干式气柜里的辩证法
2015/10/29 9:37:39 点击: 文章来源:www.jshhcc.com
世界上第一个 实际的储气柜建丁1800年英国苏哈 (Soho)铁厂,它是利 }fj水槽的升降米密封煤气 ,这种气柜一直到现在仍有使刚 。由 是川水封 ,与后来的储气柜密封形式有别,习惯上称为湿式气柜 。1915年另一种新型的储气柜在德国建成 ,它是朋浮在煤气上面,沿刚性的柱壳体内上下运动的活塞米储存煤气。活塞的四周是油沟 ,油沟 内是可循环的煤焦油,以此米密封煤气 。先期 ,这种气柜也有 圆筒形型的,后来逐步改为正多边形,称为M.A.N式气柜。从上世纪五十年代起,煤焦油改为特制的密封油。其密封装置从 70年代将重锤压紧式改为弹簧乐紧式。现在称为正多边形稀油密封气柜。1926年德国的 Klonne公司将活塞 的油沟加煤焦油的形式改为重锤压紧盘根加干油脂,柜体为圆筒形,称为 Klonne式气柜 。这几年在我国建造 了 Poe新型柜 ,其实整体结构与Klonne柜没什么区别,只是密封的形式有所改进,增加 了稀油,盘根 改进为特制 的橡胶 ,基本形式还是重锤压紧盘根 ,它应该称 为圆筒形稀油密封气柜 。
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刚下只承受拉力 。而正多边形气柜壳体除了承受拉力,它的直边部份还要承受弯矩,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 。近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。这个道理果真是正确 的吗?非矣 !事实上气柜不是一个简单的钢构什,它不是一个通过少量的加J二程序就可以制造 出来的小型容器 。它是一个 由人量的在1:厂制作的构件,然后运输到现场再进行安装的大型特种钢结构 。此外 ,气柜内部还有一个需要既能保持压力 、密封气体 ,又能平滑 的上下运动的活塞 。尽管在原理上和汽缸类似,但它的容积却是普通设备用的汽缸的数十万倍。火量构件和大型钢结构 ,这些数量上的变化必然产生会产生质的变化,,以至 丁有些原来看似合理 的事物,变成不合理。这就是辩证法 。从量变到质变,这一规律在两种气柜的比较中得以生动的体现 。
2 壳体受力的比较
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 I艺结构,作用其上的荷载作用不仅是储气压力,还有重力,风荷载等 ,另外密封装置的压力也是不可忽略的作用。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 ,白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。 1和 2是 目前典型的两种气柜侧壁结构,可以看剑 筒形气柜的加勘肋 间距 为 1800mm,截面不开展 ,T形加 劲 处 的 刚 度 远 人 丁其 它 部 位 , 住1800mm 范罔内变形是不均匀的,侧压力越人,差别将越人。在活塞 K期的运行 卜,会对结构产生不利的影响。笔者在某钢厂20万 m I:作压力 10kPa气柜的实测过中,曾发现住活塞经过时,靠近立柱的侧极 的局部 域,其应变往短期 内超过屈服点的现象,这说明局部接触压力和局部应力集中对薄板 的影响是很人的,这一问题有待进一步深入研究。某钢厂的 150,000m储 气 压 力 8kPa,板 厚 达 8arm 的 可 隆(Klonne)柜 ,目前侧板在活塞运行 普遍 山现 肉眼可见的波浪状变形,漏气严重 ,已决定换板人修。当量抗弯刚度不足,刚度不均匀,残余应力,加上圆筒形气柜密封装置的侧向压力较人,这应该是侧向变形较人的原冈。韩国浦项钢厂在 80年代中斤期建造的 3库圆筒形气柜,也出现了类似情况,处 丁I接近报废状态。这一问题 ,以前很少考虑,现在应该引起我们重视 。而正多边形加劲肋的间距为 700,截面开展,冈此在相 同截面面积的情况 卜,后者的当量抗弯刚度要 明显人 丁前者,抵抗变形的能力要人一些 。此外后者的刚度相对要均匀的多,基本没有残余应力 。正多边形气柜在中国已经有 30余年 的历史,目前还没有发生过 冈荷载作 而产生的侧板变形逐步增人的问题,国外也未见有关的报道 。
