蔡洪濤

(武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢 430205)

引言

橡膠膜干式氣柜與濕式螺旋氣柜相比，具有一次投資費用高、運營費用低、污水排放量小或不排放污水的特點。以8 萬m3煤氣柜相比較，螺旋氣柜年運營費高達209.2 萬元，而前者為49.2 萬元；總投資前者為1 324 萬元，后者為970 萬元[1]。橡膠模干式氣柜與稀油潤滑的干式氣柜、曼型氣柜相比，單位容積的耗鋼量稍大，比如8 萬m3的橡膠膜干式氣柜，該數(shù)值為19.1 kg/m3，而10 萬m3的稀油潤滑、曼型氣柜，其值分別為16.2 kg/m3和16.9 kg/m3[2]。但是，干式氣柜中只有橡膠模干式氣柜適合于介質(zhì)溫度高達72℃、且含塵量高達100 mg/ m3的煤氣，因此，橡膠膜干式氣柜在冶金行業(yè)得到了充分發(fā)展和應(yīng)用。受制于橡膠膜的長度，在單段柜的基礎(chǔ)上發(fā)展了兩段柜，也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高及運行穩(wěn)定性差等問題。近年來，單段式橡膠膜煤氣柜在介質(zhì)和環(huán)境適用性、運行穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性等方面遠遠優(yōu)于稀油密封型煤氣柜和兩段式橡膠膜密封型煤氣柜，已成為煤氣柜中毫無疑問的佼佼者[3]。單段柜向著大型化、高壓化、高速化發(fā)展。目前，單段柜的容積已達到16.5 萬m3。本文提出一種新型的單段橡膠膜氣柜，能進一步減少鋼材耗量，結(jié)構(gòu)更簡單。

1 新型橡膠膜氣柜的結(jié)構(gòu)

如圖1，本氣柜由側(cè)壁板、頂板、底板、活塞、橡膠膜、活塞防止旋轉(zhuǎn)裝置、液體介質(zhì)等組成。在側(cè)壁板頂端圈板上設(shè)置呼吸孔，橡膠膜上端就固定在呼吸孔下方的側(cè)壁版上，下端與活塞邊緣板聯(lián)接。橡膠膜在活塞的整個行程中形成開口向上的“U”形結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的氣柜的“U”形結(jié)構(gòu)是開口向下的。在U 空間沖裝有液體介質(zhì)，在U 空間的最低點有截面為長圓形的剛性環(huán)形構(gòu)件。液體介質(zhì)及環(huán)形構(gòu)件使得橡膠膜保持U形結(jié)構(gòu)。在活塞板上設(shè)置擋液筒，在擋液筒里面布置配重體?？缮炜s的防活塞旋轉(zhuǎn)、晃動的裝置位于活塞的頂點，其上端固定于罐頂板。

圖1 新型氣柜簡圖

2 工作原理

初始時，活塞擱置在位于底板的墊梁上，氣柜處于零容積狀態(tài)。向氣柜送氣，活塞下方空間氣體壓力緩慢上升，直至壓力升到等于、大于活塞組件、液體介質(zhì)等質(zhì)量之和時，活塞開始帶動橡膠膜的短邊一起上升。隨著活塞的上升，U型短邊越來越長，U 型空間容積越來越大，處于活塞上方的液體介質(zhì)向U型空間流動，此時壓力幾乎不會變化，始終等于設(shè)計壓力。當U 型兩邊長度接近相等時，活塞達到最高點，此時應(yīng)停止送氣，氣柜處于最大容積狀態(tài)。呼吸孔設(shè)置在最高層側(cè)壁版上或者氣柜頂上，隨著活塞的上升，活塞上方空間的空氣從呼吸孔排出。

如圖2，在活塞上升和下降過程中，橡膠膜的U型結(jié)構(gòu)必須保持不變。傳統(tǒng)的橡膠膜干式氣柜中使用T形擋板，活塞桁架及波紋板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，都是為了保持橡膠膜的U 形結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，這樣使得橡膠膜能自如地向上翻卷或向下展開。本氣柜使用液體介質(zhì)及下部的截面為長圓形的環(huán)形構(gòu)件來保持U 形近似形狀，使得U 形橡膠膜不影響活塞的升降運動。圖2 所示是最大容積狀態(tài)，A、B 兩點之間承受氣體介質(zhì)壓力的長度最大，B 點處液體壓力也最大，實際上，圖2 是理想的情況，不可能出現(xiàn)。AB長度一般是十多米，或二十多米，橡膠膜AB段左側(cè)液體壓力遠大于氣體壓力P，因此AB 不可能是垂直線。由薄膜理論可知，橡膠膜CD 段上每一點承受的法向壓力由橡膠膜彎曲變形后的兩項薄膜拉力的法向分量來平衡，因此法向壓力越大，則薄膜彎曲越大。實際的情形如圖3 所示。在C 點處前后有一段很短的距離呈鉛直狀態(tài)，C 點處液體壓力等于氣體介質(zhì)壓力P，A 點下方，C 點上方有一段液體壓力小于氣體壓力P，會向側(cè)壁板彎曲。

