P91 鋼管道管口變形處理方案研究

王培磊

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

1 概述

P91 鋼不僅具有優(yōu)良的室溫強(qiáng)塑性和強(qiáng)韌性，而且具有良好的高溫力學(xué)性能，從而使其成為燃煤電站機(jī)組的主力鋼種。P91 鋼的優(yōu)良性能被我國的電力行業(yè)所認(rèn)知，目前已成為亞臨界、超臨界、超超臨界機(jī)組主蒸汽管道、熱段管道的首選［1］。

某345 MW 燃煤電站機(jī)組，熱段管道選用材質(zhì)為ASME SA335 P91 鋼，設(shè)計(jì)尺寸規(guī)格為686 mm×20 mm，現(xiàn)場安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)25 號(hào)焊口（RD-25），兩側(cè)管道HR17 與HR18 管口橢圓度超標(biāo)，導(dǎo)致內(nèi)徑對口錯(cuò)邊量達(dá)到13.5 mm，兩管道內(nèi)徑編號(hào)如圖1 所示，內(nèi)徑尺寸如表1 所示，ASME B31.1—2016 標(biāo)準(zhǔn)要求管道對口內(nèi)徑錯(cuò)邊量不能超出2 mm［2］，見圖2。因此，該管道焊口超標(biāo)。

圖1 管道HR17 與HR18 內(nèi)徑編號(hào)

2 處理方案

為滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，需要對該管道焊口進(jìn)行處理，處理過程要確保P91 鋼管道不能出現(xiàn)金相組織改變、力學(xué)性能改變，且不能對P91 鋼管道造成破壞，如表面裂紋、管道損傷等。充分研究了P91 鋼材料屬性，在確保P91 鋼管道質(zhì)量的前提下，制定了3 套處理方案，并對其中2 種處理方案的實(shí)施情況進(jìn)行了跟蹤。

表1 熱段管道HR17 與HR18 相關(guān)尺寸 mm

圖2 管道對口內(nèi)徑錯(cuò)邊量標(biāo)準(zhǔn)要求

2.1 熱矯正方案

以HR18 管口內(nèi)徑尺寸作為基準(zhǔn)，將HR17 管道加熱至P91 鋼材料AC1 線以下，通過千斤頂進(jìn)行熱矯正，矯正到與HR18 管道的管口尺寸完全一致，以滿足ASME B31.1 規(guī)定的焊接對口內(nèi)徑錯(cuò)邊量要求。

1）選擇承載能力100 t 以上，行程50 mm 以上的千斤頂，并準(zhǔn)備與管內(nèi)壁接觸的圓弧襯板及必要的工裝。襯墊的尺寸大小為200 mm×200 mm，厚度20 mm，襯墊的半徑略小于管半徑。工裝可使用鋼管或工字鋼，選用了工字鋼，尺寸應(yīng)視千斤頂尺寸進(jìn)行選取，端面應(yīng)平整。將工裝和襯墊焊接在一起，防止在校正過程中打滑飛出。

2）校正前，加熱管口部位至730 ℃。加熱前將千斤頂與管壁脫離接觸，以免高溫?fù)p壞千斤頂。

3）加熱前在管口標(biāo)記出內(nèi)徑最小方向，選擇最小方向位置作為矯正點(diǎn)，加壓矯正。每次加壓千斤頂伸出量20～30 mm，回彈量大的情況下同一位置多次加壓。

4）每次加壓后測量管徑變化情況，并做記錄，根據(jù)回彈情況確定下一次校正的千斤頂伸長量，注意控制，嚴(yán)禁一次將千斤頂加壓至最大行程，否則將極易造成加壓位置局部變形。

5）矯正完成后，管口及內(nèi)外壁50 mm 處進(jìn)行滲透檢測（PT）檢驗(yàn)，確認(rèn)無缺陷。

施工現(xiàn)場技術(shù)工程師及施工人員嚴(yán)格按照該處理方案對HR17 管道實(shí)施了熱矯正處理，如圖3所示。

圖3 熱矯正實(shí)施

但實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)HR17 管道在移除千斤頂待到室溫時(shí)，每一個(gè)矯正點(diǎn)均出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象，幾乎全部回彈到矯正前的尺寸，最終的矯正量不超過2 mm，遠(yuǎn)不能滿足矯正要求，詳見表2，熱矯正數(shù)據(jù)記錄。

因此，熱矯正的方案不能滿足矯正要求。

2.2 更換過渡管方案

按照兩端管道HR17 與HR18 的管口尺寸，切割HR17 管道1 m 長度，更換為一段過渡管，該過渡管滿足以下條件：

1）內(nèi)徑≤HR17 與HR18 的最小內(nèi)徑，外徑≥HR17 與HR18 的最大外徑；

2）內(nèi)徑通流面積滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 熱矯正數(shù)據(jù)記錄 mm

該過渡管在現(xiàn)場施工時(shí)，分別與HR17 管道以及HR18 管道實(shí)施對口焊接，根據(jù)HR17 與HR18 的管口內(nèi)徑尺寸，對過渡管進(jìn)行內(nèi)口打磨，打磨至滿足ASME B31.1 規(guī)定的焊接對口要求。