合理 的加劲壳体应该在各个方 向的刚度都是均匀的。 1和 2是 目前典型的两种气柜侧壁结构,可以看剑 筒形气柜的加勘肋 间距 为 1800mm,截面不开展 ,T形加 劲 处 的 刚 度 远 人 丁其 它 部 位 , 住1800mm 范罔内变形是不均匀的,侧压力越人,差别将越人。在活塞 K期的运行 卜,会对结构产生不利的影响。笔者在某钢厂20万 m I:作压力 10kPa气柜的实测过中,曾发现住活塞经过时,靠近立柱的侧极 的局部 域,其应变往短期 内超过屈服点的现象,这说明局部接触压力和局部应力集中对薄板 的影响是很人的,这一问题有待进一步深入研究。某钢厂的 150,000m储 气 压 力 8kPa,板 厚 达 8arm 的 可 隆(Klonne)柜 ,目前侧板在活塞运行 普遍 山现 肉眼可见的波浪状变形,漏气严重 ,已决定换板人修。当量抗弯刚度不足,刚度不均匀,残余应力,加上圆筒形气柜密封装置的侧向压力较人,这应该是侧向变形较人的原冈。韩国浦项钢厂在 80年代中斤期建造的 3库圆筒形气柜,也出现了类似情况,处 丁I接近报废状态。这一问题 ,以前很少考虑,现在应该引起我们重视 。而正多边形加劲肋的间距为 700,截面开展,冈此在相 同截面面积的情况 卜,后者的当量抗弯刚度要 明显人 丁前者,抵抗变形的能力要人一些 。此外后者的刚度相对要均匀的多,基本没有残余应力 。正多边形气柜在中国已经有 30余年 的历史,目前还没有发生过 冈荷载作 而产生的侧板变形逐步增人的问题,国外也未见有关的报道 。
3 壳体变形的比较
在相同压力作用下,如果筒型和正多边形气柜在单位高度上的截面积相同,则两者在周 长方向的伸 长是一样的,冈此在直径方向的变形是相同的。另外还有肋之间的纵向弯曲变形,由筒型的肋距人,其变形可能会略人。正多边形气柜则要附加上直边部分的变形。但正如上面捉剑的,采川合理的侧板截面形状 ,尽管薄板,由丁侧 向抗弯刚度较人 ,可 以使由弯曲产生的附加变形人人的减小。在某钢厂 20万立方米,,l:作乐力为 10kPa正多边形稀油密封贮气柜调试过 中,曾对气柜侧板的麻力、应变干¨位移在现场进行了实测。其结果表 明:在 10kPa的内乐作川 卜,除结构各部分应力正常外,6mm侧板的最人绝对位移为 5.96mm。略小 理论计算结果 6.50mm。扣除 3.5mm左右的径向和纵向位移,采用正多边形外壳额外增加的位移仅仅 2.46mm。了解气柜的人都知道 ,这样微小的变形增量 ,对气柜 的运行儿乎没有什么影响。很明显,圆筒型在减小壳体总体变形上所产生的作,用是有限的,容积越人,边数越多,两者在变形的差异就越小。最近我们刚人型分析软件 ANSYS对 30万压力为 12.5kPa的气柜进行了分析,无论应力和变形均无异常。证明了说正多边形气柜变形人的说法是片面的,不正确的,它完全可以满足高压的要求 。
然而,采用不同外形的壳体对整个气柜的制造和安装的影响却是巨人的。
