P91 钢管道管口变形处理方案研究

王培磊

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

1 概述

P91 钢不仅具有优良的室温强塑性和强韧性，而且具有良好的高温力学性能，从而使其成为燃煤电站机组的主力钢种。P91 钢的优良性能被我国的电力行业所认知，目前已成为亚临界、超临界、超超临界机组主蒸汽管道、热段管道的首选［1］。

某345 MW 燃煤电站机组，热段管道选用材质为ASME SA335 P91 钢，设计尺寸规格为686 mm×20 mm，现场安装时，发现25 号焊口（RD-25），两侧管道HR17 与HR18 管口椭圆度超标，导致内径对口错边量达到13.5 mm，两管道内径编号如图1 所示，内径尺寸如表1 所示，ASME B31.1—2016 标准要求管道对口内径错边量不能超出2 mm［2］，见图2。因此，该管道焊口超标。

图1 管道HR17 与HR18 内径编号

2 处理方案

为满足标准需求，需要对该管道焊口进行处理，处理过程要确保P91 钢管道不能出现金相组织改变、力学性能改变，且不能对P91 钢管道造成破坏，如表面裂纹、管道损伤等。充分研究了P91 钢材料属性，在确保P91 钢管道质量的前提下，制定了3 套处理方案，并对其中2 种处理方案的实施情况进行了跟踪。

表1 热段管道HR17 与HR18 相关尺寸 mm

图2 管道对口内径错边量标准要求

2.1 热矫正方案

以HR18 管口内径尺寸作为基准，将HR17 管道加热至P91 钢材料AC1 线以下，通过千斤顶进行热矫正，矫正到与HR18 管道的管口尺寸完全一致，以满足ASME B31.1 规定的焊接对口内径错边量要求。

1）选择承载能力100 t 以上，行程50 mm 以上的千斤顶，并准备与管内壁接触的圆弧衬板及必要的工装。衬垫的尺寸大小为200 mm×200 mm，厚度20 mm，衬垫的半径略小于管半径。工装可使用钢管或工字钢，选用了工字钢，尺寸应视千斤顶尺寸进行选取，端面应平整。将工装和衬垫焊接在一起，防止在校正过程中打滑飞出。

2）校正前，加热管口部位至730 ℃。加热前将千斤顶与管壁脱离接触，以免高温损坏千斤顶。

3）加热前在管口标记出内径最小方向，选择最小方向位置作为矫正点，加压矫正。每次加压千斤顶伸出量20～30 mm，回弹量大的情况下同一位置多次加压。

4）每次加压后测量管径变化情况，并做记录，根据回弹情况确定下一次校正的千斤顶伸长量，注意控制，严禁一次将千斤顶加压至最大行程，否则将极易造成加压位置局部变形。

5）矫正完成后，管口及内外壁50 mm 处进行渗透检测（PT）检验，确认无缺陷。

施工现场技术工程师及施工人员严格按照该处理方案对HR17 管道实施了热矫正处理，如图3所示。

图3 热矫正实施

但实施过程中发现HR17 管道在移除千斤顶待到室温时，每一个矫正点均出现了回弹现象，几乎全部回弹到矫正前的尺寸，最终的矫正量不超过2 mm，远不能满足矫正要求，详见表2，热矫正数据记录。

因此，热矫正的方案不能满足矫正要求。

2.2 更换过渡管方案

按照两端管道HR17 与HR18 的管口尺寸，切割HR17 管道1 m 长度，更换为一段过渡管，该过渡管满足以下条件：

1）内径≤HR17 与HR18 的最小内径，外径≥HR17 与HR18 的最大外径；

2）内径通流面积满足设计要求。

表2 热矫正数据记录 mm

该过渡管在现场施工时，分别与HR17 管道以及HR18 管道实施对口焊接，根据HR17 与HR18 的管口内径尺寸，对过渡管进行内口打磨，打磨至满足ASME B31.1 规定的焊接对口要求。

