承压设备检验：硬度检测的合理应用

电站锅炉检验中硬度检测的合理应用

申麦茹

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

随着电站锅炉检验业务的不断发展，进行安装监检和定期检验的检测手段不断更新和完善。但硬度检测作为一种最基础的检验方法，在《锅炉安装监督检验规则》《锅炉定期检验规则》《火力发电厂金属技术监督规程》等相关的安全技术规范对安装前和安装过程中母材和焊缝、定期检验时承受高温高压的过热器系统、主蒸汽、再热蒸汽管道的母材和焊缝均提出了硬度检测的要求。但在实际检验中，因检验人员对硬度检测的意义和作用、目的认识不足，硬度检测往往不被重视。即使进行了硬度检测，但对测试结果缺乏必要的分析和判定，导致检验中硬度检测失去了应有的作用和意义。本文通过硬度检测在电站锅炉安装监检和定期检验中的合理应用，充分证明了硬度检测作为一种必要的检测手段在电站锅炉检验中的重要性。

2　常用的硬度检测方法及检测要求

硬度检测是在电站锅炉检验中常采用的一种简单、方便、低成本而有效的手段。现场硬度检测常采用手提式布氏硬度计或便携式里氏硬度计对焊缝、热影响区及母材等有关部位进行硬度测定。其中便携式里氏硬度计具有体积小、重量轻、便于携带、检测范围广、任何位置均可使用、操作方便、检测速度快、可换算成各种硬度值等诸多优点。但要获得真实、有效的检测结果，其应用必须满足一定要求：①被检测表面必须露出金属光泽，并且平整、光滑，清洁无油污；②对于曲面工件的测试，当曲率半径R小于30的测试件应使用支撑环；③被检测件的厚度应大于5mm；④被检测件应不得带磁；⑤测试前应使用标准试块对仪器进行校验；⑥测试时应将冲击装置支撑环压紧在被测表面，在按动冲击装置释放钮的瞬间，保持工件、冲击装置、操作人员身体处于稳定的状态；⑦测试点的选位：两测试点间距应大于3mm；⑧数据处理：测试结果应取3～5次或更多测试平均值。偏离正常范围的单个误差数据可删除。

以上几点，若在检测过程中不加以控制，必然导致硬度检测结果产生误差，影响对测试结果的分析和判定。

3　硬度检测的意义

3.1　近似求出材料的抗拉强度

根据材料的硬度值与其强度存在着一定的比例关系，对于钢铁材料来说，其抗拉强度近似等于的布氏硬度值。常用的换算公式为σ_s＝3.28HV－221（适用于母材），另一公式为：σ_b＝3.55HB（适用于HB≤175的材料）。

3.2　有时用来初步判断材料强度等级或鉴别材质

材料化学成分中，大多数合金元素都会使材料的硬度值提高，其中碳对材料的硬度值影响最直接，材料的碳含量越高，其硬度值越高。

3.3　大致了解材料的金相组织

材料中不同金相组织具有不同硬度。一般来说，马氏体硬度高于珠光体，珠光体硬度高于铁素体，铁素体硬度高于奥氏体，故通过硬度值可大致了解材料的金相组织。

3.4　了解材料在加工过程中的组织变化

材料经过冷弯、拉拔、卷制、扩口、切割等机械加工和焊接等均可不同程度引起材料组织的变化。

3.5　检验热处理效果

改善材料性能的各种热处理，无论是改善母材及焊缝的综合机械性能，提高韧性和综合机械性能，提高韧性和塑性，细化晶粒，消除冷作硬化的正火处理，还是使材料获得一定强度、硬度和良好韧性的调质处理等，以及焊后的消除应力热处理，其可消除焊接接头的残余应力，降低焊缝及热影响区硬度；改善焊缝及热影响区的金相组织，减少和消除接头中的淬硬组织等作用。热处理效果可通过热处理前后硬度值的对比和热处理后硬度值是否符合规范要求检验。

3.6　了解加工残余应力和焊接残余应力

加工残余应力与焊接残余应力的残在对材料的硬度有影响，加工残余应力与焊接残余应力越大，硬度值越高。通过对硬度值的检测一定程度了解残余应力的力学性能和焊接接头的焊接情况及热处理效果。

