CPE 頂管機(jī)組熱軋HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管的開(kāi)發(fā)

王 奎，汪 浩，彭福本，張萬(wàn)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(shù)的不斷提高，超長(zhǎng)鍋爐管的使用長(zhǎng)度已達(dá)到26 m［1］。熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG）用超長(zhǎng)鍋爐管常規(guī)鋼種有SA210C、SA210A1、T11、T22 等，常用規(guī)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(guī)格有較大難度，加上用戶對(duì)管體內(nèi)外表面的苛刻要求，國(guó)內(nèi)鋼管廠主要以冷加工形式生產(chǎn)這些鋼管；但隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，冷加工新上項(xiàng)目的審批難度大。CPE（Crossroll Piercing and Elongation）頂管機(jī)組生產(chǎn)工序少，不需要酸洗、潤(rùn)滑及脫脂、清洗等工序，避免了廢酸的治理，同時(shí)也不需要中間退火等工序，工序能耗和生產(chǎn)成本低［2-4］，具備生產(chǎn)中薄壁鋼管的優(yōu)勢(shì)。在歐洲，超長(zhǎng)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(yōu)勢(shì)明顯。

1 生產(chǎn)工藝流程

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

2 主要技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

2.1 壁厚均勻性與拉凹缺陷控制

生產(chǎn)薄壁管的關(guān)鍵在于控制頂管過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)和影響因素。在軋制過(guò)程中，由于工具形狀、金屬溫度、摩擦效果等因素的不穩(wěn)定和不均勻性，以及不同變形區(qū)之間的相互制約，一直存在不均勻變形［7］。軋制HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管時(shí)，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(xiàn)拉凹、拉斷現(xiàn)象［8］。若要解決上述問(wèn)題，需從以下幾個(gè)方面入手。

2.1.1 變形分配

CPE 頂管機(jī)組生產(chǎn)熱軋HRSG 用超長(zhǎng)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(duì)軋制HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管極為重要：①設(shè)計(jì)穿孔延伸小，毛管壁厚大，對(duì)控制毛管運(yùn)輸過(guò)程中的溫度下降有利，但頂管變形壓力大；②設(shè)計(jì)穿孔延伸大，毛管壁厚小，頂管變形壓力小，但毛管運(yùn)輸過(guò)程中溫度下降不均嚴(yán)重；③設(shè)計(jì)張力減徑延伸小，荒管直徑變小，對(duì)減小鋼管切頭尾有利，但由此帶來(lái)芯棒直徑小對(duì)頂管不利；④設(shè)計(jì)張力減徑延伸大，荒管直徑變大，可以采用大直徑芯棒，對(duì)頂管有利，但對(duì)減少鋼管切頭尾不利。

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

表1 生產(chǎn)Ф38.1 mm×2.67 mm×23 m 2 倍尺SA210A1 熱軋HRSG 用超長(zhǎng)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(shè)計(jì)時(shí)要考慮降低單道次延伸率、減少單道次壓下量，倒數(shù)第1~3 機(jī)架輥底壓下量控制在0.7 mm 以內(nèi)為宜。

生產(chǎn)薄壁管時(shí)，對(duì)芯棒表面質(zhì)量、尺寸精度的要求較為苛刻，為了延長(zhǎng)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(chǎn)Ф38.1 mm×2.67 mm 規(guī)格熱軋HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管時(shí)，Ф100 mm、Ф97 mm 芯棒頂管孔型的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2~3。

2.1.3 芯棒尺寸均勻性

芯棒作為頂管過(guò)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(huì)增加變形的不均勻性，增加拉斷事故發(fā)生的概率。在生產(chǎn)薄壁管時(shí)，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(chǎn)出來(lái)的荒管壁厚就會(huì)不同，導(dǎo)致同一批鋼管壁厚偏差大；因此，通過(guò)定尺投料，對(duì)比成品長(zhǎng)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(shè)計(jì)方案