图2是正 多边形气柜侧板的.连接示意图。首先我f『J可以看到整个侧板由一块钢板冷弯成形。没有要焊接的零什,侧板和加劲体系是一次完成的。而且是直线构什,其尺寸和外形是很容易控制的。另外冷弯侧极 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 。板的两边川模具钻孔,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 卜一块板上,两块板之间是J刳贴『脚焊缝迮接的,和立柱的连接也是l贴脚焊缝 。安装方便可靠。除定位销钉孔要住 内部焊后打磨外,其它绝人部分焊缝都在外部,无需打磨。焊缝 的质量等级仅要求二级 (外观 级 )即可 。不仅易 焊接 ,而且焊接变形平¨残余席力都很小。冈此施 周期和安装费,L}j可降低很多。一般都在 6个月以内。我们设计制造的某钢厂2O万 m 气柜安装周期就仅刚 了八个月,而 筒形气柜虽然没有 2O万的可 以直接比较,但 目前的实际记录,从 8万剑 15万立方米气柜,都住一年左 。目前我国正多边形的综合整体造价 比圆筒形节约约2000多元/t。在制作安装上正多边形要明显优 丁圆筒形气柜 。
4 制造和安装 的比较
圆筒型气柜的筒体是由一块块圆弧板拼装而成,一块圆弧板,从制作运输再到吊装和高空焊接 都要保证它 的弧度 不变化,是很困难的,要保证形成一定精度的人的圆筒结构,更非易事。它需要消耗多余的材料和连接米保证它的外形和刚度 ,冈此必然导致气柜耗钢量的增加和施 难度的增加,还连带产生一些上述 的结构问题 。事实上圆筒形气柜侧壁 的耗钢量反而略多 正多边形气柜 。以 30万气柜为例,圆筒形为 2010t(包括立柱),而正多边形为1870t。总耗钢量(包括电梯井筒)则分别为3580t [13150t。
图1是圆筒型气柜侧板 的连接示意。圆弧状 的侧极利 弧状 的 T形加劲必须分开成形,然后再焊接起米 ,焊接产生的变形要现场纠正, 弧状的侧板必须采用对接的方法 ,采 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 L}j人量的螺栓把把弧形板夹紧,然后两板之 间全熔透焊接 (焊缝质量等级要求一级),位 丁立梓上的两块板 纵缝也要进行全熔透焊接。此后这些人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 作量是很人的。在加劲肋这一不到 200ram 的范围内有 3条焊缝,焊接量人,必然焊接变形人,产生较人的残余应力,对结构不利 。可以看出圆筒形气 柜 的侧 扳要经过 多道 序才 能完成。
圆筒型气柜的筒体是由一块块圆弧板拼装而成,一块圆弧板,从制作运输再到吊装和高空焊接 都要保证它 的弧度 不变化,是很困难的,要保证形成一定精度的人的圆筒结构,更非易事。它需要消耗多余的材料和连接米保证它的外形和刚度 ,冈此必然导致气柜耗钢量的增加和施 难度的增加,还连带产生一些上述 的结构问题 。事实上圆筒形气柜侧壁 的耗钢量反而略多 正多边形气柜 。以 30万气柜为例,圆筒形为 2010t(包括立柱),而正多边形为1870t。总耗钢量(包括电梯井筒)则分别为3580t [13150t。
图1是圆筒型气柜侧板 的连接示意。圆弧状 的侧极利 弧状 的 T形加劲必须分开成形,然后再焊接起米 ,焊接产生的变形要现场纠正, 弧状的侧板必须采用对接的方法 ,采 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 L}j人量的螺栓把把弧形板夹紧,然后两板之 间全熔透焊接 (焊缝质量等级要求一级),位 丁立梓上的两块板 纵缝也要进行全熔透焊接。此后这些人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 作量是很人的。在加劲肋这一不到 200ram 的范围内有 3条焊缝,焊接量人,必然焊接变形人,产生较人的残余应力,对结构不利 。可以看出圆筒形气 柜 的侧 扳要经过 多道 序才 能完成。
5 密封装置的比较
