大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器施工技術

代衛國

中國化學工程第九建設有限公司 遼寧盤錦 124000

近年來隨著我國的石化產業綜合整治和轉型升級，石油化工企業的總體布局呈現大型化、區域化、集中化趨勢。作為事故泄放系統必不可少的一部分，火炬系統也有了很大的變化，從原先只有高架火炬到現在與地面火炬共同發展。其中地面火炬在國外已得到廣泛運用，而國內目前處于初期發展階段。地面火炬由地面燃燒器、防風消音墻、分級燃燒系統和長明燈自動點火裝置等構成。其中燃燒器采用梅花形多孔結構，可將大股火炬氣分成許多小股，有利于其和空氣的混合，增加與空氣的接觸面積，達到無煙燃燒。每級燃燒系統通過火炬氣的壓力來控制，利用緊閉切斷蝶閥的開關來達到分級燃燒的目的。只有火炬氣壓力足夠大到可以保證地面燃燒器的熱負荷，后續幾級地面燃燒器才會自動逐級打開，從而實現排放流量可調可控。大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器系統較傳統的高架火炬系統維護方便、安全、環保、低噪，且可降低熱輻射和光污染，是未來石油化工和煤化工火炬系統的發展趨勢。

1 項目及技術簡介

中國化學工程第九建設有限公司（以下簡稱九化建）承建的遼寧寶來輕烴利用項目火炬及火炬氣回收設施安裝工程，包括五個地面火炬系統，即烯烴高壓火炬系統、聚烯烴高壓火炬系統、低壓火炬系統、低壓乙烯火炬系統，以及低壓丙烷、丁烷火炬系統。總長約19000m，共有1574 座火炬燃燒器，每個燃燒器高2m，頂部安裝高度3.5m（加主管高度1.5m），燃燒器單重0.1t。其中低壓乙烯火炬系統和低壓丙烷、丁烷火炬系統主管道以A333Cr.6 為主；烯烴高壓火炬系統、聚烯烴高壓火炬系統主管道以TP304L 為主；低壓火炬系統主管道以20# 為主；燃燒器支管材質為TP310S。主管管徑最大為DN400，支管管徑為DN100。

九化建針對該東北地區首套地面布置工藝火炬氣系統，通過中、高壓分級運行，實現自然大氣壓環境下自引射無煙燃燒裝置的施工。施工中采用基于BIM 的機電管線綜合應用技術，對火炬燃燒器管路進行優化排版；根據不同的材質及相應規格，利用半自動坡口機對坡口進行加工；應用自有專利技術“管道配件切割裝置”對火炬燃燒器主管道進行機械開孔，實現了數字化控制，加工精度得到了提升；使用自制簡易工裝“三角支撐架”對火炬燃燒器支管進行安裝，安全可靠，靈活機動；采用自動焊接技術對主管路活動口進行焊接，高效快速，焊接質量優良；通過成立研發小組，對TP310S火炬燃燒器支管與A333Cr.6、TP304L 火炬燃燒器主管的異種鋼焊接進行專項課題研究，制定了相關的焊接工藝評定，針對性、指導性強。施工工藝流程示意圖見圖1。

圖1 施工工藝流程示意圖

2 技術操作要點

2.1 坡口加工

(1) 地面火炬燃燒器所有坡口加工采用半自動坡口機，根據材料實際到貨尺寸和BIM 定尺控制管道下料數據。

(2) 坡口加工完成后進行100%滲透檢測，確保無裂紋和分層。根據不同材質、厚度制定不同的坡口形式、尺寸，一方面可以減少焊縫金屬的填充量，另一方面可以降低或消除焊接接頭的應力集中。

(3) 為了防止焊接過程中的飛濺，組對前在坡口兩側各100mm 范圍內涂白堊粉。

2.2 燃燒器主管路機械開孔

（1）采用管道配件切割裝置對主管道進行機械開孔。開孔過程中，將已標識開孔位置的主管道固定在操作臺上，利用滾動軸旋轉構件水平移動管道；待確定開孔方位后，利用左右夾板固定，并通過LED 顯示屏數字化控制、確認定點位置，切割刀片開始作業開孔。

（2）開孔后的接口，用中間不粘性布基膠帶封堵，防止接口處粘接雜物，造成二次打磨。

2.3 火炬燃燒器主管路焊接

焊前要用專用砂輪機將坡口表面及兩側各20mm范圍內的油污等清除干凈。

2.3.1 低壓乙烯火炬系統和低壓丙烷、丁烷火炬系統燃燒器主管道

低壓乙烯火炬系統和低壓丙烷、丁烷火炬系統燃燒器主管道，采用A333 Cr6,此材質為美國ASTM 鋁脫氧細晶粒低溫韌性鋼。針對焊接過程中容易出現的凹陷、氣孔等焊接缺陷問題，制定了相應的焊接工藝參數，詳見表1。

