的橡膠制品，雙層簾線膠布按45°交叉貼合而成，與空氣接觸的一面（圓筒內(nèi)側(cè)）采用氯丁橡膠，表面為麻面；與煤氣接觸的一面（圓筒外側(cè)）采用丁腈橡膠，表面為光面。

2 橡膠膜運(yùn)行問題分析

2.1 褶皺

橡膠膜在活塞的運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)形成皺褶，若褶皺長時(shí)間存在且無法消除，極易形成裂痕，不利于橡膠膜長周期運(yùn)行。褶皺現(xiàn)象表現(xiàn)出以下規(guī)律：在低柜位或活塞落床狀態(tài)時(shí)無明顯顯現(xiàn)，隨著柜容的升高尤其在高柜位時(shí)愈加明顯和嚴(yán)重；運(yùn)行中橡膠膜產(chǎn)生的褶皺多出現(xiàn)在外膜，在內(nèi)膜上較少發(fā)現(xiàn)褶皺；褶皺的呈現(xiàn)形式為順時(shí)針、逆時(shí)針或順時(shí)針與逆時(shí)針同存在。其原因分析如下。

威金斯氣柜的調(diào)平系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整活塞升降時(shí)的水平度。調(diào)平系統(tǒng)鋼絲繩一端與配重塊連接，另一端與活塞上部的固定架連接，共設(shè)置若干組這種裝置；每組調(diào)平裝置能自動(dòng)調(diào)整活塞在某一個(gè)徑向的水平，若干組調(diào)平裝置便能自動(dòng)地調(diào)整活塞在多個(gè)徑向的水平。

活塞在一級(jí)運(yùn)行中處于較低位置，調(diào)平系統(tǒng)鋼絲繩與鉛垂線形成的夾角較小，其產(chǎn)生的應(yīng)力對活塞在水平方向上的影響也小。隨著活塞上升與T型擋板接觸后進(jìn)入二級(jí)運(yùn)行，鋼絲繩與鉛垂線的夾角不斷增大，如圖1所示，夾角α始終小于β，隨著活塞的不斷上升，夾角也不斷增大，調(diào)平裝置產(chǎn)生的應(yīng)力作用于活塞逐漸顯現(xiàn)，橡膠膜產(chǎn)生了褶皺現(xiàn)象。故在低柜位或活塞落床狀態(tài)時(shí)橡膠膜無明顯褶皺；當(dāng)多組調(diào)平裝置產(chǎn)生應(yīng)力方向一致時(shí)，橡膠膜呈現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)；當(dāng)應(yīng)力方向不一致時(shí)，橡膠膜會(huì)形成水平方向上的漂移，又因橡膠膜與氣柜鋼結(jié)構(gòu)的連接采用螺栓固定，若安裝時(shí)橡膠膜上下對應(yīng)部位的螺絲孔未形成垂線狀態(tài)，也會(huì)增加這種應(yīng)力的作用，橡膠膜會(huì)同時(shí)存在順時(shí)針與逆時(shí)針方向的皺褶。

圖1 活塞在高、低柜位時(shí)鋼絲繩與鉛垂線的夾角

對于內(nèi)膜為何褶皺較少可解釋如下?；钊吲_(tái)上部設(shè)置有立柱數(shù)量兩倍的橡膠墊，8 萬柜為60個(gè)，10 萬柜為64 個(gè)，通過調(diào)整橡膠墊可實(shí)現(xiàn)活塞與T 型擋板同時(shí)接觸與分離，保證活塞平穩(wěn)升降。當(dāng)氣柜在一級(jí)運(yùn)行中，隨著氣體進(jìn)入氣柜內(nèi)部，活塞上升帶動(dòng)內(nèi)膜向上翻卷，直至活塞接觸T 型擋板后進(jìn)入二級(jí)運(yùn)行，活塞與T型擋板同時(shí)升降，由于數(shù)量眾多的橡膠墊的存在，活塞與T 型擋板間的摩擦力和橡膠膜內(nèi)部產(chǎn)生的壓力阻礙了調(diào)平裝置產(chǎn)生的不均衡應(yīng)力，故內(nèi)膜較少出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。

2.2 異常聲音與伸長

氣柜檢修后投運(yùn)中，在兩級(jí)運(yùn)行的末期，外膜和內(nèi)膜會(huì)發(fā)出異常聲音，T 型擋板和活塞鋼結(jié)構(gòu)也伴有輕微振動(dòng)。

橡膠膜為兩層各夾有尼龍織物相互貼合而成的橡膠制品，雙層簾線膠布按45°交叉貼合而成，采用多幅拼接形成圓筒狀，其直徑設(shè)計(jì)采用中徑法，即內(nèi)膜的直徑大于活塞直徑而小于T 型擋板內(nèi)直徑。當(dāng)氣體進(jìn)入柜內(nèi)，外膜和內(nèi)膜在氣體壓力的作用下逐漸鼓起，貼向波紋板一側(cè)，活塞上升帶動(dòng)橡膠膜翻卷，橡膠膜從貼向波紋板一側(cè)不斷轉(zhuǎn)向貼近側(cè)板內(nèi)壁或內(nèi)筒板，橡膠膜的雙層簾線膠布45°交叉貼合的結(jié)構(gòu)形式很好地解決了三者之間直徑不同的不利因素，保證了橡膠膜在波紋板和側(cè)板內(nèi)壁或內(nèi)筒板間的翻卷運(yùn)動(dòng)，但橡膠膜在長期承受伸長與壓縮的力后會(huì)出現(xiàn)伸長現(xiàn)象。

