大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器施工技術(shù)

代衛(wèi)國

中國化學(xué)工程第九建設(shè)有限公司 遼寧盤錦 124000

近年來隨著我國的石化產(chǎn)業(yè)綜合整治和轉(zhuǎn)型升級，石油化工企業(yè)的總體布局呈現(xiàn)大型化、區(qū)域化、集中化趨勢。作為事故泄放系統(tǒng)必不可少的一部分，火炬系統(tǒng)也有了很大的變化，從原先只有高架火炬到現(xiàn)在與地面火炬共同發(fā)展。其中地面火炬在國外已得到廣泛運用，而國內(nèi)目前處于初期發(fā)展階段。地面火炬由地面燃燒器、防風(fēng)消音墻、分級燃燒系統(tǒng)和長明燈自動點火裝置等構(gòu)成。其中燃燒器采用梅花形多孔結(jié)構(gòu)，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(tǒng)通過火炬氣的壓力來控制，利用緊閉切斷蝶閥的開關(guān)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(xù)幾級地面燃燒器才會自動逐級打開，從而實現(xiàn)排放流量可調(diào)可控。大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器系統(tǒng)較傳統(tǒng)的高架火炬系統(tǒng)維護方便、安全、環(huán)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(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 項目及技術(shù)簡介

中國化學(xué)工程第九建設(shè)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(shè)施安裝工程，包括五個地面火炬系統(tǒng)，即烯烴高壓火炬系統(tǒng)、聚烯烴高壓火炬系統(tǒng)、低壓火炬系統(tǒng)、低壓乙烯火炬系統(tǒng)，以及低壓丙烷、丁烷火炬系統(tǒng)。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(tǒng)和低壓丙烷、丁烷火炬系統(tǒng)主管道以A333Cr.6 為主；烯烴高壓火炬系統(tǒng)、聚烯烴高壓火炬系統(tǒng)主管道以TP304L 為主；低壓火炬系統(tǒng)主管道以20# 為主；燃燒器支管材質(zhì)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(qū)首套地面布置工藝火炬氣系統(tǒng)，通過中、高壓分級運行，實現(xiàn)自然大氣壓環(huán)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(yīng)用技術(shù)，對火炬燃燒器管路進行優(yōu)化排版；根據(jù)不同的材質(zhì)及相應(yīng)規(guī)格，利用半自動坡口機對坡口進行加工；應(yīng)用自有專利技術(shù)“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(xiàn)了數(shù)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(shù)對主管路活動口進行焊接，高效快速，焊接質(zhì)量優(yōu)良；通過成立研發(fā)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(guān)的焊接工藝評定，針對性、指導(dǎo)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(shù)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(jù)材料實際到貨尺寸和BIM 定尺控制管道下料數(shù)據(jù)。

(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(jù)不同材質(zhì)、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(yīng)力集中。

(3) 為了防止焊接過程中的飛濺，組對前在坡口兩側(cè)各100mm 范圍內(nèi)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(zhuǎn)構(gòu)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(shù)字化控制、確認定點位置，切割刀片開始作業(yè)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(cè)各20mm范圍內(nèi)的油污等清除干凈。

2.3.1 低壓乙烯火炬系統(tǒng)和低壓丙烷、丁烷火炬系統(tǒng)燃燒器主管道

低壓乙烯火炬系統(tǒng)和低壓丙烷、丁烷火炬系統(tǒng)燃燒器主管道，采用A333 Cr6,此材質(zhì)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(xiàn)的凹陷、氣孔等焊接缺陷問題，制定了相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，詳見表1。

表1 A333 Cr6 材質(zhì)焊接工藝參數(shù)表

2.3.2 烯烴高壓火炬系統(tǒng)和聚烯烴高壓火炬系統(tǒng)主管道

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

表2 TP304L材質(zhì)焊接工藝參數(shù)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(shù)，實現(xiàn)了管與管、法蘭、彎頭的對接環(huán)焊縫、角焊縫的自動化焊接。工程中采用TPF4003- T 型自動焊設(shè)備，可焊環(huán)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(jù)材質(zhì)和焊件規(guī)格，按編號直接調(diào)用相應(yīng)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(zhì)的焊接，確保了本工程多材質(zhì)焊接的工藝需求；工程材質(zhì)種類通過自定心卡盤旋轉(zhuǎn)對位準確；焊接操作臂+ 全角度變位機+ 焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，對焊槍進行多位置、多角度轉(zhuǎn)換，保證了焊接質(zhì)量要求；強制循環(huán)水冷系統(tǒng)，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(yù)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(zhì)量優(yōu)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(yīng)力，預(yù)防焊接熱裂紋的產(chǎn)生。此工藝焊接成形的焊縫，在生產(chǎn)中可以有效避免腐蝕介質(zhì)在接頭部位的聚集，預(yù)防應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)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(shù)范圍內(nèi)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(zhì)量。

（2）焊縫背面充氬，實行內(nèi)保護，內(nèi)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(yù)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(xiàn)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(cè)，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(nèi)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(gòu)造包括三根可伸縮鋼管（便于轉(zhuǎn)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(shè)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(diào)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(jù)地面夯實情況和平整度進行調(diào)整，工裝整體不受作業(yè)環(huán)境影響，在垂直提升輕型構(gòu)件上優(yōu)于龍門架，狹小空間施工上優(yōu)于汽車式起重機，且節(jié)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(shù)：1—2 道焊層；焊接方法GTAW；焊材規(guī)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(zhì)，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(zhì)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(xiàn)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(tǒng)和低壓丙烷、丁烷火炬系統(tǒng)主管路設(shè)計材質(zhì)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(zhì)的韌性和塑性較好，一般不易產(chǎn)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(tǒng)和聚烯烴高壓火炬系統(tǒng)主管路設(shè)計材質(zhì)為TP304L。TP304L 為奧氏體不銹鋼，通?？捎糜跍囟冗_- 196℃的工況，屬超低溫用鋼，因此作為烯烴高壓火炬系統(tǒng)和聚烯烴高壓火炬系統(tǒng)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(qū)中盡量少地析出碳化物，從而大大降低了晶間腐蝕的風(fēng)險。

（3）大氣式多級自引射無煙型地面火炬燃燒器支管路設(shè)計材質(zhì)為TP310S。TP310S 是一種耐熱奧氏體不銹鋼，連續(xù)使用溫度可達1150℃，在1090℃的微循環(huán)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(chǔ)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(jù)力學(xué)性能與化學(xué)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(wěn)定，焊縫質(zhì)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(tài)完全不同，物理性能和化學(xué)成分差別也較大，如果焊縫填充金屬成分不當，易導(dǎo)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(xiàn)淬硬組織，從而導(dǎo)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(chǎn)生。ER309 焊絲Ni 含量為13.71%，且韌性和塑性優(yōu)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(qū)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(jié)束語

以“BIM 優(yōu)化排版—異種鋼焊接工藝制定—半自動坡口機應(yīng)用—管道配件切割裝置機械開孔—三角支撐架工裝應(yīng)用—自動焊接技術(shù)”為主線進行施工，技術(shù)創(chuàng)新效果顯著。施工中機械化程度高，無環(huán)境事故發(fā)生；采用自制工裝降低起重機械使用率，環(huán)保措施有效可行。試運行中實現(xiàn)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(wěn)定、安全、節(jié)能，社會效益顯著。