表1 A333 Cr6 材質焊接工藝參數表

2.3.2 烯烴高壓火炬系統和聚烯烴高壓火炬系統主管道

烯烴高壓火炬系統和聚烯烴高壓火炬系統主管道采用TP304L，此材質為美國ASTM A312 低溫用奧氏體不銹鋼。針對碳化物析出可能導致不銹鋼在特定環境下產生晶間腐蝕（焊接侵蝕）問題，制定了相應的焊接工藝參數，詳見表2。

表2 TP304L材質焊接工藝參數表

2.3.3 20# 火炬燃燒器主管道

20# 火炬燃燒器主管道組對、焊接采用自動焊接技術，實現了管與管、法蘭、彎頭的對接環焊縫、角焊縫的自動化焊接。工程中采用TPF4003- T 型自動焊設備，可焊環峰間距3000mm，卡盤加持外徑最大DN400，并可同時存儲30 套焊接工藝。根據材質和焊件規格，按編號直接調用相應焊接工藝，滿足了焊接工程施工需要；適用碳鋼、合金鋼、不銹鋼等多種材質的焊接，確保了本工程多材質焊接的工藝需求；工程材質種類通過自定心卡盤旋轉對位準確；焊接操作臂+ 全角度變位機+ 焊槍角度調節機構，對焊槍進行多位置、多角度轉換，保證了焊接質量要求；強制循環水冷系統，保證了整機長時間可靠運行，滿足了進度要求；焊接電源采用奧太WSM400，其具有可靠性、可維護性、功能的多樣性、靈活性，能有效地控制焊接電流、電壓的輸入，且焊接速度快，可有效預防氣孔等焊接缺陷問題。

2.3.4 TP304L 奧氏體不銹鋼

TP304L 奧氏體不銹鋼的第6、7 層焊道，采用較小的線能量輸入。此工藝焊接質量優良，熔池保護效果好，焊縫金屬致密。焊接過程中線能量控制在9kJ/ cm左右，能有效地降低焊接拉應力，預防焊接熱裂紋的產生。此工藝焊接成形的焊縫，在生產中可以有效避免腐蝕介質在接頭部位的聚集，預防應力腐蝕開裂現象。

2.3.5 注意事項

（1）焊接時在保證焊透和熔合良好的前提下，在焊接工藝參數范圍內A333 Cr6 每層均為單道焊，層間溫度控制在200℃左右；TP304L 采用單道焊+ 多道焊工藝，道間溫度控制在150℃左右；采用不擺動的操作方法，確保焊接質量。

（2）焊縫背面充氬，實行內保護，內保護措施采用管子整體充氬。為了取得良好的保護效果，要控制氬氣流量，A333 Cr6 控制在10～15L/ min，TP304L 控制在12～18L/ min，且氬氣純度達到99.99%（預防背部氧化）。

（3）針對本工程TP304L 管道在高溫情況下熱裂紋傾向高，且容易出現σ 相脆化的問題，為提高焊接熔池的冷卻速度，用冷水擦拭焊縫兩側，以減少焊縫的高溫停留時間，加快焊縫冷卻速度。TP304L 第6、7 焊層采用多道焊，層內溫度控制在150℃左右，用手持紅外測溫儀進行測量控制。每一層每一道焊完后均采用專用砂輪磨光機徹底清除焊道面的熔渣等附著物，并做著色檢查，消除各種表面缺陷。

2.4 火炬燃燒器支管路安裝

燃燒器支管采用自制“三角支撐架”進行安裝，其構造包括三根可伸縮鋼管（便于轉場）、連接螺桿和2t手拉葫蘆，詳見圖2。

圖2 自制三角支撐架示意圖

（1）將三根可伸縮性鋼管末端利用連接螺桿串接，并掛好2t 手拉葫蘆；

（2）將三角支撐架架設至火炬燃燒器主管上部，伸長鋼管至6m 長度；

（3）手拉葫蘆下鉤頭伸至地面，綁扎火炬支管燃燒器，拽動倒鏈將支管燃燒器吊至指定安裝高度；

（4）調整三腳架支腿位置，將支管燃燒器下口與主管管口對正連接；

（5）組對、焊接；

（6）待焊道冷卻后，松鉤頭；

（7）采用同樣的方法依次安裝剩余火炬燃燒器支管。

在操作上，三角支撐架支腿角度可根據地面夯實情況和平整度進行調整，工裝整體不受作業環境影響，在垂直提升輕型構件上優于龍門架，狹小空間施工上優于汽車式起重機，且節約成本，靈巧機動。

2.5 火炬燃燒器支管路組對、焊接

（1）火炬燃燒器支管路固定口采用定位焊，焊接材料及焊接工藝與正式焊接相同，要求四點沿圓周均分, 長度 15 ～25mm，厚度 3 ～5mm，錯邊量≤1.5mm，間隙3～4mm，且定位焊點無裂紋、氣孔、夾渣及氧化變色等缺陷。

