火炬頭裂縫形成原因及處理方案

郝麗珍

江蘇中圣高科技產業有限公司 江蘇南京 210000

1 富氫低熱值火炬頭情況介紹

本項目中的富氫低熱值火炬頭用于處理裝置開停車和事故狀態下排放的富含H2（體積含量超30%）的火炬氣，并于2014年投入使用，火炬運行初期未發現火炬頭異樣。后期，火炬頭處出現回火爆鳴、喘震，且在接近火炬頭與筒體法蘭連接處發現明火，可以確定此處發生火炬氣泄漏。在停工檢修期間，對火炬頭檢查發現，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行環境較苛刻，在開停車或裝置事故期間，火炬頭頂上有火焰燃燒，本文從火炬頭設備本體材質、火炬工藝系統設置、現場操作情況來分析火炬頭裂縫形成原因。

2.1 火炬頭材質

火炬頭處于高溫環境，其上部材質一般為耐高溫的材料310SS，下部為304SS，設計圖紙顯示，鼓包、開裂部位的材質為304SS，如果此處材質不合格，難以承受火炬氣燃燒產生的輻射熱及高溫，在火炬運行期間，火炬頭會變形，開裂。

2.2 火炬系統存在小流量火炬氣

富氫低熱值火炬頭的最小設計排放量為49500Nm3/h，在此排放量下，火炬頭出口速度為6．8m/s，不會發生悶燒、回火。但實際運行過程中，裝置開停車火炬氣量隨時間推移而逐漸減少，當排放量減少到1100Nm3/h，火炬頭出口流速≤0．15m/s，火炬頭發生燜燒，即火炬氣在火炬頭中燃燒，導致火炬頭的溫度超出其設計溫度，火炬頭因高溫而軟化變形，形成破壞條件[1]。與火炬系統相連接的裝置設備閥門的泄漏等級不滿足設計要求，導致裝置不斷向火炬系統泄漏小量的可燃氣體，該部分可燃氣體同樣在火炬頭內部燜燒。

2.3 慣性負壓導致回火發生

正常情況下，火炬系統中在火炬與裝置之間有一個水封罐，水封罐中安全水封的設定可以阻止火焰向裝置蔓延，以保證裝置安全。當火炬氣量減少到不能突破水封罐的安全水封值（300mm）時，火炬氣在火炬管網里聚集，導致火炬管網壓力逐漸升高，就會突破安全水封；突破水封之后，管網壓力釋放，安全水封重新建立，火炬氣繼續在火炬管網聚集，如此反復。已沖破安全水封的火炬氣因慣性繼續向前，一直到火炬頭沖出、燃燒后排放，但由于無后續火炬氣補充，在主火炬筒體處形成慣性負壓，隨著負壓處壓力逐漸平衡，會將火炬頭處的氣體（包含有空氣）吸入火炬頭，導致在火炬頭內部回火爆鳴。如此反復，直至火炬頭薄弱處出現裂縫，空氣開始從裂縫處進入火炬頭，加劇火炬頭的回火爆鳴，火炬頭裂縫進一步擴大，如此惡性反復，導致火炬頭變形、撕裂[2]。

2.4 水封罐安全水封過高

水封罐的液位計靠近火炬氣入口管，在火炬氣排放期間，水封水被火炬氣吹開行成鍋形，導致液位計測得的數據小于實際水封值。現場操作為維持安全水封（300mm），將排水水封的液位控制閥關閉，打開連續補水閥一直補水，導致水封罐內的實際液位高于安全水封，加劇了火炬官網憋壓、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 檢測火炬頭材質

一般情況下，火炬頭設備進廠之前需經過檢測，合格的情況下業主才可能接收。為確保火炬頭的材質滿足設計要求，需要重新對火炬頭取樣分析。

3.2 修復火炬頭裂縫

由于檢修期間無備用火炬頭，無法實現火炬頭更換，需要檢查火炬頭本體，找出所有裂縫，并修復火炬頭裂縫。采用裂縫處相同材質的鋼板（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部氣體的接觸。

3.3 火炬系統設置小流量火炬

在水封罐前的火炬氣管道上接DN200的小流量火炬氣管道，經小流量水封罐后，送火炬頭處，依附在火炬頭旁邊燃燒排放。火炬氣管線上可設置遠程操作開關閥，便于控制室操作。當裝置開停車負荷減小到一定程度，打開小流量火炬管線開關閥，火炬氣去小流量火炬燃燒排放，保護火炬頭防止燜燒。系統詳見圖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設計規范》中8．2．25b）要求，對于含有氫氣、乙炔、環氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性氣體水封高度不應小于300mm。本項目火炬氣中含有氫氣，有效水封高度按照300mm設計，按照多個項目的工程經驗，火炬氣在該水封值下不會發生爆鳴、喘震。由于現場操作工將排水閥關閉，導致水封罐中的污水無法排出，水封液面越來越高，有效水封值也越來越大，導致實際的有效水封值＞300mm，如圖2所示。操作中應該保持排水閥處于常開狀態[3]。

圖1 小流量火炬系統圖

圖2 水封罐有效液位的控制

4 結語

火炬頭是火炬系統中最為重要的設備之一，應從火炬系統設計、現場實際操作等處著手，預防火炬頭燜燒回火的發生，以延長火炬頭的使用壽命。