當(dāng)氣柜內(nèi)部無壓力時(shí)橡膠膜處于自由狀態(tài)，因橡膠膜長期使用、重力和溫度等因素的影響出現(xiàn)了伸長現(xiàn)象，外膜和內(nèi)膜下部可見不同程度的下垂現(xiàn)象。氣體進(jìn)入氣柜內(nèi)部，在氣體壓力的作用下橡膠膜鼓起并貼向波紋板一側(cè)，橡膠膜的下垂部分由于橡膠膜自身重力以及橡膠膜與波紋板之間摩擦力的作用保持不變形成了一個(gè)“尾巴”；活塞上升帶動(dòng)橡膠膜持續(xù)不斷翻卷，在一級(jí)運(yùn)行的末期，內(nèi)膜與波紋板間的摩擦力被氣體壓力形成的向上的力克服，橡膠膜得到伸展同時(shí)下部“尾巴”消失，同時(shí)橡膠膜發(fā)出異常聲音并伴有輕微振動(dòng)。因橡膠膜在周長上的伸長量不一致，伸展及發(fā)出異常聲音會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。同理，在二級(jí)運(yùn)行的末期也會(huì)出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

振動(dòng)對氣柜鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有一定的影響。如果運(yùn)行中橡膠膜未得到完全伸展，外膜和內(nèi)膜都存在著活塞回落或落床時(shí)被碾軋開裂的可能，存在橡膠膜破裂泄漏煤氣的安全隱患。

3 改善措施

（1）新建氣柜時(shí)，保證橡膠膜、密封部件、鋼結(jié)構(gòu)件三者要孔數(shù)和孔距相等，并以基準(zhǔn)孔為中心來對準(zhǔn)，橡膠膜安裝時(shí)上下端對應(yīng)的孔要在同一垂線上。

（2）威金斯氣柜調(diào)平系統(tǒng)由多組調(diào)平裝置組成，氣柜在建設(shè)或檢修后，保證位于柜頂?shù)耐M調(diào)平裝置的2 個(gè)調(diào)平導(dǎo)輪和2 個(gè)支撐導(dǎo)輪共4 個(gè)導(dǎo)輪在一條直線上，用于消除鋼絲繩扭曲而產(chǎn)生的導(dǎo)輪軸向應(yīng)力；同時(shí)保證同組的2 個(gè)調(diào)平導(dǎo)輪、2 個(gè)支撐導(dǎo)輪、配重塊吊點(diǎn)和活塞上部固定架吊點(diǎn)在同一平面上，形成六點(diǎn)一面，消除調(diào)平系統(tǒng)的不平衡應(yīng)力避免產(chǎn)生橡膠膜褶皺[1]。

（3）氣柜新建或檢修后，活塞需進(jìn)行一次全行程的升降，將橡膠膜伸展。

4 進(jìn)一步探討

雖然通過運(yùn)行調(diào)整可消除橡膠膜褶皺、伸長及異常聲音的不利因素，但豎直方向的伸長對橡膠膜長周期運(yùn)行仍然不利。

如前所述，橡膠膜在使用中隨著活塞升降，其周長不停地發(fā)生變化，雙層簾線膠布45°交叉貼合的結(jié)構(gòu)形式滿足了橡膠膜使用中周長不斷變化的要求，很好地解決了橡膠膜與內(nèi)外側(cè)連接處的三者之間不同直徑問題；但這種結(jié)構(gòu)形式使得密封膜在垂直方向上的強(qiáng)度降低，又因橡膠膜長期使用、重力和溫度等因素的影響，極易出現(xiàn)豎直方向上較大的伸長。對于近幾年新建的單段式威金斯氣柜，橡膠膜的長度遠(yuǎn)大于兩段式氣柜，在豎直方向上的伸長及形成的尾巴問題，若無法根本性解決，同樣存在T 型擋板底部鋼結(jié)構(gòu)碾軋橡膠膜的隱患，不利于橡膠膜長周期運(yùn)行。

探討采用三層線狀簾子布替代現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式，包括橡膠層，在表層橡膠和底層橡膠層之間為按左右45°方向正交的兩層線狀簾子布，在所述45°方向正交的兩層線狀簾子布之間還設(shè)有一層豎直方向的線狀簾子布，三層線狀簾子布構(gòu)成“米”形結(jié)構(gòu)，成為橡膠密封膜的簾子布骨架[2]。橡膠膜不僅在水平方向上具有拉伸變形，在豎直方向上也具有足夠的強(qiáng)度且不會(huì)拉伸。