王 冀 寧

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

1 概述

氣柜是化工或冶金等工藝過程中會用到的一種特定的儲供氣設備，容積可變化，而壓力相對不變。氣柜根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和工作原理分干式氣柜和濕式氣柜。干式氣柜的工作原理及操作過程類似活塞盤與活塞腔的相對運動，通過調(diào)整活塞盤負重以控制氣柜的儲氣壓力與儲氣空間，活塞盤與活塞腔之間的密封有采用密封條加稀油潤滑型式，也有采用橡膠膜卷簾型式。濕式氣柜的工作原理及操作過程類似扣在儲水槽盤中的浮動鐘罩，儲存在鐘罩及塔節(jié)中的氣體靠水封高度封住，儲氣壓力與儲氣空間通過鐘罩及塔節(jié)的自身重量以及配重塊加以調(diào)整。

濕式氣柜的工業(yè)應用已有很長時間的歷史。按其結(jié)構(gòu)形式大體又可分為直導軌升降式氣柜和螺旋導軌升降式氣柜。氣柜的容積可從幾十立方米到十幾萬立方米；儲氣壓力可從幾十毫米水柱到上千米毫米水柱。氣柜水槽的材料可用鋼制，也可以用混凝土或磚石制。我國于1992年頒布了第一個化工行業(yè)濕式氣柜設計標準HG 20517—92鋼制低壓濕式氣柜[1]，我國于2015年又頒布了第一個工業(yè)濕式氣柜的國家標準GB/T 51094—2015工業(yè)企業(yè)濕式氣柜技術規(guī)范[2]，國標氣柜的設計壓力不大于4 000 Pa，公稱容積為50 m3～100 000 m3，材料為鋼制。

濕式氣柜工作過程的容積變化，即鐘罩和塔節(jié)的升降，主要依賴于自身儲存氣體的流量、壓力以及水的浮力的變化，是個動態(tài)過程。雖然升降動作的速度不大，但由于內(nèi)外密封是水封，且氣體體積龐大，很小的動作偏差和氣體泄漏都會影響結(jié)構(gòu)整體的安全。2018年11月28日凌晨，發(fā)生于河北省張家口市的盛華化工公司的濕式氯乙烯氣柜泄漏導致的重大燃爆事故至今不得不令人震驚。事故的發(fā)生可能是偶然的，也許是巧合，但事故內(nèi)在的隱患因素卻是存在的。所以，探討關注氣柜設計與安全操作的可靠性理念今日仍有意義。

2 氣柜的進出口水封

氣柜的進口水封和出口水封本不屬于氣柜設備的組成部分，屬于單獨的外圍設備，它與氣柜的操作安全緊密相關，見圖1，圖2。在濕式氣柜的氣體進口管道和出口管道上一般會單獨設置進口水封設備和出口水封設備。在只有一根氣體進出口管道的濕式氣柜，俗稱盲腸式氣柜，也會在這根管道上設置進出口水封設備。

不管是兩根管道的氣體進口水封和出口水封，還是一根管道的氣體進出口水封，準確完整的定義其名稱應稱作：氣體進口管安全切斷水封、氣體出口管安全切斷水封和氣體進出口管安全切斷水封。與一般水封設備一樣，該水封也設有進氣管、出氣管、補水管、溢流管、放空管、排凈管，甚至還單獨增設液位計。不過這個水封在氣柜正常工作時它是不工作的，水封中沒有水，水封溢流管上的閥門是處于關閉狀態(tài)的，氣體只是穿過一下空水封。而只有在氣柜處于停車狀態(tài)，如氣柜停下來需要檢修或系統(tǒng)停車維護，水封才充水工作，起切斷氣柜與外部系統(tǒng)聯(lián)系的安全功能。有點類似于裝置與裝置間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間管路上常用的8字形盲板的功能。氣柜的進出口水封看似簡單，但就工藝系統(tǒng)安全必不可少，且很實用，正確合理地設計和使用進出口水封是非常重要的。

