CPE 顶管机组热轧HRSG 用超长薄壁管的开发

王 奎，汪 浩，彭福本，张万超，王志健，郑 臻

（1. 常州常宝精特能源管材有限公司，江苏 常州 213200；2. 江苏常宝钢管股份有限公司，江苏 常州 213000）

随着锅炉参数的不断提高，超长锅炉管的使用长度已达到26 m［1］。热回收蒸汽发生器（HRSG）用超长锅炉管常规钢种有SA210C、SA210A1、T11、T22 等，常用规格有Ф38.1 mm ×2.40 mm、Ф38.1 mm×2.67 mm、Ф50.8 mm×2.67 mm 等。由于热轧壁厚 ∧3.5 mm 的规格有较大难度，加上用户对管体内外表面的苛刻要求，国内钢管厂主要以冷加工形式生产这些钢管；但随着国内环保意识的增强，冷加工新上项目的审批难度大。CPE（Crossroll Piercing and Elongation）顶管机组生产工序少，不需要酸洗、润滑及脱脂、清洗等工序，避免了废酸的治理，同时也不需要中间退火等工序，工序能耗和生产成本低［2-4］，具备生产中薄壁钢管的优势。在欧洲，超长HRSG 用管均采用热轧供货。相比冷加工，热轧的效率、交货周期、成本优势明显。

1 生产工艺流程

常州常宝精特能源管材有限公司（简称常宝能源）Ф114 mm CPE 顶管机组生产热轧HRSG 用超长薄壁管的工艺流程为：管坯检验→管坯锯切→环形炉加热→二辊锥形辊穿孔机穿孔→缩口→顶管→松棒→脱棒→热锯→再加热炉加热→除鳞→中频感应加热炉补热→张力减径→冷床冷却→冷锯→矫直→探伤→表面检验→锯切→尺寸检验→喷标→打包入库［5-6］。

2 主要技术难点及解决措施

2.1 壁厚均匀性与拉凹缺陷控制

生产薄壁管的关键在于控制顶管过程中的各个环节和影响因素。在轧制过程中，由于工具形状、金属温度、摩擦效果等因素的不稳定和不均匀性，以及不同变形区之间的相互制约，一直存在不均匀变形［7］。轧制HRSG 用超长薄壁管时，在多重不均匀变形因素的共同影响下，极易造成壁厚不均匀，甚至出现拉凹、拉断现象［8］。若要解决上述问题，需从以下几个方面入手。

2.1.1 变形分配

CPE 顶管机组生产热轧HRSG 用超长薄壁管的主要工序是穿孔、顶管和张力减径，而合理分配3 道次的延伸，对轧制HRSG 用超长薄壁管极为重要：①设计穿孔延伸小，毛管壁厚大，对控制毛管运输过程中的温度下降有利，但顶管变形压力大；②设计穿孔延伸大，毛管壁厚小，顶管变形压力小，但毛管运输过程中温度下降不均严重；③设计张力减径延伸小，荒管直径变小，对减小钢管切头尾有利，但由此带来芯棒直径小对顶管不利；④设计张力减径延伸大，荒管直径变大，可以采用大直径芯棒，对顶管有利，但对减少钢管切头尾不利。

通过生产中的多次探索，常宝能源寻找到了一套适合于HRSG 用超长薄壁管的变形分配工艺。生产Ф38.1 mm×2.67 mm×23 m 2 倍尺SA210A1 热轧HRSG 用超长薄壁管的变形分配见表1。

表1 生产Ф38.1 mm×2.67 mm×23 m 2 倍尺SA210A1 热轧HRSG 用超长薄壁管的变形分配

2.1.2 顶管孔型

轧制薄壁管在顶管延伸后期，随着壁厚的减小，钢管温度下降较快，塑性变差［9］，孔型设计时要考虑降低单道次延伸率、减少单道次压下量，倒数第1~3 机架辊底压下量控制在0.7 mm 以内为宜。

生产薄壁管时，对芯棒表面质量、尺寸精度的要求较为苛刻，为了延长芯棒使用寿命，制定了Ф100 mm、Ф97 mm、Ф94 mm 芯棒3 种轧制工艺，芯棒可顺改使用，从而降低成本。生产Ф38.1 mm×2.67 mm 规格热轧HRSG 用超长薄壁管时，Ф100 mm、Ф97 mm 芯棒顶管孔型的设计方案见表2~3。

2.1.3 芯棒尺寸均匀性

芯棒作为顶管过程中最重要的工模具，其外径尺寸精度直接影响荒管管体纵向壁厚均匀性，并最终反映在成品管的壁厚上。另外，局部尺寸不均还会增加变形的不均匀性，增加拉断事故发生的概率。在生产薄壁管时，一般要将芯棒尺寸极差控制在 ∧0.2 mm。主要采取以下措施控制芯棒尺寸的均匀性：

（1） 控制同组芯棒的尺寸差。每一组芯棒有19 支左右，每一支芯棒直径大小不一，生产出来的荒管壁厚就会不同，导致同一批钢管壁厚偏差大；因此，通过定尺投料，对比成品长度差，剔除尺寸偏大或偏小的芯棒。

