新型高壓干式煤氣柜的密封研究

張文鳳

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢 430223)

1 前言

煤氣柜是鋼鐵企業(yè)對能源綜合利用效率加以提升的一個非常主要的裝置，功能在于對生產(chǎn)中發(fā)生不均衡而瞬間產(chǎn)生過量煤氣加以回收，起著對煤氣輸配、穩(wěn)壓調(diào)峰的關(guān)鍵作用。新型柜干式煤氣柜具有儲氣容積大、儲氣壓力高、密封性能好、吞吐量大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)高爐煤氣、焦爐煤氣的儲存。其目前在用的新型柜的最大儲氣容積達到了45萬m3，儲氣壓力達到15kPa。

新型柜的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由柜頂、柜壁、柜底，以及中間可以上下平動的活塞組成，工作的時候由柜底、柜壁、活塞及稀油密封裝置形成一個封閉的空間，用來存儲煤氣，并且活塞隨著煤氣的進出可以上下平動[1]。新型柜的活塞的周邊設(shè)置有密封油溝，油溝內(nèi)配置了由橡膠密封滑塊、帆布、杠桿重錘機構(gòu)、壓木等組成了密封裝置，并灌注了足夠油封高度的密封油[2]。

密封性能影響著煤氣柜的使用壽命。因此，針對新型干式煤氣柜密封性能提升方面，采取行之有效的手段舉措也就顯得勢在必行。

對于新型干式煤氣柜的密封問題，一直沒有成熟分析計算理論。本文以某鋼廠20萬m315kPa高壓新型干式煤氣柜為例，對煤氣柜密封裝置壓緊力進行計算，詳細分析了煤氣柜柜密封原理，引入計算模型，為新型干式煤氣柜密封性能的提升改進提供了有力的理論基礎(chǔ)。

2 密封分析

新型煤氣柜密封采用橡膠密封帶作為密封裝置的有效密封部件。在壓緊機構(gòu)的作用下，密封橡膠緊貼柜壁，使煤氣基本得到密封。同時，油溝內(nèi)盛裝一定高度的密封油，形成“橡膠密封+油密封”的可靠密封裝置，如圖2所示。

圖1 新型柜的結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 密封原理示意圖

本文關(guān)于高壓煤氣柜的密封研究主要分成兩部分，即橡膠密封研究及密封部位油泄漏的研究。以常用的20萬m3新型柜為例，見表1，對此條件參數(shù)下的密封性能進行分析研究。

表1 20萬m3新型柜主要柜體參數(shù)

2.1 橡膠密封的研究

橡膠密封的基本功能就是盡可能的控制油液的泄漏過量并盡量延長橡膠密封條的使用壽命。關(guān)于橡膠密封部分，其本身具有耐磨、耐油、柔軟的特性，使用壽命長；密封橡膠的材質(zhì)為補強丁晴橡膠，斷面尺寸為85mm×25mm，由于橡膠密封帶的生產(chǎn)是比較成熟和標準的產(chǎn)品，同時密封帶材質(zhì)的改進也是需要做耐摩實驗，也不具備這方面的經(jīng)驗和知識，所以本次的研究并未考慮密封膠帶材質(zhì)的改進；此外，橡膠密封帶上生產(chǎn)已經(jīng)標準化，單條橡膠密封帶截面已經(jīng)確定，所以本文主要考慮是幾條橡膠密封帶并在一起的問題；壓緊力的研究主要要考慮力的大小和力的作用點(力的分布)問題。

新型干式煤氣柜的密封裝置由沿煤氣柜軸線方向上下設(shè)置的兩組密封組件、固定于活塞環(huán)梁上的懸掛構(gòu)件以及由配重、杠桿、鋼絲繩、固定于活塞環(huán)梁上的固定塊、壓板、壓桿、密封組件背梁等組成的壓緊機構(gòu)等組成，如圖3所示。密封組件包括由木塊隔開的上下各兩塊密封橡膠、橡膠墊塊、帆布、夾緊構(gòu)件通過螺桿連接成一整體。密封組件懸掛在活塞環(huán)梁上的懸掛構(gòu)件上,通過壓緊機構(gòu)使密封橡膠緊密貼合于側(cè)板的內(nèi)壁上。帆布一端安裝在兩密封橡膠之間,帆布另一端安裝在活塞環(huán)梁上,利用密封組件自身的夾緊構(gòu)件產(chǎn)生的夾緊力減小相鄰密封橡膠間帆布的縫隙,減少密封油的泄漏量,確保煤氣柜的密封性能。

