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干式煤气柜若干问题的探讨

2015/10/27 9:17:48      点击: 文章来源:www.jshhcc.com
1 引言
      20余年来。我国建造的干式气柜已取得了很大的进步。但储气桓毕竟是一种非常专业化的特殊钢结构(设备)。尽管目前全国已经成功的建造了容积从 1000m3到 300000m3。工作压力从 3kPa到12.5kPa数百座气柜,但在设计理论和制作安装等诸多方面尚存在着很多问题,目前不仅国内,而且国际上也没有一本像样技术规范问世。一些似是而非的错误观点广为流传。笔者涉猎此工作多年,体会很多,深感有必要将这些体会和看法提交出来 ,与大家共同探讨,以期进一步提高我国干式气柜的设计和制作安装水平。
2 关于圆筒形和正多边形气柜壳体的比较
      简单的看来,圆筒型气柜壳体似乎比正多边形壳体受力更合理一些。它的外壳在储气压力作用下只承受拉力。而正多边形气柜壳体除了承受拉力,它的直边部分还要承受弯矩 ,因此会产生较大的变形。储气压力越高则圆筒型气柜壳体的优点应该越明显。另外,圆的壳体似乎制作更简单一些。多年来这个看似很简单 。似乎连外行都能明 白的“正确 的”道理一直左右了人们的思维。直到 20世纪末,人们普遍认为高压(工作压力 8kPa以上)气柜应该首选圆筒形气柜,正多边形气柜的工作压力只能在 6kPa以下。事实上气柜不是一个简单的钢构件,它是一个由大量的在工厂制作的构件,然后运输到现场再进行安装的大型钢结构设备。大量构件和大型结构。这一数量上的变化必然会产生质的变化,从量变到质变,以至于有些原来看似合理的事物,变成不合理,这就是辩证法。这一规律在两种气柜的比较中得以生动的体现。
2.1 结构受力的比较
      单从承受内压的角度 ,圆筒形 的合理是无可非议的。但气柜作为大型工艺结构,作用其上的荷载不仅是储气压力 ,还有重力、风荷载等,另外密封装置的压力也是不可忽略的。笔者在马钢 20万 rn3工作压力 10kPa气柜的实测过程中。曾发现在活塞经过的地方,侧板的应变在短期内超过屈服点的现象。这说明局部接触压力对薄板的影响是很大的。这一问题有待进一步深入研究。在多种荷载共同作用的情况下,气柜壳体的内力就不单是拉力,压力和局部的弯矩是不可避免的。这就要求壳体不仅要有一定的延伸刚度,还要有一定的抗弯刚度,以满足强度、刚度和局部稳定的需要。要提高刚度,有两种方法,一是增加壳体的厚度,显然这不是一个好办法,尤其对大体积的壳体,材料的消耗 ,加工成本不说,自重的增加反而对结构不利。二是采用加劲壳体 ,这是大型壳体结构通常采用的方法。实际上所有的气柜壳体在本质上都是加劲柱壳。立柱、横向加劲肋和壁板共同形成一个加劲壳。合理的加劲壳体应该在各个方向的刚度都是均匀的。图 1和图 2是目前典型的两种气柜侧壁结构,可以看到圆筒形气柜的加劲肋间距为 1800mm,截面不开展 ,T形加劲处 的刚度远大于其他部位 ,在 1800IIUTI范围内变形是不均匀的 ,侧压力越大 ,差别将越大。在活塞长期 的运行下 ,可能对结构产生不利的影响。宝钢的 150000m3储气压力8kPa,板厚达 8mm的 Klonne柜 ,目前侧板在活塞运行区普遍出现肉眼可见的波浪状变形,漏气严重,已严重影响使用。当量抗弯刚度不足.冈0度不均匀,残余应力,加上圆筒气柜密封装置的侧向压力较大 ,这应该是侧 向变形较大的原因之一。韩 国浦项钢厂在 20世纪 80年代中后期建造的圆筒形气柜,也出现了类似情况,处于接近报废状态。这一问题,以前很少考虑,应该引起我们重视。而正多边形加劲肋的间距为 700mm,截面开展 ,因此在相同截面面积的情况下 .后者的当量抗弯刚度要明显大于前者,抵抗变形的能力要大一些。此外后者的刚度相对要均匀得多。正多边形气柜在中国已经有 20余年的历史,目前还没有发生过因荷载作用而产生的结构问题,国外也未见有关的报道。按目前的结构形式,圆筒形反而没有正多边形壳体合理。
圆筒形气柜侧壁安装节点示意图
圆弧状的侧板必须采用对接的方法 ,采用搭接则影响活塞的运行。要保证两块板的平滑连接且保证弧度的准确,必须先用大量的螺栓把弧形板夹紧然后两板之间全熔透焊接 (焊缝质量等级要求一级),位于立柱上的两块板的纵缝也要进行全熔透焊接。此后这些大量的螺栓还要再更换为销钉,进行塞焊,以保证密封。焊过之后,内部所有的焊缝必须打磨平滑。这个工作量是很大的。焊接量大,必然焊接变形大,为克服焊接变形,T型钢必须有一定的刚度才能限制变形。但由此会产生较大的残余应力,影响焊缝的质量(有此类气柜焊缝开裂的报道。同时也因此产生了刚度的不均匀。笔者认为圆筒形侧板目前的结构形式应该在增加抗弯刚度和刚度均匀方面加以改进。正因为上述原因,圆筒形气柜侧壁的耗钢量反而略多于正多边形气柜。以 30万气柜为例,圆筒形为 1900t(包括立柱),而正多边形为 1870t。图2是正多边形气柜侧板的连接示意图。
