CPE 頂管機組熱軋HRSG 用超長薄壁管的開發

王 奎，汪 浩，彭福本，張萬超，王志健，鄭 臻

（1. 常州常寶精特能源管材有限公司，江蘇 常州 213200；2. 江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇 常州 213000）

隨著鍋爐參數的不斷提高，超長鍋爐管的使用長度已達到26 m［1］。熱回收蒸汽發生器（HRSG）用超長鍋爐管常規鋼種有SA210C、SA210A1、T11、T22 等，常用規格有Ф38.1 mm ×2.40 mm、Ф38.1 mm×2.67 mm、Ф50.8 mm×2.67 mm 等。由于熱軋壁厚 ∧3.5 mm 的規格有較大難度，加上用戶對管體內外表面的苛刻要求，國內鋼管廠主要以冷加工形式生產這些鋼管；但隨著國內環保意識的增強，冷加工新上項目的審批難度大。CPE（Crossroll Piercing and Elongation）頂管機組生產工序少，不需要酸洗、潤滑及脫脂、清洗等工序，避免了廢酸的治理，同時也不需要中間退火等工序，工序能耗和生產成本低［2-4］，具備生產中薄壁鋼管的優勢。在歐洲，超長HRSG 用管均采用熱軋供貨。相比冷加工，熱軋的效率、交貨周期、成本優勢明顯。

1 生產工藝流程

常州常寶精特能源管材有限公司（簡稱常寶能源）Ф114 mm CPE 頂管機組生產熱軋HRSG 用超長薄壁管的工藝流程為：管坯檢驗→管坯鋸切→環形爐加熱→二輥錐形輥穿孔機穿孔→縮口→頂管→松棒→脫棒→熱鋸→再加熱爐加熱→除鱗→中頻感應加熱爐補熱→張力減徑→冷床冷卻→冷鋸→矯直→探傷→表面檢驗→鋸切→尺寸檢驗→噴標→打包入庫［5-6］。

2 主要技術難點及解決措施

2.1 壁厚均勻性與拉凹缺陷控制

生產薄壁管的關鍵在于控制頂管過程中的各個環節和影響因素。在軋制過程中，由于工具形狀、金屬溫度、摩擦效果等因素的不穩定和不均勻性，以及不同變形區之間的相互制約，一直存在不均勻變形［7］。軋制HRSG 用超長薄壁管時，在多重不均勻變形因素的共同影響下，極易造成壁厚不均勻，甚至出現拉凹、拉斷現象［8］。若要解決上述問題，需從以下幾個方面入手。

2.1.1 變形分配

CPE 頂管機組生產熱軋HRSG 用超長薄壁管的主要工序是穿孔、頂管和張力減徑，而合理分配3 道次的延伸，對軋制HRSG 用超長薄壁管極為重要：①設計穿孔延伸小，毛管壁厚大，對控制毛管運輸過程中的溫度下降有利，但頂管變形壓力大；②設計穿孔延伸大，毛管壁厚小，頂管變形壓力小，但毛管運輸過程中溫度下降不均嚴重；③設計張力減徑延伸小，荒管直徑變小，對減小鋼管切頭尾有利，但由此帶來芯棒直徑小對頂管不利；④設計張力減徑延伸大，荒管直徑變大，可以采用大直徑芯棒，對頂管有利，但對減少鋼管切頭尾不利。

通過生產中的多次探索，常寶能源尋找到了一套適合于HRSG 用超長薄壁管的變形分配工藝。生產Ф38.1 mm×2.67 mm×23 m 2 倍尺SA210A1 熱軋HRSG 用超長薄壁管的變形分配見表1。

表1 生產Ф38.1 mm×2.67 mm×23 m 2 倍尺SA210A1 熱軋HRSG 用超長薄壁管的變形分配

2.1.2 頂管孔型

軋制薄壁管在頂管延伸后期，隨著壁厚的減小，鋼管溫度下降較快，塑性變差［9］，孔型設計時要考慮降低單道次延伸率、減少單道次壓下量，倒數第1~3 機架輥底壓下量控制在0.7 mm 以內為宜。