本文參考《鋼制壓力容器》(GB150-1998)壓力容器法蘭面密封原理，可將密封橡膠帶看成墊片，作用在橡膠密封帶懸掛構(gòu)件上的螺桿看成是螺栓。本項目煤氣柜設(shè)置28根立柱，取兩立柱間的側(cè)板弧長為一個密封單元，一個密封單元中設(shè)置38個密封組件背梁，每兩個密封組件背梁設(shè)置一個壓桿壓緊點。則操作狀態(tài)下帶壓煤氣密封需要的基本壓緊力可按下式計算：

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖

F=2LGbmpc

式中：LG— 壓緊力作用單元長度，mm。本項目按兩立柱間的側(cè)板弧長為一個密封單元長度，為πD/28=6342mm；

b—密封帶有效寬度，mm。按接觸寬度的一半考慮，即50mm；

m—墊片系數(shù)。本項目橡膠肖氏硬度等于75，取1.0；

pc—設(shè)計壓力，MPa。

計算得：F=9513N

壓緊力作用最大間距布置參考螺栓布置為：

式中：db—在法蘭計算中為螺栓孔直徑，本項目可看成是每個密封組件單元的寬度，db應(yīng)該與煤氣柜曲率有關(guān)，曲率越小夾持單元寬度可以適當(dāng)增大，但增大后要考慮每個壓緊點受力的集中而導(dǎo)致局部摩擦力加大，取其值為148mm；

δf—在法蘭計算中為法蘭有效厚度，本項目可看成是密封橡膠帶的厚度，為65mm。

計算得：壓緊力作用最大間距Lmax=556mm。

一個密封單元設(shè)置了19個壓緊點，則兩個壓緊點間的弧長平均為：6342÷19=333.79mm < 556mm，滿足基本壓緊力要求。

每個密封組件單元平均受力為：9513N÷38=250.3N。

通過以上理論計算得出的煤氣基本密封的壓緊力來計算所需加力機構(gòu)重錘的力。若以一個帶配重的杠桿壓緊機構(gòu)為一個計算單元，則一般部位一個壓緊機構(gòu)平均壓緊4個密封組件單元，立柱部位及柱間為3個。則壓緊機構(gòu)傳遞至密封橡膠帶的壓緊力Fp為：

一般部位：Fp=250.34×4=1001.36N

立柱部位及柱間：Fp′=250.34×3=750.02N

煤氣密封需要的基本壓緊力通過壓緊機構(gòu)向密封組件的壓力傳遞，本文選用壓力容器法蘭面密封原理計算得出基本壓緊力，接下來求解壓緊機構(gòu)所需重錘的力。結(jié)構(gòu)上壓緊機構(gòu)的鋼絲繩與安置配重的杠桿連接，另一端與壓板連接；壓桿兩端分別與固定塊和密封組件背梁鉸接。將壓緊構(gòu)件簡化計算原理圖表示所圖4示：

式中a～d-各鉸點間距離，m;

F-鋼絲繩拉力，N；

G-加力機構(gòu)配重的重力，N；

f-根杠桿的壓緊力，N。

圖4 壓緊機構(gòu)原理圖

計算得配重重量：一般部位G=0.36×1001.36=360N；腳部及柱間G′=0.49×750.02=368N。

通過設(shè)計鉸點間距離b可調(diào)，作為對上下兩組密封組件的壓力微調(diào)手段，提高密封組件的密封性能，有利于煤氣柜的安全穩(wěn)定運行和延長煤氣柜的使用壽命。當(dāng)調(diào)整立柱部位及柱間重錘位置至b=0.55m后，整個一般部位密封壓緊力基本均勻。配重的重量可取密封壓力需要總重量的平均值，且便于工程簡化，配重取同一規(guī)格。