正多边形气柜侧壁安装节点示意图

      首先我们可以看到整个侧板 由一块钢板冷弯成形。没有要焊接的零件,而且是直线构件,其尺寸和外形是很容易控制的。而圆弧板 T型钢要在卷板后再焊上去。不仅工序多且尺寸和外形难以控制。另外可以看到冷弯侧板的截面是 C形,截面的开展,尽管钢板仅 6mm,但在两个方面都有足够的刚度,可以保证运输和安装时不变形。板的两边用模具钻孔,与立柱的孔一一,、对应.可确保气柜的整体尺寸和外形准确。上一块板可直接放在下一块板上,两块板之间是用贴脚焊缝连接的,和立柱的连接也是贴脚焊缝,安装方便可靠。除定位销钉孔要在内部焊后打磨外,其他绝大部分焊缝都在外部,无需打磨。焊缝的质量等级仅要求三级(外观二级)即可。不仅易于焊接,而且焊接变形和残余应力都很小。因此施工周期和安装费用可降低很多。马钢的 20万 m3气柜安装周期仅用了 6个月,而圆筒形气柜虽然没有 20万m3的可以比较,但 目前的实际记录,从 8万 m3到 15万 m3气柜,都在 1年左右。目前我国正多边形的综合整体造价约 10000元,t左右.而圆筒形为 13000元/t左右。
2.4 使用效果的比较
      在实际使用上,目前两种气柜活塞运行的速度和密封效果没有太大区别。已投入生产的活塞实际运行速度都在 1.5m左右。事实上,如果活塞运行的速度太快,会因为稀油大量地粘贴在侧壁上,减少了油沟内的油量,导致密封失效。因此稀油密封气柜活塞运行速度要达到橡胶膜密封气柜活塞运行速度 ,在目前的技术条件下,还没有可能。圆筒型气柜由于油沟油量大,密封环压力大,受此影响会小一些。但由于前面提到的原因,它的局部变形差别大,也影响它的运行速度和密封效果。密封效果还与制造精度有很大的关系,要在长距离范围内,始终保持简体和活塞这两个圆的同心,要困难得多。而对正多边形气柜,活塞与简体偏差的控制要容易些,但是正多边形活塞角部密封要困难些 ,泄漏量大。国内圆筒形气柜目前工作压力最大为 10kPa。正多边形气柜工作压力最大为 12.5kPa。还要提及的是正多边形气柜的密封装置是比较便宜的,目前约 17O0元,m,而圆筒形则高达 11000元/m。
3 气柜环形走道的作用
       多年来环形走道一直认为是气柜重要的结构构件。尤其是在橡胶膜密封气柜,把它称为抗风桁架。其实环形走道的结构作用是十分有限的.气柜的体积越大,作用越有限。对于气柜,内压作用和风荷载作用是主要的荷载作用。在风荷载作用下,气柜的侧向变形分为弯曲变形和剪切变形两部分.环形走道对增加气柜壳体的整体抗弯刚度和抗剪刚度贡献微乎其微,抵抗风荷载主要是靠壳体自身的抗弯刚度和抗剪刚度。笔者曾计算过,单独考虑立柱和环形走道组成的空间框架体系,在风荷载作用下的位移可以达到 1m以上,而壳体在风荷载作用下的位移只有几个厘米。环形走道的间距通常都大于立柱间距的3倍,因此对整个壳体的约束作用不大。在内压作用下,其影响的区域很小,因此对减小内压的作用也
是很有限的。用大型的分析软件分析结构 (另文说明)也证实了上述结论。环形加劲对提高外压作用下壳体的稳定性是有效的。但气柜不存在这个问题。目前由于电梯规范中对安全门的间距不得大于 11m做了强制性规定(不合理),因此导致了一些气柜增加环形走道。这个问题可以用别的办法来解决,不必采用增加走道的方法。毕竟一圈走道的耗钢量也是可观的。
4 关于橡胶膜密封气柜
       以前一直有种说法。橡胶膜密封气柜不能用于高压。且压力波动大。这里要提一下,所谓的高压气柜。在国内就是指工作压力在 8kPa以上的气柜。目前 国内已有数座工作压力为 8kPa的此种气柜投入运行。最长的已安全运行6年。至于由于橡胶膜气柜密封机构分段引起压力波动 的问题 。笔者认为通过合理调整活塞和T围栏的重量 ,是可以把压力波动
减小为5OPa左右。基本上可以满足冶金企业的生产要求。
      橡胶膜密封气柜有很多别的干式气柜无法做到的优点。它制作和安装精度的要求要大大低于圆桶形和多边形气柜。是真正的干式柜。没有油的消耗问题,因此运行成本非常低。活塞运行速度可以达到6m/arin并不怕粉尘,更是其最大的优点,用于转炉煤气的回收是别的气柜无法替代的。在美国。大多数低压干式气柜都是橡胶膜密封气柜。
      近年来我国的橡胶膜制造方面。抗压和抗拉强度、单块膜长都有了很大的进步,这为制造大容积和高工作压力的气柜提供 了有利的条件。