某钢企威金斯型煤气柜泄漏故障原因分析

杨 镇

（宝山钢铁股份有限公司能源环保部，上海 201900）

引言

为充分利用能源，钢铁企业通常将炼焦、炼铁以及炼钢过程中的副产煤气回收利用。在煤气回收及输配过程中需要用到一类重要设备——煤气柜。煤气柜有多种类型，其中用于转炉煤气的通常为威金斯型煤气柜。

2010年至2011年期间，某钢企的一个威金斯煤气柜发生了多次煤气泄漏故障。为降低设备运行的安全风险，避免此类故障再次发生，需要对煤气泄漏原因进行分析，从而找到恰当的防泄漏措施。

1 煤气柜基础信息及其煤气泄漏故障历史

该煤气柜为两段橡胶膜密封的威金斯柜，容积为8万m3，储气压力为3 kPa，柜直径约55 m，柜体总高约48 m，投用于2006年。

2010年6月，该煤气柜活塞上部断续出现CO报警，量值（100～600）×10-6。8月入柜检查橡胶膜固定螺栓的紧固情况，并对橡胶膜进行捉漏。捉漏未发现橡胶膜漏点，重新紧固螺栓后设备投用，投用后活塞上部仍有约200×10-6的CO浓度。半年后该浓度攀升至900×10-6，再度停柜捉漏，在橡胶外膜靠近T挡板连接槽钢的兜底部位发现4条裂口和2处位于接缝的潜在脱胶点。裂口照片见图1(a)，开裂位置如图2所示。缺陷修补后设备重新投用，煤气泄漏情况消失。然而，一年后煤气柜活塞上部再次检测到CO泄漏，停机检查发现9处漏点，其中大部分漏点同样位于橡胶外膜靠近T挡板连接槽钢的兜底部位，性状为裂口，见图1(b)。对这些缺陷进行橡胶贴补，消除泄漏。但效果并未持续很久，2011年9月，活塞上部CO浓度从200×10-6攀升至1700×10-6，只能再次停机检查。这一次发现了5个泄漏点，其中2个点是上两次修补脱胶，1个是新裂口，还有2个是老位置上的新裂口。裂口形貌见图1(c)。各次泄漏点位置示意见图2、图3统计信息。

图1 泄漏点形貌

图2 密封橡胶外膜泄漏点立面示意图

图3 密封装置泄漏点所在位置的平面示意图

2 故障原因分析

2.1 泄漏原因分析

根据文献记载和相关经验，与威金斯柜密封橡胶膜有关的泄漏原因主要有两类：（1）螺栓紧固力不足，导致密封橡胶膜与柜体或与活塞的连接部位出现泄漏通道；（2）密封橡胶膜因为各种原因发生破损开裂，裂口成为泄漏通道。根据前述故障及处理信息来看，螺栓全面紧固后仍有泄漏现象，说明螺栓问题至少不是导致煤气柜泄漏的主要原因。而几次泄漏后的检查均发现橡胶外膜出现开裂现象，说明橡胶膜开裂才是导致煤气泄漏的主要原因。

2.2 橡胶膜开裂原因分析

可能导致橡胶膜破损开裂的原因包括：橡胶膜本身质量不佳，有薄弱点；橡胶膜使用年限已到；安装不当使得橡胶膜在投用前就受损而留下隐患；煤气柜使用过程中发生了撞击、冲顶、活塞倾斜超标等故障，使得橡胶膜因异常受力或受冲撞而产生撕裂；煤气柜侧板、波纹板等与橡胶膜接触的构件上有尖锐部位，橡胶膜在升降过程中反复与其碰擦而导致破损；橡胶外膜下垂部位较长，在T挡板着陆台架时被卷夹在两者间，反复多次被夹轧后出现破损。在这几种可能原因中，橡胶膜寿命问题和质量问题可以首先被排除。由于橡胶膜开裂情况多次重复出现，并非偶然或一次性现象，表明因安装不当使得橡胶膜在投运前就受损的可能性亦可排除。另外，煤气柜使用记录表明其运行过程中并未发生过撞击、冲顶、活塞严重倾斜等重大故障，侧板和波纹板等与橡胶膜发生接触的构件上也没有检查到特别突出或尖锐的部位，因此也基本可排除由此导致橡胶膜破损的可能。如此，橡胶膜被夹压以致开裂损伤成为最大的可疑情况。