表2 Ф100 mm 芯棒顶管AO11+4 孔型设计方案

表3 Ф97 mm 芯棒顶管B05+4 孔型设计方案

（2） 控制同一支芯棒沿长度方向的尺寸差。由于芯棒头部温度高、磨损快，芯棒沿长度方向的尺寸差会导致荒管沿长度方向壁厚偏差大；因此，重点控制芯棒头部4 m 范围与其他部位的尺寸差异。

（3） 对于尺寸偏差超标的芯棒，有针对性地进行修磨、辗轧，缩小整组芯棒的尺寸差异。

（4） 芯棒在使用过程中，头部与毛管接触时间长、温度高，而尾部温度较低，需对芯棒采取头部局部冷却、尾部补热、控制节奏等手段，保证芯棒尺寸的一致性。

2.1.4 芯棒温度控制

轧制薄壁管时，由于顶管后荒管壁厚薄，温度损失快，荒管对芯棒传热不足，因此芯棒温度比生产中厚壁管时低。芯棒温度低，会导致轧制过程中荒管温度下降快，钢管塑性变差。一般采取以下措施控制芯棒温度：

（1） 保证较高的芯棒温度。设置较高的芯棒投入温度，保证轧制过程中芯棒温度在500~550 ℃，结合轧制节奏，减少芯棒投用支数，一般控制在19 支左右。

（2） 对芯棒尾部进行局部补热。与荒管尾部2 m 接触的芯棒部位和高温荒管接触的时间最短，另外还要向没有包荒管部位传递热量，因此温度相对较低；在顶管轧制后期荒管与该部分接触时，钢管温度降低、塑性变差，易产生尾部拉凹、拉断事故，需对该部分进行局部补热。

2.1.5 芯棒润滑控制

芯棒润滑不均匀容易造成薄壁管轧制产生内表面拉凹情况。针对薄壁管生产，采用低浓度、多道次喷涂，改善润滑均匀性控制管壁拉凹缺陷。

（1） 芯棒润滑低浓度、多道次喷涂。润滑剂浓度一般固定在27%，多道次布置。

（2） 改善润滑均匀性。采用周向6 喷嘴等分布置，喷出溶液呈扇形，喷涂方向与芯棒轴向垂直，实现芯棒表面均匀全覆盖。

（3） 轧制薄壁管，芯棒在线定期辗轧，可以更好地保障芯棒表面状态稳定。但由于常宝能源采用的是离线辗轧，不具备在线辗轧条件，要求每轧制1 000 支钢管更换1 组芯棒。

2.1.6 再加热温度均匀性

生产HRSG 用超长薄壁管时，张力减径采用强张力减径减壁，平均张力系数在0.6 左右，机架间拉应力较大［10］。再加热炉炉压偏低会导致步进梁温度高于炉气温度，与步进梁接触的钢管温度高于其他区域钢管的温度；同时，在高温情况下，和步进梁接触的钢管与步进梁相对摩擦，会导致一定量的壁厚减薄，在强张力减径的作用下，造成壁厚拉薄。

通过控制烧嘴开度及加热炉炉压，避免炉底温度过高，采用快速步进，避免荒管长时间高温加热，可有效避免因局部温度过高造成的拉凹现象。

2.1.7 其 他

轧制薄壁管时，需对芯棒预热温度和出炉节奏、机架冷却水、机架更换频次以及芯棒回炉保温等进行严格控制。

2.2 表面质量控制

ASME SA 450/SA 450M—2013《碳钢、铁素体合金钢和奥氏体合金钢钢管通用要求》［11］中对涡流刻伤要求“钻孔直径≤0.8 mm”，超声波探伤按L4等级。HRSG 用超长薄壁管公称壁厚均在2.7 mm、3.0 mm 左右，样伤深度浅；因此，控制内外表面缺陷难度很大。

