大气式多级自引射无烟型地面火炬燃烧器施工技术

代卫国

中国化学工程第九建设有限公司 辽宁盘锦 124000

近年来随着我国的石化产业综合整治和转型升级，石油化工企业的总体布局呈现大型化、区域化、集中化趋势。作为事故泄放系统必不可少的一部分，火炬系统也有了很大的变化，从原先只有高架火炬到现在与地面火炬共同发展。其中地面火炬在国外已得到广泛运用，而国内目前处于初期发展阶段。地面火炬由地面燃烧器、防风消音墙、分级燃烧系统和长明灯自动点火装置等构成。其中燃烧器采用梅花形多孔结构，可将大股火炬气分成许多小股，有利于其和空气的混合，增加与空气的接触面积，达到无烟燃烧。每级燃烧系统通过火炬气的压力来控制，利用紧闭切断蝶阀的开关来达到分级燃烧的目的。只有火炬气压力足够大到可以保证地面燃烧器的热负荷，后续几级地面燃烧器才会自动逐级打开，从而实现排放流量可调可控。大气式多级自引射无烟型地面火炬燃烧器系统较传统的高架火炬系统维护方便、安全、环保、低噪，且可降低热辐射和光污染，是未来石油化工和煤化工火炬系统的发展趋势。

1 项目及技术简介

中国化学工程第九建设有限公司（以下简称九化建）承建的辽宁宝来轻烃利用项目火炬及火炬气回收设施安装工程，包括五个地面火炬系统，即烯烃高压火炬系统、聚烯烃高压火炬系统、低压火炬系统、低压乙烯火炬系统，以及低压丙烷、丁烷火炬系统。总长约19000m，共有1574 座火炬燃烧器，每个燃烧器高2m，顶部安装高度3.5m（加主管高度1.5m），燃烧器单重0.1t。其中低压乙烯火炬系统和低压丙烷、丁烷火炬系统主管道以A333Cr.6 为主；烯烃高压火炬系统、聚烯烃高压火炬系统主管道以TP304L 为主；低压火炬系统主管道以20# 为主；燃烧器支管材质为TP310S。主管管径最大为DN400，支管管径为DN100。

九化建针对该东北地区首套地面布置工艺火炬气系统，通过中、高压分级运行，实现自然大气压环境下自引射无烟燃烧装置的施工。施工中采用基于BIM 的机电管线综合应用技术，对火炬燃烧器管路进行优化排版；根据不同的材质及相应规格，利用半自动坡口机对坡口进行加工；应用自有专利技术“管道配件切割装置”对火炬燃烧器主管道进行机械开孔，实现了数字化控制，加工精度得到了提升；使用自制简易工装“三角支撑架”对火炬燃烧器支管进行安装，安全可靠，灵活机动；采用自动焊接技术对主管路活动口进行焊接，高效快速，焊接质量优良；通过成立研发小组，对TP310S火炬燃烧器支管与A333Cr.6、TP304L 火炬燃烧器主管的异种钢焊接进行专项课题研究，制定了相关的焊接工艺评定，针对性、指导性强。施工工艺流程示意图见图1。

图1 施工工艺流程示意图

2 技术操作要点

2.1 坡口加工

(1) 地面火炬燃烧器所有坡口加工采用半自动坡口机，根据材料实际到货尺寸和BIM 定尺控制管道下料数据。

(2) 坡口加工完成后进行100%渗透检测，确保无裂纹和分层。根据不同材质、厚度制定不同的坡口形式、尺寸，一方面可以减少焊缝金属的填充量，另一方面可以降低或消除焊接接头的应力集中。

(3) 为了防止焊接过程中的飞溅，组对前在坡口两侧各100mm 范围内涂白垩粉。

2.2 燃烧器主管路机械开孔

（1）采用管道配件切割装置对主管道进行机械开孔。开孔过程中，将已标识开孔位置的主管道固定在操作台上，利用滚动轴旋转构件水平移动管道；待确定开孔方位后，利用左右夹板固定，并通过LED 显示屏数字化控制、确认定点位置，切割刀片开始作业开孔。

（2）开孔后的接口，用中间不粘性布基胶带封堵，防止接口处粘接杂物，造成二次打磨。

2.3 火炬燃烧器主管路焊接

焊前要用专用砂轮机将坡口表面及两侧各20mm范围内的油污等清除干净。

2.3.1 低压乙烯火炬系统和低压丙烷、丁烷火炬系统燃烧器主管道

低压乙烯火炬系统和低压丙烷、丁烷火炬系统燃烧器主管道，采用A333 Cr6,此材质为美国ASTM 铝脱氧细晶粒低温韧性钢。针对焊接过程中容易出现的凹陷、气孔等焊接缺陷问题，制定了相应的焊接工艺参数，详见表1。