3 氣柜進出口管緊急切斷閥

與氣柜進出口水封一樣，氣體進出口管緊急切斷閥也不屬于氣柜主體部分，屬于管路。與氣柜操作安全緊密相關，見圖1，圖2。濕式氣柜的氣體進出口管緊急切斷閥一般設置于進出水槽外壁的根部，該切斷閥一般應是帶有自動儀表控制功能的閥組。控制信號主要源于氣柜鐘罩和塔節(jié)升降操作設計的最高最低限位，當然，該閥組也可設計成同時接收氣柜系統(tǒng)單元的SIS(安全儀表系統(tǒng))的信號,如果SIS系統(tǒng)沒有單獨設有緊急切斷執(zhí)行機構(gòu)的話，可通過該閥組實施緊急切斷功能，SIS系統(tǒng)信號源于現(xiàn)場的有毒氣體、可燃氣體的泄漏探測器或火災等探測器。

氣柜進出口水封與氣柜進出口管緊急切斷閥兩者雖然都有切斷功能，但兩者的性質(zhì)和作用是不一樣的，前者多是主動的，是在氣柜停車狀態(tài)時，后者往往是被動的，是在氣柜工作狀態(tài)時，所以，兩者是不能互相替代的。

4 鐘罩和塔節(jié)的升降控制

氣柜的鐘罩和塔節(jié)的升降速度及位置，也即氣柜儲氣容積的變化，取決于進出氣柜的氣體流量差值，正常操作過程對鐘罩和塔節(jié)的升降速度是不加以專門控制的，但是對鐘罩及塔節(jié)升起的最高位置和鐘罩及塔節(jié)全部落下的最低位置是要加以限制的，不然，高限位置再升高后會發(fā)生拔脫事故，低限位置后繼續(xù)抽氣會抽癟鐘罩頂。

對鐘罩和塔節(jié)升起的高度位置控制，通常是在最高限制位置處設置限位開關，由液壓傳感器輸送信號到控制儀表系統(tǒng)對氣柜進氣管緊急切斷閥和供氣母機進行連鎖操作。新的濕式氣柜標準GB/T 51094—2015給出了“應采用智能型微波物位儀實現(xiàn)對氣柜鐘罩高度的高低位的報警和制動”，即可實現(xiàn)對鐘罩和塔節(jié)升降位置的實時跟蹤。微波物位儀對于直升式氣柜和螺旋式氣柜均適用。不過由于螺旋式氣柜的升降軌跡呈螺旋線形，微波物位儀探測到的水槽液面點不固定，又無導波管，相對精度會受影響。

5 鐘罩和塔節(jié)的自動放散口

對于單節(jié)氣柜，即只有鐘罩的氣柜，通常會在鐘罩升起超過高限的位置設置自動放散口，以防止再繼續(xù)升高后拔脫鐘罩，鐘罩自動放散口見圖3。對于多個塔節(jié)的氣柜，通常是在升起塔節(jié)的最下面那個塔節(jié)的側(cè)壁上設置超限自動放散口，以防止塔節(jié)再升高后拔脫，塔節(jié)自動放散口見圖4。注意，無論是單節(jié)氣柜的鐘罩頂部的自動放散口，還是多塔節(jié)氣柜的最下面那個塔節(jié)側(cè)壁上的自動放散口，放散口的個數(shù)不應少于3，且沿周邊應采用環(huán)向均勻分布。

由前面敘述可知，氣柜鐘罩和塔節(jié)升起的高限位置是設有限位開關或自控儀表報警和連鎖的，為什么還再設自動放散口，仍然是基于安全保護。雖稱作放散口，但需要說明的是這個放散口不同于鐘罩頂部中心的放散口，是不能主動操作的。因為該口的放散過程不是一個平穩(wěn)的放散過程，是一個浮力與重力之間的波動的脈沖式排氣過程，過大的沖擊力與不平衡會造成導輪脫軌或傾覆的風險。該放散口的設立更多的是出于預防監(jiān)控儀表突然失靈等機械式自我保護，這種保護一定是短時效的。

6 氣柜出氣管安全罩帽

當氣柜的塔節(jié)和鐘罩完全落底時，設置于鐘罩頂部的安全罩帽就會罩住氣柜的出氣管的入口，當然對于僅有一根進出氣管的氣柜而言，安全罩帽就置于這根進出氣管的管口上了。安全罩帽的設計主要也是用于防止鐘罩落底后繼續(xù)抽氣時把鐘罩頂抽癟。出氣管安全罩帽見圖5。