如果橡胶外膜在T挡板着陆时被卷入T挡板与台架间而因此受损，其受损部位一定会位于橡胶膜兜底部位，且伤口应该沿膜的周向分布。由图1及图2可见，不同时期出现的裂口位置和性状基本相似，且恰好与上述假设推理吻合，即：裂口基本均位于橡胶外膜靠近T挡板连接槽钢的兜底部位；大部分开裂与橡胶接缝无关，裂口长边方向基本与煤气柜周向一致。由此可以推论：橡胶膜开裂应与被夹压有关。

这一推测在2011年11月的停柜检查中得到证实：柜内多处橡胶外膜呈现被卷夹现象，如图4所示。而且，被卷夹部位展开后大多存在开裂现象，即存在图1所示那样的裂口。这些裂口并非彻底裂开，而是有所粘连，说明开裂并非一次形成，是多次卷夹和碾轧的结果。

图4 某立柱附近橡胶外膜被卷

由此，橡胶膜开裂的原因和过程已明确：在T挡板着陆时部分橡胶外膜兜底部位被卷入T挡板与其台架间，随着煤气柜吞吐和活塞上下运动，T挡板反复起升和着陆，该部位频繁受到T挡板下落时的冲压和碾轧作用，最终破损开裂，造成煤气泄漏。

2.3 橡胶膜被卷夹原因分析

2.3.1 橡胶外膜尺寸分析

最容易联想到的一条因果链为：橡胶外膜高度方向尺寸过长，导致其兜底部位有较长的下垂，当T挡板即将下落着陆在T挡板台架上时，该下垂兜底部位的橡胶膜将堆叠搁置在台架的横梁及斜撑上，并在柜内煤气压力的推挤作用下卷入T挡板与台架之间的空间里，造成被卷夹碾压的后果。这一因果链暗示煤气柜橡胶外膜的高度尺寸有偏大嫌疑。

要回答这一问题，需要关注两个关键尺寸——橡胶外膜有效高度H外，以及外膜两端安装位置——即侧板密封角钢螺孔中心线所在平面与T挡板底部密封槽钢上表面——之间的相对高差H。这两者的差值（H外-H）代表了橡胶外膜安装的张紧程度。差值越小，说明橡胶外膜越紧，其在煤气柜运行的大部分时间里将可能处于拉伸状态；差值越大，则橡胶外膜兜底部位下垂程度越大。考虑到橡胶外膜两端安装位置在直径方向上存在一定距离，且橡胶膜在压力作用下会发生一定变形，差值（H外-H）并非越大越好或者越小越好，而是应该有一个合理的值。因此，要衡量橡胶外膜高度尺寸是否正常，实际上就是要分析H外和H的设计值是否合理。由煤气柜设计图纸可知，这两个尺寸分别被设计为H外=10368 mm和H=9982+28=10010 mm。根据文献[1]所述以及收集到的国内同类煤气柜相关数据来看，这一尺寸设计的应用非常广泛，对应煤气柜状态基本良好，未见普遍出现橡胶被卷夹这一类故障的报道，说明这套设计已经相当成熟，应可排除H外和H设计不当的嫌疑。

由上述分析判断，橡胶外膜尺寸正常，与被卷夹碾压及开裂无关。

2.3.2 煤气柜运行对橡胶外膜状态的影响

既然分析认为橡胶膜尺寸正常，那么进一步分析一套正常的橡胶膜在煤气柜升压、升降、泄压等一系列运行过程中可能发生怎样的形态变化。

当煤气柜内尚未充入压力气体时——这种情况多发生在设备安装或维修结束后而未投用前，橡胶内外膜均处于不承受压力的自由状态，T挡板也处于着陆位置，这时橡胶内外膜的兜底部位略有下垂，见图5(a)示意，外膜的下垂量大约等于H外与H差值的三分之一。当测试用空气或煤气逐渐进入柜内，橡胶内外膜受到气体压力作用后会慢慢鼓起，并贴向波纹板一侧，这时内外膜兜底部位的下垂会变成“阑尾”状，下垂量基本不变，见图5(b)。当气体压力形成的力与活塞内筒重力平衡后，第一级活塞（见图2中的活塞板及活塞挡板）升起。在此过程中，橡胶内膜会逐渐从贴向波纹板转而贴向内筒板，由于橡胶膜自身重力以及膜与波纹板之间摩擦力的作用，内膜的“阑尾”会一直保持，直至第一级活塞升至与T挡板接触的位置时，由气体压力带来的向上的提拉力将克服上述重力和摩擦力作用，使得整幅橡胶内膜完全提拉展开，底部“阑尾”消失，转变为顶部鼓出。与此同时，T挡板仍处于着陆位置，橡胶外膜的下垂“阑尾”仍旧存在且下垂量不变，见图5(c)示意。当气体压力形成的力与一二级活塞总重量相等时，T挡板升起，橡胶内膜保持不变，橡胶外膜逐渐从贴向波纹板转而贴向柜体侧板，类似地，由于橡胶膜自身重力以及膜与波纹板间的摩擦力作用，橡胶外膜兜底部位的下垂并不会消失，见图5(d)，直到活塞上升至接近最高位，膜与波纹板间的摩擦力被气体压力形成的向上的力克服，橡胶外膜得以充分伸展，底部下垂阑尾消失并转化为半球形顶部，见图5(e)。此后，无论活塞如何升降，只要柜内压力不降低，橡胶膜都将处于伸展状态，见图5(f)，不会出现下垂“阑尾”。而当柜内压力降低，即发生“泄压”时，橡胶膜与波纹板间的摩擦力会减小，膜会在重力作用下重新下垂，变回图5(a)状态。