4　电站锅炉检验中硬度检测的应用

4.1　安装监督检验中应用

（1）锅筒在安装时对汽包封头和筒体作原始的硬度测试，为汽包长时间服役后材质的变化提供参照。

（2）直管、弯管、导气管安装前硬度抽查。通过硬度检测结果，初步判定管子热处理状态是否符合要求；根据硬度和材料强度的关系，近似求出材料的强度值。对于安装时缺乏质量证明书时，可通过硬度检测初步鉴别材质。当然，要进一步判定材质，还需进行光谱分析或化学成分分析。

（3）连接锅炉钢结构的高强度螺栓连接副（由1个螺栓、1个螺母、1个垫圈组成）安装前的硬度试验。根据不同合金钢材料，通过硬度检测，可判定高强度螺栓连接副的热处理效果。同时可检查螺母材料的螺栓是否匹配。一般要求螺母材料比螺栓材料低一级，硬度值低HB20～HB50。

（4）通过检测母材、焊缝和热影响区的硬度，判断安装单位焊接工艺的执行情况和焊接接头的质量。可通过母材与焊缝的硬度值的比较，初步判定所选用焊材化学成分与力学性能与母材是否相匹配。尤其对于碳钢与合金钢的异种钢焊接接头，可通过硬度检测，判断M类异种钢焊接（一侧为马氏体钢，另一侧为非奥氏体的其他组织形态钢种）和B异种钢焊接（一侧为贝氏体钢，另一侧为珠光体钢）焊材是否选用与钢材级别较低的一侧相匹配或介于两侧钢材之间的焊丝和焊条。(www.xing528.com)

（5）锅炉受压部件进行热处理后，通过对母材、焊缝和热影响区的硬度测定，检查热处理效果，判断焊接接头的消除应力情况。电站锅炉集箱常采用12Cr1MoVG、SA－335P11、SA －335P12等合金钢材料。它们的焊接性能好，但由于有空淬倾向，易产生冷裂纹。特别是SA335－P91材料焊后和热影响区均为淬火马氏体组织，具有很强的冷裂倾向，特别是氢致延迟裂纹。且这种钢的焊接线能量大，也易产生热裂纹。受热面管子采用的12Cr2M_OWVTiB、SA213－T11、SA213－T12、SA213－T22、SA213－T91等合金管同样存在上述问题。根据材料规格的不同，一般情况下通过焊后热处理来改善焊缝及热影响区的组织，使焊缝的氢完全扩散，提高焊缝的抗裂性和韧性。因此检验焊接是否严格按焊接规范执行，以及焊后热处理的效果如何显得非常重要。通过硬度检测可比较直观、简捷的对其进行衡量和判定。一般情况下热处理后焊缝金属和热影响区的硬度值要求不大于母材的120％（碳钢）或125％（合金钢）。

（6）合金钢材料焊接过程存在返修时，可对返修部位进行硬度测定，检查返修补焊工艺的可行性及焊接质量。

4.2　定期检验中应用

定期检验中硬度检测的主要应用是对长期高温高压的各部件材质及焊缝组织性能变化的初步分析和判断。

（1）汽包检验：对运行10万h的锅炉应对汽包封头及筒体做硬度测试，对调峰机组的锅炉应加强硬度测试。

汽包作为水、蒸汽和蒸发系统的枢纽，自然循环和多次强制循环锅炉都要求装置汽包。来自省煤器出口的给水进入汽包，省煤器的出口水温一般设计成低于饱和温度。汽包内汽空间的汽包壁温与汽包工作压力下的饱和温度相适应，而水空间的汽包壁温则并不是所有壁温都与汽包工作压力下的饱和温度相适应。离给水越远的汽包壁温越接近饱和温度；反之，偏离饱和温度越大。由于这种不均匀的汽包壁温度场，汽包壁易产生热应力。尤其对于启停频繁、特别是承担调峰任务的锅炉，引启停频繁和变动负荷过程中产生更大的综合交变应力。这种应力越大，变化幅度越大，变化频率越快，形成低周疲劳破坏。对于已运行10万h的锅炉对汽包封头及筒体作硬度测试，可初步判定汽包因低循环疲劳损伤而引起的材质变化情况，有疑问时应对金相作进一步的判断。

