1火炬管线震动

1.1火炬气管线震动原因分析及解决办法

火炬气管道在工厂稳定运行的情况下，管道内气体流速一般很小并且火炬管道温度接近环境温度，不会震动。在事故工况下，火炬气管道流速急速升高至几十米每秒到上百米每秒。一般情况下，含有可燃液滴的火炬气管道控制流速为不超过0.5马赫，不含可燃液体的火炬气管道控制流速不超过0.7马赫。例如，珠海大粤湾石化原料项目加氢裂化装置的高压高温火炬气排放规模为1200000Nm³/h，温度为270℃，火炬气管道末端的火炬气流速在210m/s;陕西延长石油中煤榆林能源化工有限公司气化装置的高压高温泄放达到935709Nm³/h，温度为246℃，火炬气管道末端的火炬气流速在217m/s。火炬气高速气流遇到弯头或 三通等改变流向或流速的部位，均产生较大的作用力，产生高噪音或强烈震动，甚至会产生较大的位移。尤其，火炬气管道内气、液两相冲击力量的多向性和数值的多变性，会造成管道及其支撑钢结构的破坏。目前，这种高速冲泄流对管道的影响，国内外的工程手段均无法准确计算。

石化企业的大口径火炬管道通常具有尺寸大和重量大的特点。火炬管道设计中如果过于强调管道的柔性设计，而忽略高速冲泄流的影响，会造成一些弯头处规律性水平与竖向晃动，继而带动数十米的火炬管线规律性移动，管线通过摩擦力传递给支撑钢结构和下面的混凝土基础引发位移变化，严重时会引发管道失稳托架或管道破裂。这种周期性或规律性的位移对管道及其支撑的影响是严重的，必须受到重视。针对这种情况，常常采取如下措施来缓解或者消除：

（1）火炬管道尽量避免用短半径弯头。短半径弯头会造成气流流向和流速更加急剧变化，增加气流对管道的冲击影响。

（2）管道在比较小的空间里XYZ方向上均有管道走向变化，通常具有较好的柔性，一般都能够通过应力计算；但是，此种情况一般不抗气流冲击。建议应该水平方向上有适度的限位和导向和增加必要的垂直支撑。这些支架是在CAESARⅡ软件计算通过后，根据经验额外增加，并应该重新进行应力校验。

（3）对于用独立柱来支撑火炬气管道，尽量用组合架来支撑管道，尽量避免单根型钢来支撑大口径火炬管道。另外，为减少管道摩擦对下面结构的影响，管道与结构宜采用聚四氟乙烯低摩擦管托。

（4）对于含有液体并且火炬气设计流速很高的火炬气管道应该慎重利用膨胀节。国内目前有数起膨胀节运行一段时间出现破裂并造成火炬气泄漏的情况。《压力管道规范 工业管道 第三部分：设计和计算》GB/T20801.3-2020，已经允许DN400以上的火炬气管道采用金属波纹膨胀节进行热补偿，但是也附加了较为苛刻的条件，尤其增加防止凝结液在波纹膨胀节处聚集的措施，并且专门强调火炬排放总管的热补偿应采用自然补偿。

（5）对于含有可燃液体的火炬气管道的固定点止推力，除了不应小于CAESARⅡ软件的计算数值外，也不应该小于SH3009-2013《石油化工企业可燃性气体排放系统设计规范》中表7.2.4 固定管架水平推力的要求，如下表所示。

表7.2.4-1  固定管架水平推力

另外，火炬气流向相反造成的对撞情况必须避免。在陕西榆林一个煤化工项目，则是出现了严重的设计错误，不得不修改火炬气管道。火炬气的对撞问题。如下图所示：

上述配管办法，即使在火炬气处于流量不大的情况下，也会造成两股火炬气相互对撞而管线周期性左右晃动，设计上必须杜绝。

2. 管道堵塞问题分析及解决思路

造成火炬气管道堵塞的直接原因为火炬气管道中形成了相当数量的固体，无法像气体和液体一样流动，越来越多，造成管线的流动面积减小甚至完全封堵。完全堵塞的情况是极其危险的，必须尽快找到原因，解除堵塞。火炬气管道的固体主要来源于三个方面，分别是介质的相互反应生成固体、管道中含有水或其他高凝点的物质、管道锈蚀或者火炬气中自带的固体例如催化剂等。

2.1 铵盐堵塞及解堵办法

火炬气管道的介质相互发生反应，多数发生在酸性火炬气管线中。国内发生过数起酸性火炬气管道堵塞的情况，例如福建联合石化酸性火炬筒体堵塞、宁夏宝丰酸性火炬筒体堵塞以及榆林某煤化工厂出现的酸性火炬筒体堵塞。分析原因，这些酸性火炬中均含氨气和硫化氢或二氧化碳等介质。氨气在常温下与硫化氢或者二氧化碳反应，形成硫化氢铵或者碳酸氢铵等，并且逐渐阻塞火炬气管道。堵塞点主要集中在火炬筒体的三十到五十米之间的管段上。分析原因，酸性火炬管道整个地面以上部分是蒸汽伴热的，长期维持在100℃以上，在此温度区间，铵盐不稳定，重新分解为气体；唯独酸性火炬筒体不伴热，火炬气自火炬管道上升过程中，温度逐渐降低至60℃以下，为铵盐生成创造了条件。数起工程案例表明，在光管30余米左右的地方陆续出现固体结晶。针对铵盐热分解的特性以及形成机理，可以采取如下几种措施。