经计算，此过渡管的规格应为681 mm（内径）×40 mm。

该方案经过分析，存在以下问题：

1）国内、国际市场上很难找到该规格的成品管道，因此需要特殊定制，时间长、费用高、质量难以保障；

2）由于更换了一段管道，没法避开原支管、测点位置，需要重新布置新的支管、测点位置，并重新实施焊接、热处理；

3）由于更换的过渡管，壁厚及直径规格均大于原管道，因此管道重量变大，需要重新考虑支吊架规格与位置。

该方案实施难度大、费用高、工期长，不予采纳。

2.3 管口内壁堆焊方案

以HR18 管口内径尺寸作为参考，对HR17 错口部位内壁按图4 实施堆焊处理，堆焊径向长度为30～40 mm，堆焊厚度以满足该位置对口要求为准。

堆焊完成后，打磨堆焊位置至表面齐平，并与母材内壁圆滑过渡，过渡段斜度不超过30°。对堆焊位置进行无损检测，确认无缺陷。

将堆焊完成的管道正常对口、实施焊接。管道焊接完成后，处理局部外错口，对偏低一侧母材进行过渡焊接，焊接完成后，对过渡区域进行打磨，平滑过渡，过渡焊接的长度与厚度参照图4 堆焊处理示意。

图4 堆焊处理示意

2.3.1 堆焊

堆焊过程执行了专门编制焊接工艺规程（WPS），包含焊接主要参数如下：

焊接方式为氩弧焊（GTAW），手动；

预热是防止产生冷裂纹的一项重要工艺措施，在不预热情况下，SA335-P91 钢的焊接裂纹达100%［3］，基于采取的焊接方式，预热温度最小205 ℃；

层间温度最大300 ℃；

补焊厚度为最大错口值增加3 mm，补焊宽度为30～40 mm，补焊部分与管道夹角小于30°，加强面宽度为4 倍的错口值，脱氢后打磨补焊处，将多余焊缝磨除。

2.3.2 后热

升降温速度110 ℃／h，焊后加热至300～400 ℃，保温2～4 h。

2.3.3 焊后热处理

P91 钢焊接接头经PWHT 后，析出大量微细的碳氮化物粒子，形成了回火马氏体组织。因此，适宜条件的焊后热处理是保证P91 钢焊接接头的蠕变断裂强度等力学性能不可缺少的工序［4］。

堆焊完成，现场实施焊后热处理。焊后热处理的升、降温度110℃／h，保温温度选取750～770 ℃，保温时间2 h；降温至300 ℃，降温速度为110 ℃／h，至室温。

2.3.4 堆焊后检验

在P91 钢／P92 钢焊接接头无损检验方法的选择上，采用超声波检测（UT）加磁粉检测（MT）的方法较为合理［5］。

本次焊接完成，热处理完成后进行100%的UT以及MT 检验。

2.3.5 管道对口焊接

堆焊完成后开始实施管道安装对口，对口时，对因堆焊导致的钝边增加进行修磨，保证焊透。根据组对情况，对内壁进行适当打磨，保证内错口不超过ASME B31.1 允许的2 mm 要求。

对口完成后，按照现场焊接工艺要求实施焊接。

按照以上方案，组织施工人员及质量控制工程师全程跟踪了HR17、HR18 的堆焊处理过程。处理完成后，对尺寸进行了验收，尺寸合格，焊接检验员对管道对口进行了验收，检验合格，无损探伤工程师对焊缝进行UT 及MT 探伤，结论合格。

3 结语

P91 钢管道非常普遍应用在燃煤电站机组中，用作四大管道主蒸汽管道及再热蒸汽管道热段，P91钢管道现场施工时，其焊接施工质量属于重点控制环节。P91 钢管道在施工现场发现的管道管口变形，导致管道对口不合格，影响管道焊接质量，不允许实施焊接施工作业。

为保证P91 钢管道现场安装施工质量，经对比3 种处理方案，管道热矫正的方式，由于P91 钢管道材料特性，无法避免出现回弹，不能实现变形矫正；更换过渡管道的方式，实施难度大、费用高、工期长，不宜采用；内壁堆焊的方案可靠、可行，施工现场基于P91 钢材料特性以及焊接特性，制定了详细可行的堆焊实施方案以及焊后热处理、检验的方案，实施后效果良好，为P91 钢管道现场施工提供技术依据和实践经验参考，确保91 管道现场焊接质量。