表1 A333 Cr6 材质焊接工艺参数表

2.3.2 烯烃高压火炬系统和聚烯烃高压火炬系统主管道

烯烃高压火炬系统和聚烯烃高压火炬系统主管道采用TP304L，此材质为美国ASTM A312 低温用奥氏体不锈钢。针对碳化物析出可能导致不锈钢在特定环境下产生晶间腐蚀（焊接侵蚀）问题，制定了相应的焊接工艺参数，详见表2。

表2 TP304L材质焊接工艺参数表

2.3.3 20# 火炬燃烧器主管道

20# 火炬燃烧器主管道组对、焊接采用自动焊接技术，实现了管与管、法兰、弯头的对接环焊缝、角焊缝的自动化焊接。工程中采用TPF4003- T 型自动焊设备，可焊环峰间距3000mm，卡盘加持外径最大DN400，并可同时存储30 套焊接工艺。根据材质和焊件规格，按编号直接调用相应焊接工艺，满足了焊接工程施工需要；适用碳钢、合金钢、不锈钢等多种材质的焊接，确保了本工程多材质焊接的工艺需求；工程材质种类通过自定心卡盘旋转对位准确；焊接操作臂+ 全角度变位机+ 焊枪角度调节机构，对焊枪进行多位置、多角度转换，保证了焊接质量要求；强制循环水冷系统，保证了整机长时间可靠运行，满足了进度要求；焊接电源采用奥太WSM400，其具有可靠性、可维护性、功能的多样性、灵活性，能有效地控制焊接电流、电压的输入，且焊接速度快，可有效预防气孔等焊接缺陷问题。

2.3.4 TP304L 奥氏体不锈钢

TP304L 奥氏体不锈钢的第6、7 层焊道，采用较小的线能量输入。此工艺焊接质量优良，熔池保护效果好，焊缝金属致密。焊接过程中线能量控制在9kJ/ cm左右，能有效地降低焊接拉应力，预防焊接热裂纹的产生。此工艺焊接成形的焊缝，在生产中可以有效避免腐蚀介质在接头部位的聚集，预防应力腐蚀开裂现象。

2.3.5 注意事项

（1）焊接时在保证焊透和熔合良好的前提下，在焊接工艺参数范围内A333 Cr6 每层均为单道焊，层间温度控制在200℃左右；TP304L 采用单道焊+ 多道焊工艺，道间温度控制在150℃左右；采用不摆动的操作方法，确保焊接质量。

（2）焊缝背面充氩，实行内保护，内保护措施采用管子整体充氩。为了取得良好的保护效果，要控制氩气流量，A333 Cr6 控制在10～15L/ min，TP304L 控制在12～18L/ min，且氩气纯度达到99.99%（预防背部氧化）。

（3）针对本工程TP304L 管道在高温情况下热裂纹倾向高，且容易出现σ 相脆化的问题，为提高焊接熔池的冷却速度，用冷水擦拭焊缝两侧，以减少焊缝的高温停留时间，加快焊缝冷却速度。TP304L 第6、7 焊层采用多道焊，层内温度控制在150℃左右，用手持红外测温仪进行测量控制。每一层每一道焊完后均采用专用砂轮磨光机彻底清除焊道面的熔渣等附着物，并做着色检查，消除各种表面缺陷。

2.4 火炬燃烧器支管路安装

燃烧器支管采用自制“三角支撑架”进行安装，其构造包括三根可伸缩钢管（便于转场）、连接螺杆和2t手拉葫芦，详见图2。

图2 自制三角支撑架示意图

（1）将三根可伸缩性钢管末端利用连接螺杆串接，并挂好2t 手拉葫芦；

（2）将三角支撑架架设至火炬燃烧器主管上部，伸长钢管至6m 长度；

（3）手拉葫芦下钩头伸至地面，绑扎火炬支管燃烧器，拽动倒链将支管燃烧器吊至指定安装高度；

（4）调整三脚架支腿位置，将支管燃烧器下口与主管管口对正连接；

（5）组对、焊接；

（6）待焊道冷却后，松钩头；

（7）采用同样的方法依次安装剩余火炬燃烧器支管。

在操作上，三角支撑架支腿角度可根据地面夯实情况和平整度进行调整，工装整体不受作业环境影响，在垂直提升轻型构件上优于龙门架，狭小空间施工上优于汽车式起重机，且节约成本，灵巧机动。

2.5 火炬燃烧器支管路组对、焊接

（1）火炬燃烧器支管路固定口采用定位焊，焊接材料及焊接工艺与正式焊接相同，要求四点沿圆周均分, 长度 15 ～25mm，厚度 3 ～5mm，错边量≤1.5mm，间隙3～4mm，且定位焊点无裂纹、气孔、夹渣及氧化变色等缺陷。