2.2 密封部位油泄漏的分析研究

實際使用已經(jīng)驗證活塞無論是在靜止還是在運動過程中都會有泄漏，泄漏同時也有利于密封件的潤滑。本文將密封泄漏分成靜密封泄漏量和動密封泄漏量兩部分來研究。

2.2.1 靜密封泄漏量分析

密封填料將油液與煤氣隔絕，由于安裝制造及鋼板表面粗糙度的原因，密封和氣柜表面充滿了各種不確定的間隙，這就是靜密封產(chǎn)生的基本原因，各種典型間隙如圖5。

圖5 密封間隙模型

將各種情況的泄漏簡化為一個理想狀況下適當(dāng)寬度的環(huán)形縫隙流，即以泄漏量相當(dāng)為確定縫隙寬度的基礎(chǔ)，如圖6所示。

圖6 靜密封簡化模型

根據(jù)標準環(huán)縫流的公式〔4〕。

其中，環(huán)縫寬度δ是由密封面上壓緊力的比壓pc決定，如圖7所示。

圖7 環(huán)縫間隙寬度和比壓的關(guān)系

從以上分析可得到如下結(jié)論：

1)δ和pc與密封材料、柜壁安裝制造都有關(guān)系，不易求得，其為反比關(guān)系。泄漏油量與δ3成正比關(guān)系。所以通過加大pc是比較有效的減少泄漏的途徑，但是效果量化上有困難，同時pc的增加必然會增加密封材料的磨損，這不是最理想的途徑。

2) 對于同樣的δ，泄漏量和壓差、環(huán)縫直徑成正比，與環(huán)縫的長度成反比。

3) 對于煤氣柜的密封來說，首先要保障油液密封的可靠性，因此必須在橡膠密封件兩側(cè)保持必須的壓差，所以要達到減少泄漏最后剩下的比較好的途徑就是增加L(即密封橡膠帶的寬度)。初步考慮還是采用兩段式密封，每段的寬度增加1/3。

4) 為了保持比壓pc不發(fā)生變化，壓緊力相應(yīng)增加1/3。

2.2.2 動密封泄漏量分析

目前所用的密封膠條，在活塞靜止、向上運動、向下運動時密封條狀況如圖8所示，在活塞升降往復(fù)運動過程中，依靠的就是密封帶和柜壁之間的流體膜中的彈性流體動壓作用來實現(xiàn)密封目的。在上下運動過程中，密封帶會將附在柜壁上的大部分密封油刮除，但是總會在表面留下很薄的油膜，形成密封間隙。這個間隙里面帶走的密封油量就是動密封泄漏量。如果能分析出往返行程這個間隙的厚度就能算出運動過程中由于油膜造成的泄漏量。

圖8 動密封接觸模型

密封環(huán)所施加的徑向接觸應(yīng)力由預(yù)緊力和密封流體靜壓力引起的靜壓力分力構(gòu)成，即形成流體的靜態(tài)密封機理〔5〕。彈性流體動壓模型的基本假設(shè)是密封的接觸應(yīng)力分布與膜中的壓力分布相同，即密封間隙的求解以密封的徑向載荷被膜的流體壓力局部抵消為基礎(chǔ)計算。

圖9 間隙中液體膜壓力、速度厚度分布

如圖9所示，活塞上升的過程中，其一維流動的雷諾方程為：

(1)

式中h—油膜高度；

h0′—上升過程中最大壓力處的膜高度；

μ—油液的動力粘度；

V0—活塞運動速度；

假設(shè)壓力梯度為已知，對h(x)進行求解，對式(1)求微分：

(2)

(3)

(4)

將式(4)代入式(1)得到最大壓力點油膜厚：

(5)

如上圖，根據(jù)油膜內(nèi)油液沿厚度方向的分布關(guān)系，

(6)

⑺

1)使用現(xiàn)行矩形對稱截面的橡膠帶密封，活塞升降過程中最大壓力梯度相同，基本上可以認為運動過程沒有增加泄漏；

2)可通過改變升降過程中的最大壓力梯度改變泄漏量，具體改變方式有兩種：橡膠帶的截面形狀，或考慮對橡膠帶進行非對稱加力；如果通過改變橡膠帶密封的截面為非對稱形狀，使ωB盡可能小，ωA盡可能大，這樣就可以減少整個系統(tǒng)的泄漏量，但考慮到采取此種操作密封膠條的加工制造麻煩，因此可以采用非對稱加力，具體可以改變壓力作用點；

3 結(jié)論

本文以某鋼廠20萬m315kPa高壓新型干式煤氣柜為例，以理論分析、數(shù)學(xué)計算等方法為基礎(chǔ)，探討了高壓新型干式煤氣柜密封問題。文章介紹了煤氣柜柜密封原理，詳細分析研究了橡膠密封、油密封及密封部位油泄漏，指出了密封油最大泄漏量發(fā)生在活塞向下運動過程中，提出通過增加密封橡膠帶的寬度并同時增大壓緊力，以及對其施加非對稱壓力的方式可以減小密封油的泄漏量。通過改變?yōu)樾滦透墒矫簹夤衩芊庑阅艿奶嵘倪M提供了有力的理論基礎(chǔ)。