（2） 火 炬 燃 燒 器 支 管TP310S 與A333 Cr6、TP304L、20# 主管的焊接工藝參數：1—2 道焊層；焊接方法GTAW；焊材規模φ2.5mm；焊材牌號ER309；電源種類直流正接；焊接電流60～100A；焊接電壓8～12V；焊接速度3～8 cm/ min；線能量＜25 kJ/ cm。

（3）焊接時，火炬燃燒器支管（壁厚3.05mm）均與主管路支管臺連接（與主管同材質，接口厚度6.02mm），每層均為單道焊，層間溫度控制在200℃左右；TP304L 采用單道焊+ 多道焊工藝，道間溫度不大于150℃；采用不擺動的操作方法，確保焊接質量。

（4）每一層焊完后均用專用角磨機徹底清除焊道面的熔渣等附著物，消除各種表面缺陷。

火炬燃燒器的組對示意圖見圖3。

圖3 火炬燃燒器組對

火炬燃燒器安裝完成后的現場效果圖見圖4—6。

圖4 火炬燃燒器主管閥組部位

3 材料分析

3.1 管道材料

（1）大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器、低壓乙烯火炬系統和低壓丙烷、丁烷火炬系統主管路設計材質為A333 Cr6。A333 Cr6 屬于低溫用鋼，通常在最低沖擊溫度為- 46℃的條件下使用，因此作為乙烯、丙烷、丁烷火炬氣的輸送載體。從表1 中可以看出，A333 Cr6 鋼中含有少量的Ni 元素,有利于提高鋼的延展性，細化金屬組織，同時摻入Cu 元素，提高了材料的韌性和可塑性。A333 Cr6 鋼含碳量較低，因此淬硬傾向和冷裂紋傾向都比較小，材質的韌性和塑性較好，一般不易產生硬化和裂紋缺陷，可焊性好。

（2）大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器、烯烴高壓火炬系統和聚烯烴高壓火炬系統主管路設計材質為TP304L。TP304L 為奧氏體不銹鋼，通常可用于溫度達- 196℃的工況，屬超低溫用鋼，因此作為烯烴高壓火炬系統和聚烯烴高壓火炬系統的輸送載體。從表2 可以看出，TP304L 鋼中含碳量僅為0.022%，具備超低碳含量，使得在近焊縫的熱影響區中盡量少地析出碳化物，從而大大降低了晶間腐蝕的風險。

（3）大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器支管路設計材質為TP310S。TP310S 是一種耐熱奧氏體不銹鋼，連續使用溫度可達1150℃，在1090℃的微循環條件下具備出色的抗氧化性；增加碳的含量后，由于其固溶強化作用使強度得到提高；由于其Ni、Cr 含量較高，因此TP310S 鋼具有良好的耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿和耐高溫性能。在Cr、Ni 的基礎上添加了Mo 元素,使其在高溫下有高的蠕變強度。

3.2 焊接材料選用

（1） 根據力學性能與化學成分相匹配的原則，A333 Cr6 鋼選用塑性、韌性好的ER55- Ni1 焊絲和SRJ507RH 焊條，其含碳量更低，硬化和冷裂紋傾向更小，保證了良好的可焊性和焊接接頭良好的韌性。

（2）針對TP304L 鋼固定口較多，且相互貫通背部充氬保護困難，采用背面自保護焊絲TGF- 308L。其支持全位置焊接，焊接過程穩定，焊縫質量更高，背面成型好，焊渣易脫落，成型好；E308L- 16 是鈦鈣型超低碳不銹鋼焊條，其熔敷金屬含碳量＜0.02%，有很好的抗晶間腐蝕性能；TGF- 308L 和E308L- 16 的耐超低溫性好，有良好的操作工藝性能。

（3）TP310S 鋼與A333 Cr6 鋼焊接，由于耐溫性能、組織形態完全不同，物理性能和化學成分差別也較大，如果焊縫填充金屬成分不當，易導致焊接接頭合金元素被稀釋，形成奧氏體的元素含量不足，接頭出現淬硬組織，從而導致接頭性能下降。因此須采用Ni＞12%的焊接材料，這樣能有效避免焊縫中淬硬組織的產生。ER309 焊絲Ni 含量為13.71%，且韌性和塑性優良，滿足工藝要求。 ER309 焊絲的Ni、Cr 含量均較高，有良好的耐腐蝕性能，且含碳量低，熱影響區窄。

圖5 安裝后火炬燃燒器效果圖

圖6 地面火炬排管布線

4 結束語

以“BIM 優化排版—異種鋼焊接工藝制定—半自動坡口機應用—管道配件切割裝置機械開孔—三角支撐架工裝應用—自動焊接技術”為主線進行施工，技術創新效果顯著。施工中機械化程度高，無環境事故發生；采用自制工裝降低起重機械使用率，環保措施有效可行。試運行中實現火炬燃燒器的無煙燃燒，保證了在中、高壓條件下火炬氣燃燒的穩定、安全、節能，社會效益顯著。