彎管硬度檢測問題的探究

梁才萌， 張榮勝， 李志強(qiáng)， 董開拓

(1．番禺珠江鋼管(連云港)有限公司， 江蘇 連云港 222066；2.連云港市高性能能源管材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 連云港 222066；3.海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520；4.中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院， 山東 青島 266580)

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彎管硬度檢測問題的探究

梁才萌1,2， 張榮勝1,2， 李志強(qiáng)3， 董開拓4

(1．番禺珠江鋼管(連云港)有限公司， 江蘇 連云港 222066；2.連云港市高性能能源管材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 連云港 222066；3.海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520；4.中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院， 山東 青島 266580)

基于表面硬度對(duì)彎管產(chǎn)品性能的重要性，通過采用里氏硬度儀和維氏硬度計(jì)對(duì)彎管進(jìn)行試樣檢測和產(chǎn)品表面檢測，比對(duì)發(fā)現(xiàn)里氏硬度儀自帶硬度轉(zhuǎn)換軟件造成硬度轉(zhuǎn)換值差異較大，不適宜直接用于評(píng)價(jià)彎管產(chǎn)品硬度性能；并分析探究其產(chǎn)生差異的原因，提出了如何正確地測量彎管表面硬度和對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。

硬度檢測； 彎管； 表面硬度； 里氏硬度； 維氏硬度

引 言

管道輸送是石油、天然氣等能源介質(zhì)的重要傳輸手段。彎管是用于改變管道方向，緩沖因底層遷移、地震以及外界環(huán)境溫度變化等施加在管道直管上的拉、壓應(yīng)力和扭矩作用力的重要連接構(gòu)件[1]。

硬度是衡量彎管產(chǎn)品機(jī)械性能的一個(gè)重要指標(biāo)。通常采用兩種方法進(jìn)行硬度檢測：1)對(duì)彎管產(chǎn)品進(jìn)行破壞性取樣并制作試樣進(jìn)行截面檢測，檢測儀器類型較多，主要有維氏硬度計(jì)、洛氏硬度計(jì)、布氏硬度計(jì)等；2)對(duì)彎管產(chǎn)品進(jìn)行非破壞性的表面檢測，主要使用便攜式里氏硬度儀。為了便于評(píng)價(jià)，里氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了幾種常用硬度檢測方法之間的換算表，硬度檢測儀器制造廠家按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的換算表在儀器內(nèi)部嵌入了換算程序，便于直接讀取數(shù)值。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，使用里氏硬度儀對(duì)彎管表面進(jìn)行硬度檢測，讀取轉(zhuǎn)換后的維氏硬度值與直接使用維氏硬度計(jì)對(duì)同一支彎管取樣進(jìn)行試樣硬度檢測，結(jié)果差異較大。本文對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析驗(yàn)證，探討其產(chǎn)生的原因并提出正確檢測彎管表面硬度和對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。

1 差異原因分析

1.1 主要檢測標(biāo)準(zhǔn)介紹

彎管生產(chǎn)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 15590-1-2009、GB/T 29168.1-2012以及 SY/T 5257-2012，其對(duì)表面硬度的檢驗(yàn)要求為協(xié)商選定硬度儀進(jìn)行檢測，其表面硬度值不超過試樣截面硬度值為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(以維氏硬度HV表示)。在實(shí)際生產(chǎn)中，行業(yè)內(nèi)通常選用便攜式里氏硬度儀(D型沖擊裝置)進(jìn)行表面硬度檢測，依據(jù)的試驗(yàn)方法為GB/T 17394.1-2014或 ASTM A956-2002。里氏硬度試驗(yàn)方法是一種動(dòng)態(tài)硬度試驗(yàn)法，用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈簧力作用下以一定速度垂直沖擊試樣表面，以沖擊體在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值來表示材料的里氏硬度[2]。

影響里氏硬度儀檢測彎管硬度準(zhǔn)確性的因素主要有：1)檢測時(shí)，需根據(jù)彎管檢測位置設(shè)置儀器的沖擊方向。2)沖擊球受污染，尤其是被油質(zhì)和鐵銹等污染。3)被檢彎管表面的粗糙度大小。4)彎管檢測位置(管體、焊縫和熱影響)的規(guī)則性[3]。