生產薄壁管時，對芯棒表面質量、尺寸精度的要求較為苛刻，為了延長芯棒使用壽命，制定了Ф100 mm、Ф97 mm、Ф94 mm 芯棒3 種軋制工藝，芯棒可順改使用，從而降低成本。生產Ф38.1 mm×2.67 mm 規格熱軋HRSG 用超長薄壁管時，Ф100 mm、Ф97 mm 芯棒頂管孔型的設計方案見表2~3。

2.1.3 芯棒尺寸均勻性

芯棒作為頂管過程中最重要的工模具，其外徑尺寸精度直接影響荒管管體縱向壁厚均勻性，并最終反映在成品管的壁厚上。另外，局部尺寸不均還會增加變形的不均勻性，增加拉斷事故發生的概率。在生產薄壁管時，一般要將芯棒尺寸極差控制在 ∧0.2 mm。主要采取以下措施控制芯棒尺寸的均勻性：

（1） 控制同組芯棒的尺寸差。每一組芯棒有19 支左右，每一支芯棒直徑大小不一，生產出來的荒管壁厚就會不同，導致同一批鋼管壁厚偏差大；因此，通過定尺投料，對比成品長度差，剔除尺寸偏大或偏小的芯棒。

表2 Ф100 mm 芯棒頂管AO11+4 孔型設計方案

表3 Ф97 mm 芯棒頂管B05+4 孔型設計方案

（2） 控制同一支芯棒沿長度方向的尺寸差。由于芯棒頭部溫度高、磨損快，芯棒沿長度方向的尺寸差會導致荒管沿長度方向壁厚偏差大；因此，重點控制芯棒頭部4 m 范圍與其他部位的尺寸差異。

（3） 對于尺寸偏差超標的芯棒，有針對性地進行修磨、輾軋，縮小整組芯棒的尺寸差異。

（4） 芯棒在使用過程中，頭部與毛管接觸時間長、溫度高，而尾部溫度較低，需對芯棒采取頭部局部冷卻、尾部補熱、控制節奏等手段，保證芯棒尺寸的一致性。

2.1.4 芯棒溫度控制

軋制薄壁管時，由于頂管后荒管壁厚薄，溫度損失快，荒管對芯棒傳熱不足，因此芯棒溫度比生產中厚壁管時低。芯棒溫度低，會導致軋制過程中荒管溫度下降快，鋼管塑性變差。一般采取以下措施控制芯棒溫度：

（1） 保證較高的芯棒溫度。設置較高的芯棒投入溫度，保證軋制過程中芯棒溫度在500~550 ℃，結合軋制節奏，減少芯棒投用支數，一般控制在19 支左右。

（2） 對芯棒尾部進行局部補熱。與荒管尾部2 m 接觸的芯棒部位和高溫荒管接觸的時間最短，另外還要向沒有包荒管部位傳遞熱量，因此溫度相對較低；在頂管軋制后期荒管與該部分接觸時，鋼管溫度降低、塑性變差，易產生尾部拉凹、拉斷事故，需對該部分進行局部補熱。

2.1.5 芯棒潤滑控制

芯棒潤滑不均勻容易造成薄壁管軋制產生內表面拉凹情況。針對薄壁管生產，采用低濃度、多道次噴涂，改善潤滑均勻性控制管壁拉凹缺陷。

（1） 芯棒潤滑低濃度、多道次噴涂。潤滑劑濃度一般固定在27%，多道次布置。

（2） 改善潤滑均勻性。采用周向6 噴嘴等分布置，噴出溶液呈扇形，噴涂方向與芯棒軸向垂直，實現芯棒表面均勻全覆蓋。

（3） 軋制薄壁管，芯棒在線定期輾軋，可以更好地保障芯棒表面狀態穩定。但由于常寶能源采用的是離線輾軋，不具備在線輾軋條件，要求每軋制1 000 支鋼管更換1 組芯棒。