再考慮DB 段橡膠膜的變形。因為受到長圓形環(huán)外徑的限制，DB 短的下端B點附近應(yīng)該靠近側(cè)壁版，在D 點以下稍微遠點處到B 之間大部分橡膠膜受到的壓力是指向側(cè)壁板的，所以這段橡膠膜是緊貼著側(cè)壁版的，即DB 段會緊貼著側(cè)壁板。因此處于圖3 狀態(tài)的橡膠膜是不會影響活塞的下降運動的。

圖2 橡膠膜理想形狀

圖3 橡膠膜真實形狀

再考慮活塞從最低點上升的情況，參考圖1。U形結(jié)構(gòu)右邊橡膠膜長度處于最短狀態(tài)時，U 形內(nèi)部液體壓力有可能小于氣體介質(zhì)壓力，如果長圓形構(gòu)件不足以撐開U 形的兩邊，則發(fā)生兩層橡膠膜的粘連，兩層膜之間巨大的摩擦力會造成活塞上升不暢，或者撕破橡膠膜。因此，長圓形構(gòu)件的高度不宜太小?；钊^了最低點后，則活塞上方液體介質(zhì)會隨著活塞的上升不斷進入U 形空間，使得U 形空間內(nèi)部液體壓力越來越大，發(fā)生圖3所示的變形。

3 設(shè)計要點

從上述分析可知，合理設(shè)計時，在液體介質(zhì)及長圓形環(huán)構(gòu)件的共同作用下，U 形橡膠膜的形狀是能夠保證的。總結(jié)如下。

（1）本氣柜橡膠膜承受壓力來自于氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)。當活塞處于最高點時，橡膠膜承受的液體壓力最大?？扇〈藭r液體壓力為橡膠膜的設(shè)計壓力，也可取最大液體壓力與氣體介質(zhì)壓力之差為橡膠膜的設(shè)計壓力。2002 年以來，工業(yè)領(lǐng)域開始采用設(shè)計壓力在8～12 kPa 范圍內(nèi)的橡膠膜密封儲氣罐儲存高爐煤氣、電石爐煤氣[4]。本氣柜橡膠膜的承受壓力遠大于傳統(tǒng)氣柜橡膠膜所承受的壓力。因此，對橡膠膜的強度提出了更高要求。目前，橡膠膜的軸向和周向抗拉強度不小于14 MPa[1]。

參看圖3，設(shè)DB的長度為h米（此時活塞處于最高位置，活塞上的液體全部流進橡膠膜，橡膠膜下部圓弧處的壓力最大，氣柜側(cè)壁板高度大于2h），B點處壓力最大。近似計算B 點應(yīng)力。按薄膜理論，將B附近的弧段看作半徑為r圓弧。

若h=20 m，P=12 kPa，δ=6mm，r=300 mm，則σ=9.4 MPa＜14 MPa。δ為橡膠膜厚度。

（2）長圓形構(gòu)件的重量要使得其始終處于U 形結(jié)構(gòu)的最低點。但是也不能片面加大其重量，使得橡膠膜承受額外的拉伸應(yīng)力。長圓形構(gòu)件的重量略略大于其受到的浮力即可。長圓形構(gòu)件的高度按下式計算。式中ρ為液體介質(zhì)密度，p為氣柜設(shè)計壓力，g為重力加速度。

（3）液體介質(zhì)的主要作用是維持橡膠膜的U 形形狀，其容積以活塞處于最高點時液面略低于活塞上表面為準?？筛鶕?jù)圖2 近似計算，然后適當考慮橡膠膜的拉伸變形，適當加大。

（4）AD 的長度直接影響液體介質(zhì)的容積大小，因此，AD 長度宜取較小值，一般為100～200 mm即可。

4 結(jié)論

（1）本氣柜在理論和實踐上是可行的。

（2）本氣柜相比傳統(tǒng)的橡膠膜型氣柜，沒有T型擋板，活塞桁架及波紋板等，結(jié)構(gòu)簡單，單位容積耗鋼量大幅下降。本氣柜活塞組件總高度要比傳統(tǒng)橡膠膜氣柜的小，因此在有效容積相同的情況下，本氣柜側(cè)壁板高度要小些，進一步節(jié)省了鋼材。

（3）本氣柜用液體介質(zhì)（自來水）在冬季氣溫低時會凝固。因此在北方地區(qū)，如果氣體介質(zhì)的熱量不足以使液體介質(zhì)保持液態(tài)，要考慮增加加熱裝置。

（4）本氣柜不能設(shè)計成2段式結(jié)構(gòu)，因為下段的呼吸閥沒有地方安裝。