（2）水冷壁检验：重点对燃烧器周围的水冷壁管，冷灰斗区域水冷壁管的斜坡灰坑弯管外弧处和防渣管，循环流化床锅炉高温旋风分离器进口处水冷壁管等及宏观检查有疑问的（存在鼓包、变形、涨粗）的管段进行硬度检测。对热负荷较高部位进行硬度检测，可直观判断材质是否存在过热、过烧等情况，必要时可进一步进行金相检验判定。

（3）过热器、再热器检验：一般对高温过热器的迎流面管子、下弯头和出口端管子硬度检测。过热器、再热器一般布置在烟温较高的区域内，管内流动的工质温度又较高，故管壁温度较高。长期在高温下服役，应检查是否有球化、石墨化现象。尤其是迎流面管子和出口端管子。

过热器、再热器常用的Cr－Mo钢、Cr－Mo－V钢在高温和应力作用下，碳化物由表面能较高的片状转变为表面能较低的球状，形成的碳化物在晶界析出，严重球化时力学性能和持久强度明显下降。石墨化是球化的继续和发展。在高温和高应力的长期作用下，Cr－Mo －V钢中的渗碳体分解为铁和游离的石墨。通过硬度检测，可检查出硬度值明显降低，可初步判定材质的劣化。硬度检测有疑问的部位，可使用金相作进一步的判断。

（4）过热器、再热器联箱和炉顶集汽联箱：运行10万h，应对出口联箱进行硬度检测。调峰机组应缩短检验周期。

长期的高温运行，出口集箱同样存在球化、石墨化等材质劣化现象。

（5）主蒸汽和高温再热器管道：运行10万h时，主蒸汽和高温再热器管的弯头外弧面增加硬度检测。对于工作温度高于450℃的主蒸汽和高温再热器管道，对常用的含Cr－Mo钢低合金管道，易发生珠光体球化和其他组织的变化。

（6）电站锅炉常用的高强度热强钢如SA－213T22、SA－213T91、SA－335P91等使用后，可通过硬度检测，了解焊接接头是否有淬硬组织。

（7）在定期检验中，当锅炉服役时间较长，资料遗失，或经过更换而无材料质量证明，且现场不具备进行光谱和化学成分分析条件，存在材料不清或有疑问时，可通过测定硬度，通过硬度与材料强度的关系，近似求出材料强度值，初步鉴别材质。

（8）高温、高强度螺栓、螺母，当材质不清或热处理状态不明时，可通过测定硬度加以判断。

5　硬度检测评定标准

一般情况下硬度检测用于母材和焊接接头。

（1）对于母材，不同的材料对硬度值作了相应规定。

（2）同种钢（非奥氏体钢）焊接热处理后的硬度，一般不超过母材布氏硬度加100HBV，且不超过下列规定：合金钢含量﹤3％，布氏硬度值≤270HBV；合金钢含量3％～10％，布氏硬度值≤300HBV；合金钢含量＞10％，布氏硬度值≤300HBV。

（3）对于非奥氏体的异种钢焊缝，其热处理后的硬度符合下列规定（以合金含量低侧母材的成分计算合金的总含量）不超过高合金侧母材布氏硬度＋100HBV。

6　总　结

随着锅炉检验事业的发展，检验检测方法、手段不断完善。可通过宏观、测厚、硬度、光谱、金相、无损探伤、割管检查等多种方法，提高缺陷的检出率。每种检测方法不是孤立的，而是相辅相成、互为补充的。检验是根据每种检测部位的材料、工作状况、工作时间等采用多种检验检测方法综合检验和分析判定。即使同一个缺陷，也需依靠一种或一种以上的检测手段确认缺陷的性质和位置，最后通过对各种检测结果的综合分析，才能较准确地对缺陷进行定性和定位。硬度检测作为一种基本的检测手段，在电站锅炉检验中所起的作用不言而喻。在电站锅炉的检验中，只有充分认识硬度检测的目的，采用正确的测试方法，合理的应用，那么硬度检测不失为一种简捷、直观的检测手段。

参考文献

［1］国家质量技术监督局.锅炉定期检验规则.北京：中国锅炉压力安全杂志社，2000

［2］中华人民共和国国家经济贸易委员会.火力发电厂金属技术监督规程.北京：中国电力出版社，2001

（注：该论文发表于《特种设备安全技术》2006年第6期）