承压类特种设备检验及安全性分析结果

便携式里氏硬度计 在锅炉压力容器定期检验中应用浅析

刘晓东

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

在役锅炉压力容器的检验是各级检验机构的一项重要任务，它对于保障国民经济正常发展和安全生产有重要意义。近年来，随着科学的进步和经济的发展，各行各业对锅炉压力容器使用安全性的要求越来越高。与之相适应，锅炉压力容器检测技术和方法也越来越先进。除了种类多样的无损检测技术和设备外，声发射裂纹检测装置、红外线检测装置、振动检测法等都得到广泛的应用和实践。本文仅就近年来在锅炉压力容器检验行业中得到广泛使用的便携式里氏硬度计的检测应用，结合本人在实际检验工作中的做法和体会谈一点肤浅的认识。因时间仓促，加之条件所限，还有很多工作尚未去做，文中所提看法也难免不妥，敬请同行们讨论、指教。

2　问题的提出

便携式里氏硬度计是一种先进的手持式硬度测试仪器，具有体积小、便于携带、易操作、测试精度高、测量范围宽（适用于所有常用金属）、测试方向任意的特点，因而很被锅炉压力容器检验行业看好，并在实际检验工作中发挥了很大的作用，也确实解决了不少棘手而复杂的问题，尤其是随着TSGR7001－2004《压力容器定期检验规则》的施行和对检验工作要有正规原始记录要求的今天，更是受到越来越多检验单位和检验员的欢迎和青睐。

但我们在实际工作中却常发现和碰到下列一些反常的情况。

（1）对于检验初期一些材质不明的容器，除按《压力容器定期检验规则》进行常规检查之外，还常使用便携式里氏硬度计进行现场硬度测试，并可直接得到按一定换算关系得出的材料抗拉强度值σ_b。对于σ_b在370～520MPa的压力容器，因实际所测材料的σ_b＞38MPa （Q235—ABC的抗拉强度）故并未见异常。但对一些在后期又得到原始技术资料的同类压力容器在进行资料审核时，发现某些材质16MnR的低合金钢（应σ_b＞510MPa）却存在实测σ_b＜510MPa的实例，但由于使用压力低，强度校核合格，一般都允许继续使用。

（2）对那些材质明确，质证书齐全的在用压力容器，检验中常发现诸如鼓包、咬边、焊缝高超差、机械损伤、弧坑等最常见缺陷。对其中有些缺陷可以清楚地判定属制造缺陷，但对鼓包、凹坑等缺陷一时却难以判定是使用前的先天性缺陷还是使用过程中产生的变形或是腐蚀等后天性缺陷。因而给检验后的准确定级和正确结论带来影响。为此，除采用常规的测厚、磁粉、着色、超探等检验手段之外，常常采用里氏硬度计进行硬度测试。以便确定缺陷处材质是否有点蚀、疏松、晶粒粗大、夹层等所导致的材料劣化现象。而测试结果又常常出人意料，下表是对几台液化石油气罐体的测试结果。这就不能不令我们对该仪器的测量准确性产生怀疑，也即里氏硬度计测量出的材料的σ_b值究竟有多少可靠性和准确性？

表1　HLN—11A（半自动L式硬度计）对不同罐体的测试结果

注：对所有测试区均进行了打磨处理，使被测区呈现金属光泽。

3　分析讨论

从表1可见，有缺陷处的硬度值LD＝397～488。

而由硬度值自动转换而得的材料强度值σ_b＝450MPa～657MPa。

GB6654—96《压力容器用碳素钢和低合金厚钢板》标准中的16MnR的σ_b＝510MPa～640MPa。

新车及未变形处测量亦同样：LD＝402～437，σ_b＝459MPa～533MPa。

如据由上述结果得出的材料强度值来判定这几台压力容器的质量，则该类压力容器一定发生了材质变化，或是原材料就不合格。结论只能是降低使用等级或报废处理。

然而新车的质量证明书却表明不但材质合格，而且热处理后的试板拉伸强度也符合σ_b ＞510MPa的要求。因而绝不能轻易判定该检验结果不合格，而是进行进一步的分析。

根据实测σ_b，对该台产生鼓包的罐体进行强度校核，以检验在现应力条件下，该罐体所能承受的最大工作压力是多少？

许用应力［σ］的确定：

根据GB150—98取安全系数n＝3。按照实测状态，应取其实测值的95％来确定许用应力的原则。

该台罐车现在的许用应力：

即

根据《压力容器定期检验规则》第25条第十款第2项强度校核原则，有下列强度校核公式：

(www.xing528.com)