表3 Ф97 mm 芯棒頂管B05+4 孔型設(shè)計(jì)方案

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

（3） 對(duì)于尺寸偏差超標(biāo)的芯棒，有針對(duì)性地進(jìn)行修磨、輾軋，縮小整組芯棒的尺寸差異。

（4） 芯棒在使用過(guò)程中，頭部與毛管接觸時(shí)間長(zhǎng)、溫度高，而尾部溫度較低，需對(duì)芯棒采取頭部局部冷卻、尾部補(bǔ)熱、控制節(jié)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(shí)，由于頂管后荒管壁厚薄，溫度損失快，荒管對(duì)芯棒傳熱不足，因此芯棒溫度比生產(chǎn)中厚壁管時(shí)低。芯棒溫度低，會(huì)導(dǎo)致軋制過(guò)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(shè)置較高的芯棒投入溫度，保證軋制過(guò)程中芯棒溫度在500~550 ℃，結(jié)合軋制節(jié)奏，減少芯棒投用支數(shù)，一般控制在19 支左右。

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

2.1.5 芯棒潤(rùn)滑控制

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

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

（2） 改善潤(rùn)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(shí)現(xiàn)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(tài)穩(wěn)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(chǎn)HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管時(shí)，張力減徑采用強(qiáng)張力減徑減壁，平均張力系數(shù)在0.6 左右，機(jī)架間拉應(yīng)力較大［10］。再加熱爐爐壓偏低會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)梁溫度高于爐氣溫度，與步進(jìn)梁接觸的鋼管溫度高于其他區(qū)域鋼管的溫度；同時(shí)，在高溫情況下，和步進(jìn)梁接觸的鋼管與步進(jìn)梁相對(duì)摩擦，會(huì)導(dǎo)致一定量的壁厚減薄，在強(qiáng)張力減徑的作用下，造成壁厚拉薄。

通過(guò)控制燒嘴開(kāi)度及加熱爐爐壓，避免爐底溫度過(guò)高，采用快速步進(jìn)，避免荒管長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱，可有效避免因局部溫度過(guò)高造成的拉凹現(xiàn)象。

2.1.7 其 他

軋制薄壁管時(shí)，需對(duì)芯棒預(yù)熱溫度和出爐節(jié)奏、機(jī)架冷卻水、機(jī)架更換頻次以及芯棒回爐保溫等進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.2 表面質(zhì)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(duì)渦流刻傷要求“鉆孔直徑≤0.8 mm”，超聲波探傷按L4等級(jí)。HRSG 用超長(zhǎng)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(nèi)外表面缺陷難度很大。

對(duì)外表面質(zhì)量的控制，主要是控制與管體接觸的工模具表面、輸送設(shè)備表面質(zhì)量，以及輸送過(guò)程中產(chǎn)生的擦碰，在此不作贅述。以下重點(diǎn)對(duì)內(nèi)表面缺陷的控制進(jìn)行說(shuō)明。

2.2.1 穿孔過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)表面缺陷控制

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

（2） 優(yōu)化加熱溫度及穿孔調(diào)整參數(shù)。根據(jù)芯棒外徑確定毛管內(nèi)徑尺寸，工模具配備與調(diào)整參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，避免調(diào)整不當(dāng)造成的內(nèi)折缺陷。

（3） 調(diào)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(shí)的跳動(dòng)。

2.2.2 預(yù)穿過(guò)程產(chǎn)生的缺陷控制

通過(guò)對(duì)毛管直度、預(yù)穿中心、芯棒直度等關(guān)鍵因素的控制和改善，降低預(yù)穿過(guò)程造成的內(nèi)傷缺陷。

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

（2） 通過(guò)穿孔設(shè)備中心和軋制中心調(diào)整、降低穿孔轉(zhuǎn)速，改善毛管直度。

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

（4） 芯棒端部臺(tái)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(yù)穿時(shí)懸臂效果，預(yù)穿輥道傾斜布置并可調(diào)整。

（6） 控制預(yù)穿速度，一般按1m/s 控制，預(yù)穿過(guò)程芯棒與毛管同時(shí)前進(jìn)，并盡量減小速度差。

2.2.3 頂管延伸過(guò)程產(chǎn)生的缺陷控制

頂管工序總延伸系數(shù)較大，單機(jī)架壓下量也較大［13］，在頂管過(guò)程芯棒與鋼管內(nèi)壁摩擦，芯棒表面粗糙、潤(rùn)滑不足和不均勻是產(chǎn)生鋼管內(nèi)表面缺陷的主要原因［10］。