对外表面质量的控制，主要是控制与管体接触的工模具表面、输送设备表面质量，以及输送过程中产生的擦碰，在此不作赘述。以下重点对内表面缺陷的控制进行说明。

2.2.1 穿孔过程产生的内表面缺陷控制

（1） 顶头使用控制：逐支监控，减少穿孔顶头粘钢、掉肉、鼻部磨损严重等缺陷造成的内壁缺陷。

（2） 优化加热温度及穿孔调整参数。根据芯棒外径确定毛管内径尺寸，工模具配备与调整参数相对稳定，避免调整不当造成的内折缺陷。

（3） 调整毛管输出升降辊道，降低穿孔小车回退速度，减缓毛管拉回时的跳动。

2.2.2 预穿过程产生的缺陷控制

通过对毛管直度、预穿中心、芯棒直度等关键因素的控制和改善，降低预穿过程造成的内伤缺陷。

（1） 插棒间隙从常规的6 mm 放大至8~10 mm，尽量避免预穿过程中芯棒与毛管接触。

（2） 通过穿孔设备中心和轧制中心调整、降低穿孔转速，改善毛管直度。

（3） 通过芯棒辗轧、芯棒热处理与预热温度的均匀性控制，改善芯棒端部直度［12］。

（4） 芯棒端部台阶倒圆角，上线使用前抛光，减轻芯棒端部与毛管接触后的铲伤程度。

（5） 考虑芯棒预穿时悬臂效果，预穿辊道倾斜布置并可调整。

（6） 控制预穿速度，一般按1m/s 控制，预穿过程芯棒与毛管同时前进，并尽量减小速度差。

2.2.3 顶管延伸过程产生的缺陷控制

顶管工序总延伸系数较大，单机架压下量也较大［13］，在顶管过程芯棒与钢管内壁摩擦，芯棒表面粗糙、润滑不足和不均匀是产生钢管内表面缺陷的主要原因［10］。

（1） 芯棒辗轧质量控制。芯棒辗轧导板及时修磨更换，避免造成芯棒表面划伤。保证芯棒表面无辗轧毛刺，表面粗糙度Ra 一般要达到3.2 μm。

（2） 脱棒后使用芯棒除鳞系统，去除黏附在芯棒表面的氧化皮。

（3） 润滑喷涂的喷嘴周向均匀布置，采用多道次交叉涂油的方式，以保证芯棒涂油均匀、全覆盖。减少因润滑不足，芯棒与钢管内壁干摩擦导致的拉伤。

（4） 润滑剂在线多道过滤、沉淀，并制定制度定期清理循环系统的残渣，保证润滑剂清洁度。

2.3 性能控制

ASME SA 210/SA 210M—2013《锅炉和过热器用碳钢无缝钢管》标准［14］中的6.1 节要求“热精整管不需要热处理”。常宝能源在初试生产HRSG 用管阶段，其性能往往达不到要求，尤其是SA210A1的硬度值。

HRSG 用超长薄壁管具有小规格、薄壁的特点，这决定了张力减径工序需要大延伸（常宝能源CPE 顶管机组在生产该系列产品时，其张力减径工序的减径率在70%左右，总延伸系数在4.5 以上，张力减径机架使用个数在20 机架以上）。薄壁管生产时，除鳞造成荒管温降快、多机架轧制也会造成荒管温降大，要保证钢管终轧温度在奥氏体化转变结束温度Ac3以上，从而保证硬度符合要求是一个难点。

通过摸索，提出了以下性能控制措施：

（1） 降低原料碳含量。在管坯采购时，降低碳含量，从0.11%~0.17%降低到0.11%~0.14%。

（2） 提高张力减径工序的开轧温度。张力减径轧制前使用中频加热，对除鳞后荒管进行快速补热。开轧温度控制在980 ℃以上，终轧温度在Ac3线以上。

（3） 降低钢管冷却速率。在冷床入口1.5 m 宽度内加装上下保温罩，控制成品管高温段的冷却速率。

实践证明，采取以上措施可使HRSG 用超长薄壁管的硬度值稳定控制在内控范围内。

3 生产效果

2014 年1 月—2015 年9 月，常宝能源共计入库HRSG 用超长薄壁管16 977.4 t，经过持续改善，产品尺寸精度，力学性能，内外表面质量均符合国家标准，满足用户要求。

3.1 探伤合格率

HRSG 用超长薄壁的无损检验参照ASTM E 213—2014《金属管材超声波检验的标准操作方法》、ASTM E 309—2011《钢材管制品的磁饱和涡流检测实施方法》要求进行，刻伤要求参照ASME SA 450/SA 450M—2013 标准进行。目前涡流探伤合格率在97%以上，超声波探伤合格率在95%以上，探伤最终合格率可稳定在90%以上。

3.2 几何尺寸

目前，常宝能源HRSG 用超长薄壁管的外径公差控制在0.3 mm 左右，壁厚公差在（0~30%）S，完全满足ASME SA 450/SA 450M—2013 标准及客户要求。Ф38.1 mm×2.67 mm 规格HRSG 用超长薄壁管的几何尺寸见表4。

表4 Ф38.1 mm×2.67 mm 规格HRSG用超长薄壁管的几何尺寸

3.3 力学性能

常宝能源生产的HRSG 用超长薄壁管的各项性能指标良好，均达到ASME SA 210/SA 210M—2013 标准和客户要求。Ф38.1 mm×2.67 mm 规格HRSG 用超长薄壁管SA210A1 的力学性能见表5。

表5 Ф38.1 mm×2.67 mm 规格HRSG用超长薄壁管SA210A1 的力学性能

4 结 论

（1） 常宝能源CPE 顶管机组，通过工艺优化，实现热轧代替冷加工，生产出满足标准要求的HRSG 用超长薄壁管，且各项指标明显高出用户要求。

（2） 通过优化变形分配、顶管孔型优化、芯棒尺寸和温度控制，可有效减少拉断事故和拉凹缺陷，实现顶管轧制3.0～3.3 mm 壁厚HRSG 用薄壁管的稳定生产。

（3） 通过除鳞后、张力减径前的中频补热，及张力减径后的冷却速率控制，可稳定地控制热轧小直径HRSG 用超长薄壁管的性能。

（4） 热轧HRSG 用超长薄壁管的合格率控制稳定，且交货期短、成本低。

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