本例中，δ＝11.4（实测罐体最小壁厚减去下一周期一倍腐蚀余量）；Φ＝1（该罐体焊缝系数）；D_i＝1 800mm（罐体公称内径）

即P≤1.7MPa。

而此罐体原设计压力P_设＝1.78MPa，即P_允许＞P_设。

上述实例说明，在用压力容器检验中，由里氏硬度计实测转换得来的σ_b，存在一定偏差。并不完全代表材料实际状态的σ_b。从新车质证书可见，热处理后的焊接试板的拉伸试件σ_b ＝555MPa，完全符合GB6654要求。因此不可仅仅以实测的σ_b值作为压力容器检验中材质评定的最后依据，也就是不能简单在以σ_实测＜σ_b原标准来判定该罐体材质不合格。

那么是否又可因此而否定里氏硬度计的先进性和可靠性及在压力容器定期检验中的可行性呢？

若要说明这一问题，必须对便携式里式硬度计的测量定义原理和测试要求进行分析、了解才能得出进一步的结论。

4　里氏硬度定义及测试原理

此概念于1978年首次引入金属硬度测量范畴。它定义冲击体反弹速度与冲击速度之比乘以某系数为里氏硬度值。该种硬度测量方法最早是用于橡胶、木材、陶瓷、塑料等非金属材料的硬度测试，因其结构简单易于操作和携带，结果直观，各硬度又可直接换算，因而逐渐应用于石油化工机械电力等行业。

测试原理：装有碳化钨球的冲击测试头在一定的试验压力下冲击试样表面。测量冲击头距试样表面1mm处的冲击速度为V_A，回弹速度为V_B，利用电磁原理感应出与速度成正比的电压。于是将里氏硬度值定义为：冲击试头回跳速度与冲击速度之比乘以1 000。

即

式中：L为里氏硬度值；V_A为冲击试头冲击速度；V_B为回跳速度。

对于常用材料，L值依据与其他标准的静载荷硬度值（布氏、维氏、洛氏）的对比曲线，使之将L值自动转换为相应的布氏硬度值。并依据布氏硬度与抗拉强度之间的对应关系式（A）

从而将测得的初始里氏硬度值可换算为材料的抗拉强度σ_b。

5　偏差产生及分析

如前所述，由里氏硬度计实测转换得来的σ_b存在一定偏差。那么这个偏差是怎样造成，又有那几种偏差呢？其偏差值为多少呢？

（1）换算偏差：

如上所述，材料的强度与硬度之间存在一种极其近似的如（A）式所表征的关系。而L值转换HB值时又是依据对比曲线的对应关系。因而在由L值→HB值→σ_b值的两次转换过程中，产生了必然的换算偏差。

对照GB1172—74《黑色金属硬度及强度换算值》，可以看出，由里氏硬度转换出的σ_b再反推HB并根据式（A）计算得出的σ_b值低于GB1172—74标准中“低合金钢硬度与强度对照表”中数据的5％左右。这部分误差我们称之为换算误差。

（2）测量误差：

便携式里氏硬度计测量时要求冲击装置支承面与试件被测表面紧密贴合并互相垂直。并要求对试件进行预处理，以消除由于表面粗糙引起的测量误差。因此要求试件被测表面必须露出金属光泽，且平整、光滑。表面粗糙度Ra应达到2μm（相当于原国标▽6）

而实际测试表面一般都难以达到Ra2μm的要求。而支承面与被测表面的紧密贴合也难以完全实现。加之所测试件空间位置的不同，试件与冲击装置互相垂直也难100％保证，因而存在一定范围的测量误差也就不足为奇了。

6　结　论

综上所述，在锅炉压力容器定期检验中，使用便携式里氏硬度计测得的硬度及由此换算得来的强度由于存在换算误差和测量误差，因而比材料实际强度值低5％～10％。所以不能单以此值大小作为评定材质劣化的最终标准和依据。同时还应充分肯定，该类仪器在锅炉压力容器定检中，因其携带、操作方便，结果直观，还具有很大的实用性。建议在实际应用中，对由于上述两项误差造成的实际值予以适当修正，以使其更接近实际状态。

（注：该论文参加1995年西北网第七次网会技术交流，本次收录时作者有所修改）