对小型汽缸而言, 筒和活塞 (包括鼎根 ),是机加工零件,其精度是容易控制的。冈此密封效果 良 。对丁气柜,情况就不一样 了。它的简体和活塞都是在现场,高空组装的人型钢结构,产生毫米级的误著是很正常 的事。可是气柜活塞与简体的间隙要小 丁1mm 才能安全运行,否则不仅耗油量增人,而且会导致煤气泄露 ,危及安全。要消除或是减小间隙,比较理想的办法是密封应该是柔性的,稍加一些侧压力就能使密封 能与简体保持“若即若离”的状态,这样才能密封 良好,保证活塞平滑的上下运行,减小活塞与密封构件的磨损 ,同时侧板和活塞受力也小,对结构有利。但气柜的密封还要有一定的强度 ,尤其是压力高的时候。
图3是现有技术的气柜密封装置示意图(已做了简化处理 ),(A)是圆筒形的、(B)是正多边形的示意 图。(A)是靠杠杆重锤乐紧 4道橡胶密封条 ,减少活塞与侧壁 的间隙,保证一定的油何米封闭气体。对 丁圆筒形气柜,两个直径达数十米的外筒和活塞,在运行的过 中,其相对误差是随机的。要随时保证这两个人圆的间隙小 1mm,从理论上米说,密封条的压点应该是连续的,才能可能有效减少这一随机误差 ,由丁.实际重锤 的间距最小只能为600mm左右 ,冈此只能靠加火密封条的刚度和重锤 的压力才能减小简体和活塞的间
隙,目前每点压力要人 T-500kN。但压的越紧 ,活塞与侧板的摩擦力就越火 ,这对运行不利 ,会影响压力的稳定,有时还会引起活塞 的抖动 。同时对侧板和重锤杠杆也是不利 的。对侧板 的影响在上述的第二节 已经提及。对 丁杠杆的影响,某厂的压力 9kPa的 16万气柜运 行一年左右,就曾发生过多起断轴的事故。至 橡胶条的实际耐磨可靠性如何 ,有待时间证明。
隙,目前每点压力要人 T-500kN。但压的越紧 ,活塞与侧板的摩擦力就越火 ,这对运行不利 ,会影响压力的稳定,有时还会引起活塞 的抖动 。同时对侧板和重锤杠杆也是不利 的。对侧板 的影响在上述的第二节 已经提及。对 丁杠杆的影响,某厂的压力 9kPa的 16万气柜运 行一年左右,就曾发生过多起断轴的事故。至 橡胶条的实际耐磨可靠性如何 ,有待时间证明。
(B)则是靠 间距约为 120mm的一组两根弹簧压紧宽度为 160mm、厚为 3mm的滑板来减少活塞与侧壁的间隙,保证一定的油位 。对 丁正多边形气柜,每条边 长度不人 7米,只要初始安装时调好密封滑板与侧板的间距,在运行中,侧板和密封装置之间的随机 间隙就不会太人。由于滑极是直线形的薄板,弹簧密集,冈此每组弹簧 的压力对 丁 12kPa l:作压力下只要7kg左右就可 以保证滑板与侧板的间隙小于 0.5mm,满足密封运行的可靠。由丁压紧力小 ,滑板的磨损相当小 。目前国内运行 10余年后的气柜在人修 时,除个 别地方磨损超过 1mm,尚未发现滑板有 明显的磨损 。国内制造 比较好的正多边形气柜的人修mTl'~都在 10年以上,济钢 的气柜人修时间长达 16年。由于结构简单 ,人修更换的时间也较短 (约 20大)。国内 筒形气柜 目前丁作乐力最人为 10KPa。而 正多边 形气柜 作压 力 已达 到 12.5Kpa(唐山)。这足 以说明正多边形气柜的密封装置是可靠的。
在实际活塞运行的速度上, 目前两种气柜没有太大区别。已投入生产 的活塞实际运行速度都在 1.m/分左右 。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 1700元/m,而 圆筒形 b1,0高达11000元 /m。
由于干式气柜是 由人量的构件在现场焊接的大体积钢结构,再加上 内部有活塞运行的特殊要求,其同有的一系列 内在矛盾与小型机加工容器有着本质的区别。按现有 的技术,正多边形稀油密封气柜在很多方面要优于圆筒形稀油密封气柜。
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