方法一，酸性火炬管线及火炬筒体全程保温并蒸汽伴热，维持管道处于高温状态，推荐维持在100℃以上。当时榆林某化工厂的解堵方案就是在筒体以下三十余米做了保温和蒸汽伴热，经过了三天左右时间将管线成功解堵。

方法二，在火炬筒体上设置永久蒸汽吹扫口。操作人员一旦发现管道有冻堵情况，注入蒸汽将铵盐分解。蒸汽吹扫口的位置推荐在50米至60米之间的酸性火炬筒体上，吹扫口大小不小于DN25。

方法三，利用水封罐对火炬气进行酸洗或者碱洗，去除氨气或者硫化氢等。本方法虽然理论可行，但是会生成较多的铵盐和废水，增加处理困难，不推荐。

另外，建议酸性火炬气管道引出制线至其他火炬气排放管道并用阀门隔断，平时阀门为关闭状态。一旦发现火炬筒体堵塞，在解堵的期间，开启阀门将酸性气分流至其他火炬气排放管道，本手段可以视为应急情况下的临时措施。

2.2冻堵及解堵办法

火炬气管道含有水或者高凝固点的物质（例如高浓度苯等），在冬季时候，也会造成固体结晶，造成管线流通面积下降甚至完全冻堵。这种情况，一般堵塞点发生在火炬管道上，没有特点的位置分布，没有听说出现在竖直火炬筒体的案例。对火炬气管道进行保温和伴热即可，温度维持在凝固点以上5℃即可。

2.3其他注意事项

除非火炬气很洁净并且不含液体，一般情况推荐用水封罐阻断回火爆炸对上游装置的影响，不推荐用阻火器。这是因为阻火器容易被堵塞。如果已经设置阻火器的情况下，建议对阻火器的配置进行完善。主要措施如下：

（1） 并联一个同等处理能力的阻火器，以应对正在工作的阻火器堵塞的情况；

（2） 对阻火器进行保温伴热，并增加蒸汽吹扫；

（3） 阻火器前后设置压差报警，以提醒操作人员及时采取措施；

（4） 阻火器并联爆破片或者爆破针阀门，作为备用手段。

3、火炬气管线的负压运行

3.1. 火炬气管线的负压状态及防护措施

雨雪等寒冷天气，高温火炬气排放结束后，气体的热容比较小，管线受外界环境因素的影响，会在很短的时间内降低至环境温度，火炬气管道中的高沸点的组分（例如苯、乙醇、甲醇等）会由气态变为液态，造成火炬气管道内压力快速降低至负压，某些工况下甚至接近全真空状态。负压情况下，会破坏水封罐建立起来的安全水封，另外空气也可能通过火炬气管道的沙眼进入火炬排放系统中，由于沙眼的面积小，流入火炬系统的空气量不大，一般不会造成火炬气管线中的氧含量超标。国内有中国石化工程公司专家对本情况进行了研究，得出DN1800的火炬气排放管道，在排放温度为261℃的情况下，需要氮气补充量为29000Nm³/h。如果按照此量进行补充，将会严重冲击工厂的氮气平衡，难以落到实处。因此，在负压不可避免的情况下，如何降低本负压状态对火炬系统的影响才是关键。在有可能出现近似全真空的工况下，设计中应该注意以下问题：

（1）水封罐内的有效水封水量应至少能够在可燃性气体排放管网出现负压时，满足水封罐入口立管10m充满水量。水封罐应该有充足的容积；另外水封罐的入口管道水平段高度应该严格计算，保证10m的液柱高度。

（2）分液罐和分液罐上游管道，应该按照全真空进行设计。

（3）全厂的火炬气排放管道上应该设置压力变送器，并联锁氮气补气阀门，负压工况下进行适当补压。氮气的补气速率，应该受到限制不应造成全厂氮气系统压力极速衰减，从而造成其他不利影响。                 

4 、 结  论

作者根据自己十多年的火炬工程设计经验，针对火炬气排放管道设计中存在的细节问题提出了一些解决问题的思路和方案，在一些工程时间中，有比较好的效果，希望对同行业的工程技术人员有一定的借鉴意见。鉴于编者水平有限，欢迎同行能够批评指正。

参考文献

[1] SH3009-2013，石油化工可燃性气体排放系统设计规范 [S]

[2] SY10043-2002，泄压和减压系统指南 [S]

[3] API 521，Presure-relieing and Depressing Systems [S]

[4] 韩钧. 炼油厂火炬系统工艺设计探讨  [J].石油化工安全技术，2002,18（2）:21-24

[5] 王震东.国内外石化行业火炬污染排放控制标准与规范研究  [J].环境科学研究 第32卷 第9期

[6]  刘彦波.突破炼油厂火炬气计量的难点  [J].中国计量 2010.1

[7]  李凤奇.火炬气排放管道骤冷温降动态特性研究  [J].安全与环保设计 2013年第29卷第3期。