2.1.6 再加熱溫度均勻性

生產HRSG 用超長薄壁管時，張力減徑采用強張力減徑減壁，平均張力系數在0.6 左右，機架間拉應力較大［10］。再加熱爐爐壓偏低會導致步進梁溫度高于爐氣溫度，與步進梁接觸的鋼管溫度高于其他區域鋼管的溫度；同時，在高溫情況下，和步進梁接觸的鋼管與步進梁相對摩擦，會導致一定量的壁厚減薄，在強張力減徑的作用下，造成壁厚拉薄。

通過控制燒嘴開度及加熱爐爐壓，避免爐底溫度過高，采用快速步進，避免荒管長時間高溫加熱，可有效避免因局部溫度過高造成的拉凹現象。

2.1.7 其 他

軋制薄壁管時，需對芯棒預熱溫度和出爐節奏、機架冷卻水、機架更換頻次以及芯棒回爐保溫等進行嚴格控制。

2.2 表面質量控制

ASME SA 450/SA 450M—2013《碳鋼、鐵素體合金鋼和奧氏體合金鋼鋼管通用要求》［11］中對渦流刻傷要求“鉆孔直徑≤0.8 mm”，超聲波探傷按L4等級。HRSG 用超長薄壁管公稱壁厚均在2.7 mm、3.0 mm 左右，樣傷深度淺；因此，控制內外表面缺陷難度很大。

對外表面質量的控制，主要是控制與管體接觸的工模具表面、輸送設備表面質量，以及輸送過程中產生的擦碰，在此不作贅述。以下重點對內表面缺陷的控制進行說明。

2.2.1 穿孔過程產生的內表面缺陷控制

（1） 頂頭使用控制：逐支監控，減少穿孔頂頭粘鋼、掉肉、鼻部磨損嚴重等缺陷造成的內壁缺陷。

（2） 優化加熱溫度及穿孔調整參數。根據芯棒外徑確定毛管內徑尺寸，工模具配備與調整參數相對穩定，避免調整不當造成的內折缺陷。

（3） 調整毛管輸出升降輥道，降低穿孔小車回退速度，減緩毛管拉回時的跳動。

2.2.2 預穿過程產生的缺陷控制

通過對毛管直度、預穿中心、芯棒直度等關鍵因素的控制和改善，降低預穿過程造成的內傷缺陷。

（1） 插棒間隙從常規的6 mm 放大至8~10 mm，盡量避免預穿過程中芯棒與毛管接觸。

（2） 通過穿孔設備中心和軋制中心調整、降低穿孔轉速，改善毛管直度。

（3） 通過芯棒輾軋、芯棒熱處理與預熱溫度的均勻性控制，改善芯棒端部直度［12］。

（4） 芯棒端部臺階倒圓角，上線使用前拋光，減輕芯棒端部與毛管接觸后的鏟傷程度。

（5） 考慮芯棒預穿時懸臂效果，預穿輥道傾斜布置并可調整。

（6） 控制預穿速度，一般按1m/s 控制，預穿過程芯棒與毛管同時前進，并盡量減小速度差。

2.2.3 頂管延伸過程產生的缺陷控制

頂管工序總延伸系數較大，單機架壓下量也較大［13］，在頂管過程芯棒與鋼管內壁摩擦，芯棒表面粗糙、潤滑不足和不均勻是產生鋼管內表面缺陷的主要原因［10］。

（1） 芯棒輾軋質量控制。芯棒輾軋導板及時修磨更換，避免造成芯棒表面劃傷。保證芯棒表面無輾軋毛刺，表面粗糙度Ra 一般要達到3.2 μm。

（2） 脫棒后使用芯棒除鱗系統，去除黏附在芯棒表面的氧化皮。

（3） 潤滑噴涂的噴嘴周向均勻布置，采用多道次交叉涂油的方式，以保證芯棒涂油均勻、全覆蓋。減少因潤滑不足，芯棒與鋼管內壁干摩擦導致的拉傷。

（4） 潤滑劑在線多道過濾、沉淀，并制定制度定期清理循環系統的殘渣，保證潤滑劑清潔度。

2.3 性能控制

ASME SA 210/SA 210M—2013《鍋爐和過熱器用碳鋼無縫鋼管》標準［14］中的6.1 節要求“熱精整管不需要熱處理”。常寶能源在初試生產HRSG 用管階段，其性能往往達不到要求，尤其是SA210A1的硬度值。