（1） 芯棒輾軋質(zhì)量控制。芯棒輾軋導(dǎo)板及時(shí)修磨更換，避免造成芯棒表面劃傷。保證芯棒表面無(wú)輾軋毛刺，表面粗糙度Ra 一般要達(dá)到3.2 μm。

（2） 脫棒后使用芯棒除鱗系統(tǒng)，去除黏附在芯棒表面的氧化皮。

（3） 潤(rùn)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(rùn)滑不足，芯棒與鋼管內(nèi)壁干摩擦導(dǎo)致的拉傷。

（4） 潤(rùn)滑劑在線多道過(guò)濾、沉淀，并制定制度定期清理循環(huán)系統(tǒng)的殘?jiān)ＷC潤(rùn)滑劑清潔度。

2.3 性能控制

ASME SA 210/SA 210M—2013《鍋爐和過(guò)熱器用碳鋼無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)［14］中的6.1 節(jié)要求“熱精整管不需要熱處理”。常寶能源在初試生產(chǎn)HRSG 用管階段，其性能往往達(dá)不到要求，尤其是SA210A1的硬度值。

HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管具有小規(guī)格、薄壁的特點(diǎn)，這決定了張力減徑工序需要大延伸（常寶能源CPE 頂管機(jī)組在生產(chǎn)該系列產(chǎn)品時(shí)，其張力減徑工序的減徑率在70%左右，總延伸系數(shù)在4.5 以上，張力減徑機(jī)架使用個(gè)數(shù)在20 機(jī)架以上）。薄壁管生產(chǎn)時(shí)，除鱗造成荒管溫降快、多機(jī)架軋制也會(huì)造成荒管溫降大，要保證鋼管終軋溫度在奧氏體化轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Ac3以上，從而保證硬度符合要求是一個(gè)難點(diǎn)。

通過(guò)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(gòu)時(shí)，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(kāi)軋溫度。張力減徑軋制前使用中頻加熱，對(duì)除鱗后荒管進(jìn)行快速補(bǔ)熱。開(kāi)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(nèi)加裝上下保溫罩，控制成品管高溫段的冷卻速率。

實(shí)踐證明，采取以上措施可使HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管的硬度值穩(wěn)定控制在內(nèi)控范圍內(nèi)。

3 生產(chǎn)效果

2014 年1 月—2015 年9 月，常寶能源共計(jì)入庫(kù)HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管16 977.4 t，經(jīng)過(guò)持續(xù)改善，產(chǎn)品尺寸精度，力學(xué)性能，內(nèi)外表面質(zhì)量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶要求。

3.1 探傷合格率

HRSG 用超長(zhǎng)薄壁的無(wú)損檢驗(yàn)參照ASTM E 213—2014《金屬管材超聲波檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作方法》、ASTM E 309—2011《鋼材管制品的磁飽和渦流檢測(cè)實(shí)施方法》要求進(jìn)行，刻傷要求參照ASME SA 450/SA 450M—2013 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(wěn)定在90%以上。

3.2 幾何尺寸

目前，常寶能源HRSG 用超長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)及客戶要求。Ф38.1 mm×2.67 mm 規(guī)格HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管的幾何尺寸見(jiàn)表4。

表4 Ф38.1 mm×2.67 mm 規(guī)格HRSG用超長(zhǎng)薄壁管的幾何尺寸

3.3 力學(xué)性能

常寶能源生產(chǎn)的HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管的各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，均達(dá)到ASME SA 210/SA 210M—2013 標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求。Ф38.1 mm×2.67 mm 規(guī)格HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管SA210A1 的力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表5 Ф38.1 mm×2.67 mm 規(guī)格HRSG用超長(zhǎng)薄壁管SA210A1 的力學(xué)性能

4 結(jié) 論

（1） 常寶能源CPE 頂管機(jī)組，通過(guò)工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)熱軋代替冷加工，生產(chǎn)出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管，且各項(xiàng)指標(biāo)明顯高出用戶要求。

（2） 通過(guò)優(yōu)化變形分配、頂管孔型優(yōu)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(shí)現(xiàn)頂管軋制3.0～3.3 mm 壁厚HRSG 用薄壁管的穩(wěn)定生產(chǎn)。

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

（4） 熱軋HRSG 用超長(zhǎng)薄壁管的合格率控制穩(wěn)定，且交貨期短、成本低。

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