由圖5可知，安全罩帽管插入水槽液面應有一定深度，可依據(jù)鐘罩內(nèi)氣體壓力計算確定。出氣管口也應高出水槽液面一定高度，可根據(jù)可能的抽氣負壓值確定。在安全罩帽頂部設置有放空管和放空閥，這是為氣柜開車、停車時置換氣體用。在安全罩帽頂部的放空管根部與鐘罩頂部之間還設置有一旁路和閥門，這是專門針對僅有一根進出氣管的氣柜所用，以便于氣柜開始進氣工作時通過該旁路讓氣體能進入鐘罩內(nèi)浮起鐘罩。對于分別設有進氣管和出氣管的氣柜，這一旁路和閥門是可以不用設的。

對于直升式氣柜，安全罩帽的設置與實施是非常容易和可靠的。但對于螺旋式氣柜，當出氣管直徑比較大時，安全罩帽管的直徑勢必也要很大，要使安全罩帽螺旋旋轉(zhuǎn)落在出氣管口上則會有一定難度，故螺旋式氣柜通常不必設安全罩帽。

7 鐘罩落底后的安全操作

鐘罩落底后的安全操作這里主要指氣柜處于停用狀態(tài)或出于某些原因準備停滯一段時間的操作，并不包括正常操作過程中的鐘罩落底。比如，新氣柜制作試驗完畢待投用這段時間，工廠年檢或大檢修停滯氣柜的時間，或者是停車比較長的間隔時間。氣柜落底處于停用狀態(tài)時一般應作如下安全操作：1)開啟氣柜進出口管上的水封，切斷氣柜與外界管路聯(lián)系；2)對殘存于鐘罩頂部的氣體，特別是有毒的、易燃的、助燃的氣體應進行置換和放空處理；3)長期打開鐘罩頂部及安全罩帽上部的放空閥(指不做水槽排水狀態(tài))，直至重新啟用氣柜。

鐘罩落底后操作不當引起的事故時有發(fā)生，特別是因水槽中水汽蒸發(fā)使鐘罩內(nèi)氣相空間形成負壓造成的罩頂失穩(wěn)屢見不鮮。

8 氣柜泄漏和導軌運行卡頓

濕式氣柜發(fā)生泄漏以局部腐蝕和焊縫缺陷引起的穿孔穿透現(xiàn)象居多，這與氣柜自身構(gòu)造和工作特點有很大關系。濕式氣柜的構(gòu)造基本是由鋼板和型鋼件煨制組焊而成，塔節(jié)和鐘罩的壁板僅有4 mm～5 mm，且連接多為搭接焊縫，再由于塔節(jié)和鐘罩的工作過程是反復出沒于水中，干濕交替、受力交替這些都加速了腐蝕與缺陷的發(fā)展。不過這類泄漏或漏氣也有個特點就是往往不是大面積的和突然的，及時發(fā)現(xiàn)及時處理是關鍵。

鐘罩和塔節(jié)升降工作過程中導輪與導軌的偏離和卡頓現(xiàn)象涉及因素比較多，比如：設計質(zhì)量、加工制造精度、環(huán)境氣溫變化、風載荷雪載荷附加等等。尤其對于一個體量相對較大的有彈性的物體，運動過程受外部因素影響產(chǎn)生稍微的變形偏離和卡頓是可能的。因此，關鍵是及時發(fā)現(xiàn)苗頭，經(jīng)常的調(diào)整維護，防患于未然。

螺旋式氣柜的軌道運行中的偏離和卡頓現(xiàn)象一般多于直升式氣柜，這與其運行軌跡和受力有很大關系。螺旋氣柜的鐘罩和塔節(jié)下行過程的重力沖擊波動對導軌跑偏影響很大，現(xiàn)行的規(guī)范和設計中，螺旋導軌的螺旋升角一般均取45°，適當?shù)販p小這一角度，對運行平穩(wěn)性可能會有利。

氣柜的泄漏與導軌運行卡頓對氣柜安全操作影響很大。僅僅依賴視頻監(jiān)控是難以保障的，現(xiàn)場巡查及時維護是必須的。

9 結(jié)語

濕式氣柜在化工、冶金等的生產(chǎn)過程中使用的數(shù)量雖然不多，但有不可替代的作用。由于濕式氣柜的工作特性是個動態(tài)過程，所以其相對于一般的靜態(tài)儲供氣容器存在有更大的安全風險。因此建立合理的濕式氣柜的設計與安全操作理念是非常重要的。