HRSG 用超長薄壁管具有小規格、薄壁的特點，這決定了張力減徑工序需要大延伸（常寶能源CPE 頂管機組在生產該系列產品時，其張力減徑工序的減徑率在70%左右，總延伸系數在4.5 以上，張力減徑機架使用個數在20 機架以上）。薄壁管生產時，除鱗造成荒管溫降快、多機架軋制也會造成荒管溫降大，要保證鋼管終軋溫度在奧氏體化轉變結束溫度Ac3以上，從而保證硬度符合要求是一個難點。

通過摸索，提出了以下性能控制措施：

（1） 降低原料碳含量。在管坯采購時，降低碳含量，從0.11%~0.17%降低到0.11%~0.14%。

（2） 提高張力減徑工序的開軋溫度。張力減徑軋制前使用中頻加熱，對除鱗后荒管進行快速補熱。開軋溫度控制在980 ℃以上，終軋溫度在Ac3線以上。

（3） 降低鋼管冷卻速率。在冷床入口1.5 m 寬度內加裝上下保溫罩，控制成品管高溫段的冷卻速率。

實踐證明，采取以上措施可使HRSG 用超長薄壁管的硬度值穩定控制在內控范圍內。

3 生產效果

2014 年1 月—2015 年9 月，常寶能源共計入庫HRSG 用超長薄壁管16 977.4 t，經過持續改善，產品尺寸精度，力學性能，內外表面質量均符合國家標準，滿足用戶要求。

3.1 探傷合格率

HRSG 用超長薄壁的無損檢驗參照ASTM E 213—2014《金屬管材超聲波檢驗的標準操作方法》、ASTM E 309—2011《鋼材管制品的磁飽和渦流檢測實施方法》要求進行，刻傷要求參照ASME SA 450/SA 450M—2013 標準進行。目前渦流探傷合格率在97%以上，超聲波探傷合格率在95%以上，探傷最終合格率可穩定在90%以上。

3.2 幾何尺寸

目前，常寶能源HRSG 用超長薄壁管的外徑公差控制在0.3 mm 左右，壁厚公差在（0~30%）S，完全滿足ASME SA 450/SA 450M—2013 標準及客戶要求。Ф38.1 mm×2.67 mm 規格HRSG 用超長薄壁管的幾何尺寸見表4。

表4 Ф38.1 mm×2.67 mm 規格HRSG用超長薄壁管的幾何尺寸

3.3 力學性能

常寶能源生產的HRSG 用超長薄壁管的各項性能指標良好，均達到ASME SA 210/SA 210M—2013 標準和客戶要求。Ф38.1 mm×2.67 mm 規格HRSG 用超長薄壁管SA210A1 的力學性能見表5。

表5 Ф38.1 mm×2.67 mm 規格HRSG用超長薄壁管SA210A1 的力學性能

4 結 論

（1） 常寶能源CPE 頂管機組，通過工藝優化，實現熱軋代替冷加工，生產出滿足標準要求的HRSG 用超長薄壁管，且各項指標明顯高出用戶要求。

（2） 通過優化變形分配、頂管孔型優化、芯棒尺寸和溫度控制，可有效減少拉斷事故和拉凹缺陷，實現頂管軋制3.0～3.3 mm 壁厚HRSG 用薄壁管的穩定生產。

（3） 通過除鱗后、張力減徑前的中頻補熱，及張力減徑后的冷卻速率控制，可穩定地控制熱軋小直徑HRSG 用超長薄壁管的性能。

（4） 熱軋HRSG 用超長薄壁管的合格率控制穩定，且交貨期短、成本低。

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