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(dá)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(dá)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(fù)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(hù)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(jī)電管線綜合應(yīng)用技術(shù)，對火炬燃燒器管路進(jìn)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(jī)對坡口進(jìn)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(jìn)行機(jī)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(jìn)行安裝，安全可靠，靈活機(jī)動；采用自動焊接技術(shù)對主管路活動口進(jìn)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(jìn)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(qiáng)。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(jī)，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(jìn)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(jī)械開孔

（1）采用管道配件切割裝置對主管道進(jìn)行機(jī)械開孔。開孔過程中，將已標(biāo)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(rèn)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(jī)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(xì)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(zhǔn)確；焊接操作臂+ 全角度變位機(jī)+ 焊槍角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對焊槍進(jìn)行多位置、多角度轉(zhuǎn)換，保證了焊接質(zhì)量要求；強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，保證了整機(jī)長時間可靠運行，滿足了進(jìn)度要求；焊接電源采用奧太WSM400，其具有可靠性、可維護(hù)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(hù)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(hù)，內(nèi)保護(hù)措施采用管子整體充氬。為了取得良好的保護(hù)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(dá)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(jìn)行測量控制。每一層每一道焊完后均采用專用砂輪磨光機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)，且節(jié)約成本，靈巧機(jī)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(jī)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(xì)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_(dá)- 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(dá)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(qiáng)化作用使強(qiáng)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(qiáng)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(hù)困難，采用背面自保護(hù)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(dāng)，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(jī)應(yīng)用—管道配件切割裝置機(jī)械開孔—三角支撐架工裝應(yīng)用—自動焊接技術(shù)”為主線進(jìn)行施工，技術(shù)創(chuàng)新效果顯著。施工中機(jī)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(jī)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。