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(diǎn)討論傳統(tǒng)一段式威金斯煤氣柜。

標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)收規(guī)程》附錄A中橡膠密封儲(chǔ)氣柜簡(jiǎn)圖（b）單段式氣柜剖面圖中標(biāo)明的形式。氣柜活塞拱固定在活塞內(nèi)筒下部，如同一個(gè)U活塞內(nèi)筒。我國目前的幾家設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)式氣柜。

標(biāo)準(zhǔn)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(jì)出來的活塞內(nèi)筒耗鋼量偏大。如果這個(gè)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(jìn)行加強(qiáng)，則活塞內(nèi)筒耗鋼量也會(huì)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(duì)活塞拱的作用中心點(diǎn)），重心與浮心的距離很近，有時(shí)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(dāng)活塞快速運(yùn)行時(shí)，活塞容易傾斜。

為了達(dá)到較好的穩(wěn)定性，多數(shù)設(shè)計(jì)單位采用加大直徑?？扇秉c(diǎn)就是加大了占地面積，同時(shí)，煤氣柜柜頂拱與活塞拱都必須增加強(qiáng)度?；蛘撸€需要增強(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)式，這樣，我們就可以將活塞拱在運(yùn)行時(shí)提升到某個(gè)最佳位置，讓氣體作用點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于整個(gè)活塞的質(zhì)量重心，猶如不倒翁那樣形成自平衡。特別是當(dāng)活塞快速上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種不倒翁結(jié)構(gòu)的活塞更能適應(yīng)。

圖1 滑動(dòng)式H型活塞煤氣柜

當(dāng)活塞上升到H 9的位置后（這時(shí)的卡位36號(hào)件已經(jīng)起到作用），整個(gè)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(dāng)活塞不傾斜時(shí)，浮心F′和重心W′就與鉛垂線重合，即d=0?？墒?，當(dāng)活塞傾斜時(shí)，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(dāng) 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(dòng)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(dòng)式H型活塞

2.2 受力方式最佳

我們?cè)诖蠡钊h(huán)里再設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)的小活塞，這個(gè)小活塞可以按照能滿足整個(gè)活塞需要承受的內(nèi)壓力來設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)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(jī)理是將內(nèi)膽小活塞理解為挑起整個(gè)活塞的扁擔(dān)。

當(dāng)滑動(dòng)式H型活塞拱被煤氣壓力頂升到活塞圓筒中部的某個(gè)位置后（圖紙的36號(hào)件），這個(gè)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?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)剛度了。另外，由于這個(gè)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?yàn)?，在受外壓作用時(shí)，這個(gè)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(shí)，滑動(dòng)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(dá)到的。因?yàn)?，傳統(tǒng)一段式橡膠膜密封柜的受外壓力就是整個(gè)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(jiǎn)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(shí)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(hù)成本，同時(shí)也增強(qiáng)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(jì)算：

當(dāng)活塞處于全重量運(yùn)行時(shí)，浮心理論上高于重心1427m m；

當(dāng)活塞處于第一段運(yùn)行時(shí)，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(gè)1m多一點(diǎn)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(shí)，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(dāng)活塞處于全重量運(yùn)行時(shí)，浮心理論上高于重心3445m m；

當(dāng)活塞處于第一段運(yùn)行時(shí)，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(shí)，活塞運(yùn)行時(shí)，重心遠(yuǎn)處于浮心之下，活塞運(yùn)行當(dāng)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(jiǎn)單

由于活塞拱采用上下滑動(dòng)的，所以，活塞施工與檢修時(shí)處于最低位置，這樣，施工與檢修難度大大降低，同時(shí)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(shí)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(huì)造成T圍欄基礎(chǔ)不準(zhǔn)。而我們的一段式，減少了制作高度達(dá)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(zhǔn)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(gè)高度施工方便，制造精度可以控制很準(zhǔn)。

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(gè)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(diǎn)低，而且小活塞向內(nèi)收縮，所以，滑動(dòng)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(dòng)

滑動(dòng)式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜的運(yùn)行壓力是恒定的?；瑒?dòng)式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜初看是兩段橡膠膜密封，實(shí)際上還是一段橡膠膜密封煤氣柜，因?yàn)?，小活塞段只是便于改變活塞拱位置。?dāng)煤氣進(jìn)入后，活塞拱運(yùn)行到設(shè)計(jì)位置時(shí)，一段橡膠膜密封煤氣柜形成，煤氣繼續(xù)加壓，到整個(gè)活塞壓力平衡時(shí)，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(yùn)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(dòng)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(yùn)行簡(jiǎn)單

當(dāng)煤氣柜投產(chǎn)時(shí)，隨著煤氣的進(jìn)入，內(nèi)膽活塞浮升，當(dāng)內(nèi)膽活塞運(yùn)行到小活塞上部定位柱時(shí)，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(jìn)氣，當(dāng)煤氣平衡壓力大于活塞全部重量后，整個(gè)活塞開始升起了，煤氣柜正式進(jìn)入運(yùn)行了，而煤氣柜一旦運(yùn)行，這個(gè)小活塞就不會(huì)再下來了，煤氣柜的壓力也不會(huì)變化了。

當(dāng)煤氣柜需要落地時(shí)，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(huì)緩緩落下，直到都落到支架上（1號(hào)件）。

2.8 占地面積較小

3 結(jié)論

滑動(dòng)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(bǔ)了固定式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜缺點(diǎn)。

分析證明，滑動(dòng)式H型活塞橡膠膜密封煤氣柜是可行的?；瑒?dòng)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(jì)得高聳一點(diǎn)，高徑比相對(duì)高一些，這樣直徑可以小一點(diǎn)，占地相對(duì)小一些，煤氣柜與其他建構(gòu)筑物就可以靠近布置，從而達(dá)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(diǎn)于一體的新型一段式橡膠膜密封煤氣柜。

滑動(dòng)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(bǔ)充，也是新型煤氣柜的有力競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)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.