經(jīng)計(jì)算，此過渡管的規(guī)格應(yīng)為681 mm（內(nèi)徑）×40 mm。

該方案經(jīng)過分析，存在以下問題：

1）國內(nèi)、國際市場上很難找到該規(guī)格的成品管道，因此需要特殊定制，時(shí)間長、費(fèi)用高、質(zhì)量難以保障；

2）由于更換了一段管道，沒法避開原支管、測點(diǎn)位置，需要重新布置新的支管、測點(diǎn)位置，并重新實(shí)施焊接、熱處理；

3）由于更換的過渡管，壁厚及直徑規(guī)格均大于原管道，因此管道重量變大，需要重新考慮支吊架規(guī)格與位置。

該方案實(shí)施難度大、費(fèi)用高、工期長，不予采納。

2.3 管口內(nèi)壁堆焊方案

以HR18 管口內(nèi)徑尺寸作為參考，對HR17 錯(cuò)口部位內(nèi)壁按圖4 實(shí)施堆焊處理，堆焊徑向長度為30～40 mm，堆焊厚度以滿足該位置對口要求為準(zhǔn)。

堆焊完成后，打磨堆焊位置至表面齊平，并與母材內(nèi)壁圓滑過渡，過渡段斜度不超過30°。對堆焊位置進(jìn)行無損檢測，確認(rèn)無缺陷。

將堆焊完成的管道正常對口、實(shí)施焊接。管道焊接完成后，處理局部外錯(cuò)口，對偏低一側(cè)母材進(jìn)行過渡焊接，焊接完成后，對過渡區(qū)域進(jìn)行打磨，平滑過渡，過渡焊接的長度與厚度參照圖4 堆焊處理示意。

圖4 堆焊處理示意

2.3.1 堆焊

堆焊過程執(zhí)行了專門編制焊接工藝規(guī)程（WPS），包含焊接主要參數(shù)如下：

焊接方式為氬弧焊（GTAW），手動(dòng)；

預(yù)熱是防止產(chǎn)生冷裂紋的一項(xiàng)重要工藝措施，在不預(yù)熱情況下，SA335-P91 鋼的焊接裂紋達(dá)100%［3］，基于采取的焊接方式，預(yù)熱溫度最小205 ℃；

層間溫度最大300 ℃；

補(bǔ)焊厚度為最大錯(cuò)口值增加3 mm，補(bǔ)焊寬度為30～40 mm，補(bǔ)焊部分與管道夾角小于30°，加強(qiáng)面寬度為4 倍的錯(cuò)口值，脫氫后打磨補(bǔ)焊處，將多余焊縫磨除。

2.3.2 后熱

升降溫速度110 ℃／h，焊后加熱至300～400 ℃，保溫2～4 h。

2.3.3 焊后熱處理

P91 鋼焊接接頭經(jīng)PWHT 后，析出大量微細(xì)的碳氮化物粒子，形成了回火馬氏體組織。因此，適宜條件的焊后熱處理是保證P91 鋼焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能不可缺少的工序［4］。

堆焊完成，現(xiàn)場實(shí)施焊后熱處理。焊后熱處理的升、降溫度110℃／h，保溫溫度選取750～770 ℃，保溫時(shí)間2 h；降溫至300 ℃，降溫速度為110 ℃／h，至室溫。

2.3.4 堆焊后檢驗(yàn)

在P91 鋼／P92 鋼焊接接頭無損檢驗(yàn)方法的選擇上，采用超聲波檢測（UT）加磁粉檢測（MT）的方法較為合理［5］。

本次焊接完成，熱處理完成后進(jìn)行100%的UT以及MT 檢驗(yàn)。

2.3.5 管道對口焊接

堆焊完成后開始實(shí)施管道安裝對口，對口時(shí)，對因堆焊導(dǎo)致的鈍邊增加進(jìn)行修磨，保證焊透。根據(jù)組對情況，對內(nèi)壁進(jìn)行適當(dāng)打磨，保證內(nèi)錯(cuò)口不超過ASME B31.1 允許的2 mm 要求。

對口完成后，按照現(xiàn)場焊接工藝要求實(shí)施焊接。

按照以上方案，組織施工人員及質(zhì)量控制工程師全程跟蹤了HR17、HR18 的堆焊處理過程。處理完成后，對尺寸進(jìn)行了驗(yàn)收，尺寸合格，焊接檢驗(yàn)員對管道對口進(jìn)行了驗(yàn)收，檢驗(yàn)合格，無損探傷工程師對焊縫進(jìn)行UT 及MT 探傷，結(jié)論合格。

3 結(jié)語

P91 鋼管道非常普遍應(yīng)用在燃煤電站機(jī)組中，用作四大管道主蒸汽管道及再熱蒸汽管道熱段，P91鋼管道現(xiàn)場施工時(shí)，其焊接施工質(zhì)量屬于重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)。P91 鋼管道在施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的管道管口變形，導(dǎo)致管道對口不合格，影響管道焊接質(zhì)量，不允許實(shí)施焊接施工作業(yè)。

為保證P91 鋼管道現(xiàn)場安裝施工質(zhì)量，經(jīng)對比3 種處理方案，管道熱矯正的方式，由于P91 鋼管道材料特性，無法避免出現(xiàn)回彈，不能實(shí)現(xiàn)變形矯正；更換過渡管道的方式，實(shí)施難度大、費(fèi)用高、工期長，不宜采用；內(nèi)壁堆焊的方案可靠、可行，施工現(xiàn)場基于P91 鋼材料特性以及焊接特性，制定了詳細(xì)可行的堆焊實(shí)施方案以及焊后熱處理、檢驗(yàn)的方案，實(shí)施后效果良好，為P91 鋼管道現(xiàn)場施工提供技術(shù)依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參考，確保91 管道現(xiàn)場焊接質(zhì)量。