火炬頭裂縫形成原因及處理方案

郝麗珍

江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司 江蘇南京 210000

1 富氫低熱值火炬頭情況介紹

本項(xiàng)目中的富氫低熱值火炬頭用于處理裝置開(kāi)停車和事故狀態(tài)下排放的富含H2（體積含量超30%）的火炬氣，并于2014年投入使用，火炬運(yùn)行初期未發(fā)現(xiàn)火炬頭異樣。后期，火炬頭處出現(xiàn)回火爆鳴、喘震，且在接近火炬頭與筒體法蘭連接處發(fā)現(xiàn)明火，可以確定此處發(fā)生火炬氣泄漏。在停工檢修期間，對(duì)火炬頭檢查發(fā)現(xiàn)，主火炬頭下部多處裂縫，中間部位外凸。

2 火炬頭裂縫形成原因分析

富氫低熱值火炬頭的運(yùn)行環(huán)境較苛刻，在開(kāi)停車或裝置事故期間，火炬頭頂上有火焰燃燒，本文從火炬頭設(shè)備本體材質(zhì)、火炬工藝系統(tǒng)設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)操作情況來(lái)分析火炬頭裂縫形成原因。

2.1 火炬頭材質(zhì)

火炬頭處于高溫環(huán)境，其上部材質(zhì)一般為耐高溫的材料310SS，下部為304SS，設(shè)計(jì)圖紙顯示，鼓包、開(kāi)裂部位的材質(zhì)為304SS，如果此處材質(zhì)不合格，難以承受火炬氣燃燒產(chǎn)生的輻射熱及高溫，在火炬運(yùn)行期間，火炬頭會(huì)變形，開(kāi)裂。

2.2 火炬系統(tǒng)存在小流量火炬氣

富氫低熱值火炬頭的最小設(shè)計(jì)排放量為49500Nm3/h，在此排放量下，火炬頭出口速度為6．8m/s，不會(huì)發(fā)生悶燒、回火。但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，裝置開(kāi)停車火炬氣量隨時(shí)間推移而逐漸減少，當(dāng)排放量減少到1100Nm3/h，火炬頭出口流速≤0．15m/s，火炬頭發(fā)生燜燒，即火炬氣在火炬頭中燃燒，導(dǎo)致火炬頭的溫度超出其設(shè)計(jì)溫度，火炬頭因高溫而軟化變形，形成破壞條件[1]。與火炬系統(tǒng)相連接的裝置設(shè)備閥門的泄漏等級(jí)不滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致裝置不斷向火炬系統(tǒng)泄漏小量的可燃?xì)怏w，該部分可燃?xì)怏w同樣在火炬頭內(nèi)部燜燒。

2.3 慣性負(fù)壓導(dǎo)致回火發(fā)生

正常情況下，火炬系統(tǒng)中在火炬與裝置之間有一個(gè)水封罐，水封罐中安全水封的設(shè)定可以阻止火焰向裝置蔓延，以保證裝置安全。當(dāng)火炬氣量減少到不能突破水封罐的安全水封值（300mm）時(shí)，火炬氣在火炬管網(wǎng)里聚集，導(dǎo)致火炬管網(wǎng)壓力逐漸升高，就會(huì)突破安全水封；突破水封之后，管網(wǎng)壓力釋放，安全水封重新建立，火炬氣繼續(xù)在火炬管網(wǎng)聚集，如此反復(fù)。已沖破安全水封的火炬氣因慣性繼續(xù)向前，一直到火炬頭沖出、燃燒后排放，但由于無(wú)后續(xù)火炬氣補(bǔ)充，在主火炬筒體處形成慣性負(fù)壓，隨著負(fù)壓處壓力逐漸平衡，會(huì)將火炬頭處的氣體（包含有空氣）吸入火炬頭，導(dǎo)致在火炬頭內(nèi)部回火爆鳴。如此反復(fù)，直至火炬頭薄弱處出現(xiàn)裂縫，空氣開(kāi)始從裂縫處進(jìn)入火炬頭，加劇火炬頭的回火爆鳴，火炬頭裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，如此惡性反復(fù)，導(dǎo)致火炬頭變形、撕裂[2]。

2.4 水封罐安全水封過(guò)高

水封罐的液位計(jì)靠近火炬氣入口管，在火炬氣排放期間，水封水被火炬氣吹開(kāi)行成鍋形，導(dǎo)致液位計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)小于實(shí)際水封值。現(xiàn)場(chǎng)操作為維持安全水封（300mm），將排水水封的液位控制閥關(guān)閉，打開(kāi)連續(xù)補(bǔ)水閥一直補(bǔ)水，導(dǎo)致水封罐內(nèi)的實(shí)際液位高于安全水封，加劇了火炬官網(wǎng)憋壓、泄壓，從而加劇了火炬回火爆鳴。

3 火炬頭裂縫處理方法

3.1 檢測(cè)火炬頭材質(zhì)

一般情況下，火炬頭設(shè)備進(jìn)廠之前需經(jīng)過(guò)檢測(cè)，合格的情況下業(yè)主才可能接收。為確保火炬頭的材質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，需要重新對(duì)火炬頭取樣分析。

3.2 修復(fù)火炬頭裂縫

由于檢修期間無(wú)備用火炬頭，無(wú)法實(shí)現(xiàn)火炬頭更換，需要檢查火炬頭本體，找出所有裂縫，并修復(fù)火炬頭裂縫。采用裂縫處相同材質(zhì)的鋼板（鋼板厚度不小于火炬頭主體厚度10mm）將裂縫覆蓋，并與火炬頭焊接，隔絕外部空氣與火炬頭內(nèi)部氣體的接觸。

3.3 火炬系統(tǒng)設(shè)置小流量火炬

在水封罐前的火炬氣管道上接DN200的小流量火炬氣管道，經(jīng)小流量水封罐后，送火炬頭處，依附在火炬頭旁邊燃燒排放?；鹁鏆夤芫€上可設(shè)置遠(yuǎn)程操作開(kāi)關(guān)閥，便于控制室操作。當(dāng)裝置開(kāi)停車負(fù)荷減小到一定程度，打開(kāi)小流量火炬管線開(kāi)關(guān)閥，火炬氣去小流量火炬燃燒排放，保護(hù)火炬頭防止?fàn)F燒。系統(tǒng)詳見(jiàn)圖1。

3.4 控制水封罐安全液位

按照SH3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中8．2．25b）要求，對(duì)于含有氫氣、乙炔、環(huán)氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性氣體水封高度不應(yīng)小于300mm。本項(xiàng)目火炬氣中含有氫氣，有效水封高度按照300mm設(shè)計(jì)，按照多個(gè)項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)，火炬氣在該水封值下不會(huì)發(fā)生爆鳴、喘震。由于現(xiàn)場(chǎng)操作工將排水閥關(guān)閉，導(dǎo)致水封罐中的污水無(wú)法排出，水封液面越來(lái)越高，有效水封值也越來(lái)越大，導(dǎo)致實(shí)際的有效水封值＞300mm，如圖2所示。操作中應(yīng)該保持排水閥處于常開(kāi)狀態(tài)[3]。

圖1 小流量火炬系統(tǒng)圖

圖2 水封罐有效液位的控制

4 結(jié)語(yǔ)

火炬頭是火炬系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備之一，應(yīng)從火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作等處著手，預(yù)防火炬頭燜燒回火的發(fā)生，以延長(zhǎng)火炬頭的使用壽命。