（2） 火 炬 燃 烧 器 支 管TP310S 与A333 Cr6、TP304L、20# 主管的焊接工艺参数：1—2 道焊层；焊接方法GTAW；焊材规模φ2.5mm；焊材牌号ER309；电源种类直流正接；焊接电流60～100A；焊接电压8～12V；焊接速度3～8 cm/ min；线能量＜25 kJ/ cm。

（3）焊接时，火炬燃烧器支管（壁厚3.05mm）均与主管路支管台连接（与主管同材质，接口厚度6.02mm），每层均为单道焊，层间温度控制在200℃左右；TP304L 采用单道焊+ 多道焊工艺，道间温度不大于150℃；采用不摆动的操作方法，确保焊接质量。

（4）每一层焊完后均用专用角磨机彻底清除焊道面的熔渣等附着物，消除各种表面缺陷。

火炬燃烧器的组对示意图见图3。

图3 火炬燃烧器组对

火炬燃烧器安装完成后的现场效果图见图4—6。

图4 火炬燃烧器主管阀组部位

3 材料分析

3.1 管道材料

（1）大气式多级自引射无烟型地面火炬燃烧器、低压乙烯火炬系统和低压丙烷、丁烷火炬系统主管路设计材质为A333 Cr6。A333 Cr6 属于低温用钢，通常在最低冲击温度为- 46℃的条件下使用，因此作为乙烯、丙烷、丁烷火炬气的输送载体。从表1 中可以看出，A333 Cr6 钢中含有少量的Ni 元素,有利于提高钢的延展性，细化金属组织，同时掺入Cu 元素，提高了材料的韧性和可塑性。A333 Cr6 钢含碳量较低，因此淬硬倾向和冷裂纹倾向都比较小，材质的韧性和塑性较好，一般不易产生硬化和裂纹缺陷，可焊性好。

（2）大气式多级自引射无烟型地面火炬燃烧器、烯烃高压火炬系统和聚烯烃高压火炬系统主管路设计材质为TP304L。TP304L 为奥氏体不锈钢，通常可用于温度达- 196℃的工况，属超低温用钢，因此作为烯烃高压火炬系统和聚烯烃高压火炬系统的输送载体。从表2 可以看出，TP304L 钢中含碳量仅为0.022%，具备超低碳含量，使得在近焊缝的热影响区中尽量少地析出碳化物，从而大大降低了晶间腐蚀的风险。

（3）大气式多级自引射无烟型地面火炬燃烧器支管路设计材质为TP310S。TP310S 是一种耐热奥氏体不锈钢，连续使用温度可达1150℃，在1090℃的微循环条件下具备出色的抗氧化性；增加碳的含量后，由于其固溶强化作用使强度得到提高；由于其Ni、Cr 含量较高，因此TP310S 钢具有良好的耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱和耐高温性能。在Cr、Ni 的基础上添加了Mo 元素,使其在高温下有高的蠕变强度。

3.2 焊接材料选用

（1） 根据力学性能与化学成分相匹配的原则，A333 Cr6 钢选用塑性、韧性好的ER55- Ni1 焊丝和SRJ507RH 焊条，其含碳量更低，硬化和冷裂纹倾向更小，保证了良好的可焊性和焊接接头良好的韧性。

（2）针对TP304L 钢固定口较多，且相互贯通背部充氩保护困难，采用背面自保护焊丝TGF- 308L。其支持全位置焊接，焊接过程稳定，焊缝质量更高，背面成型好，焊渣易脱落，成型好；E308L- 16 是钛钙型超低碳不锈钢焊条，其熔敷金属含碳量＜0.02%，有很好的抗晶间腐蚀性能；TGF- 308L 和E308L- 16 的耐超低温性好，有良好的操作工艺性能。

（3）TP310S 钢与A333 Cr6 钢焊接，由于耐温性能、组织形态完全不同，物理性能和化学成分差别也较大，如果焊缝填充金属成分不当，易导致焊接接头合金元素被稀释，形成奥氏体的元素含量不足，接头出现淬硬组织，从而导致接头性能下降。因此须采用Ni＞12%的焊接材料，这样能有效避免焊缝中淬硬组织的产生。ER309 焊丝Ni 含量为13.71%，且韧性和塑性优良，满足工艺要求。 ER309 焊丝的Ni、Cr 含量均较高，有良好的耐腐蚀性能，且含碳量低，热影响区窄。

图5 安装后火炬燃烧器效果图

图6 地面火炬排管布线

4 结束语

以“BIM 优化排版—异种钢焊接工艺制定—半自动坡口机应用—管道配件切割装置机械开孔—三角支撑架工装应用—自动焊接技术”为主线进行施工，技术创新效果显著。施工中机械化程度高，无环境事故发生；采用自制工装降低起重机械使用率，环保措施有效可行。试运行中实现火炬燃烧器的无烟燃烧，保证了在中、高压条件下火炬气燃烧的稳定、安全、节能，社会效益显著。