由图5示意的一系列过程可以设想，如果煤气柜运行过程中活塞没有升至过最高位并达到5(e)状态，橡胶外膜就将一直以图5(d)所示形态运行，无法伸展至5(f)的状态。这种情况下，外膜底部将始终带有一个下垂。而这样一个下垂，极有可能在T挡板着陆时在台架上时被卷入碾轧，当T挡板着陆频率很高时，橡胶外膜下垂兜底部位被卷入T挡板与台架间就几乎成了必然发生的事件。由此可知，在威金斯煤气柜运行操作中有一个不可缺少的重要步骤，即：在煤气柜进气投运时，必须进行一次接近冲顶的升柜操作，使得橡胶外膜得以充分伸展、消除下垂褶皱，达到图5(e)所示状态。

图5 气柜运行时橡胶内外膜影响示意图

至此，橡胶外膜被卷夹的原因已经找到，整个失效事件的因果链也已清楚：由于设备投运时未进行橡胶膜拉伸操作，橡胶外膜兜底部位在煤气柜运行过程中始终存在一个下垂“阑尾”。当煤气柜在压力变动点附近运行时，第一级活塞与第二级活塞在结合或脱离间转变，相应地，二级活塞的组成件T挡板会发生起升或着陆运动。当T挡板着陆在固定于柜底板上的T挡板台架上时，橡胶外膜兜底部位的下垂可能堆叠在台架上，并在气体压力作用下被推挤入T挡板底部与台架顶部的空间中，造成夹轧和损伤。由于煤气柜在不断纳入和吐出煤气，活塞升降频率高，每天可能发生多次T挡板起升和着陆操作，橡胶外膜兜底部位被卷夹的可能性和频度都较高，不断积累的损伤最终导致橡胶膜开裂和煤气泄漏。

需要强调的是，并非仅在煤气柜首次投用时需要充分展开橡胶膜，在每次停柜检修后重新投运时，橡胶外膜一开始都会处于不受压的自由下垂状态，其底部总会有一个下垂“阑尾”，需要利用上升冲顶来将其展开。实际上，只要煤气柜进行过泄压操作，橡胶膜就会发生下垂，在重新投运时就必须进行一次高柜位的橡胶膜拉伸操作，否则橡胶外膜被卷夹的可能性将大为增加。

3 结论及建议

（1）该威金斯型转炉煤气柜发生多次CO超标的直接原因是：橡胶外膜破损导致柜内煤气外泄。而橡胶外膜破损的直接原因是：外膜在T挡板着陆时多次被卷夹在T挡板底部与台架间并被碾轧，最终破损开裂。

（2）橡胶外膜在T挡板着陆时被卷夹的原因为：橡胶膜未能充分展开，兜底部位留有下垂“阑尾”，当T挡板着陆在台架上时，该下垂部位的橡胶膜会堆叠在台架上，并在煤气压力作用下被推挤卷入T挡板与台架之间的空间内，造成夹轧。

（3）除被卷夹的破损部位外，整个橡胶外膜状态良好，而破损部位经修补后也不影响使用，因此认为该密封橡胶膜还可继续使用，尚不必马上考虑更换。本次检修结束后，重新投运时应进行一次高柜位冲顶操作，目的是充分展开橡胶外膜，消除下垂“阑尾”，避免橡胶膜再次受损。

（4）在将来的煤气柜运行中，只要煤气柜进行过停柜检修、更换橡胶膜或其他可能导致柜内泄压的操作，在其重新投运时均需要进行一次高柜位的橡胶膜展开操作。