1.2 測試對(duì)比

由技術(shù)嫻熟的檢驗(yàn)員進(jìn)行彎管成品表面里氏硬度檢測，可以消除影響上述試驗(yàn)準(zhǔn)確性的因素。如表1所示是技術(shù)嫻熟的檢驗(yàn)員，在實(shí)際生產(chǎn)訂單中，檢測不同彎管(規(guī)格、材質(zhì)不同)的表面硬度(里氏硬度轉(zhuǎn)換為維氏硬度)和截面硬度(維氏硬度)數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，表面硬度與截面硬度之間的差異較大，使用里氏硬度儀測量的表面硬度的轉(zhuǎn)換結(jié)果比使用維氏硬度計(jì)測量的截面硬度要低很多，并且其比對(duì)結(jié)果在數(shù)值上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。忽略影響里氏硬度儀測量準(zhǔn)確性的因素不計(jì)，推斷導(dǎo)致測量結(jié)果差異較大的主要原因是里氏硬度與維氏硬度的換算不準(zhǔn)確，即里氏硬度儀自帶硬度轉(zhuǎn)換軟件所引用的里氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17394.4-2014 金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第4部分 硬度值換算表》不適用于管線鋼彎管的表面硬度值轉(zhuǎn)換。

為了證實(shí)上述的分析結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了以下比對(duì)試驗(yàn)，選用不同硬度值維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)塊和彎管產(chǎn)品截面硬度試樣(小試樣)，使用里氏硬度儀和維氏硬度計(jì)分別進(jìn)行檢測，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

在以上試驗(yàn)中，分別使用型號(hào)TH110里氏硬度儀，按照GB/T 17394.1-2014要求進(jìn)行里氏硬度檢測，以及使用型號(hào)ZHV30M維氏硬度計(jì)，按照GB/T 4340.1-2009要求進(jìn)行維氏硬度檢測。其中，截面硬度試塊的檢測位置為試樣外表面往下約1 mm(內(nèi)表面機(jī)加工銑、磨至平，檢測時(shí)外表面研磨后拋光)，兩種硬度檢測壓痕位置相鄰。這些小試塊在進(jìn)行里氏硬度檢測時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行耦合。檢測數(shù)據(jù)表明里氏硬度儀測量結(jié)果和維氏硬度計(jì)測量結(jié)果在300HV10以下時(shí)差異較大，而在硬度值447HV10時(shí)差異趨小。進(jìn)一步證實(shí)在彎管檢測中，直接使用里氏硬度儀自帶轉(zhuǎn)換功能的維氏硬度讀數(shù)作為檢測值，其偏差較大，不能準(zhǔn)確反映出彎管產(chǎn)品表面的實(shí)際硬度性能狀況。

造成里氏硬度檢測標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換表不適用的主要原因是《GB/T 17394.4-2014 金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第4部分 硬度值換算表》針對(duì)的范圍較廣，檢測對(duì)象包括碳鋼、合金鋼和鑄鋼。管線鋼彎管雖然也屬于合金鋼，但其成分組成和其制造工藝中的煨彎加熱、再次熱處理等特殊加工過程有別于其他低合金鋼，導(dǎo)致硬度轉(zhuǎn)換時(shí)差異較大。

2 正確檢測的方法

通過表2可知，里氏硬度儀自帶硬度轉(zhuǎn)換值并不適用于管線鋼彎管表面硬度檢測。ASTM A956-2002中規(guī)定，進(jìn)行里氏硬度檢測時(shí)，應(yīng)該制作被檢測對(duì)象里氏硬度值與目標(biāo)硬度值的比對(duì)參考數(shù)據(jù)表。如表3所示是對(duì)被測彎管的同一位置采用不同種類硬度儀器進(jìn)行試樣檢測的結(jié)果，以及直接使用里氏硬度儀檢測成品表面里氏硬度的結(jié)果，從而得到表面里氏硬度值與維氏硬度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，小試樣檢測位置與成品表面檢測位置大致相同，都是外表面下1mm處左右。小試樣制備方式與前述試驗(yàn)相同；成品表面為正常的磨拋后進(jìn)行垂直沖擊試驗(yàn)；使用型號(hào)ZHV30M維氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測得到HV10結(jié)果，使用型號(hào)TH110里氏硬度儀進(jìn)行檢測得到HLD結(jié)果。

表1 表面硬度和截面硬度數(shù)據(jù)比對(duì)表

備注：表面硬度在彎管產(chǎn)品表面(經(jīng)磨拋后)進(jìn)行檢測，截面硬度在表面硬度對(duì)應(yīng)的相鄰區(qū)域(彎曲段外弧側(cè))進(jìn)行檢測(打點(diǎn)位置為外表面下1 mm處)。

表2 不同儀器硬度檢測對(duì)比數(shù)據(jù)表

表3 彎管表面硬度試驗(yàn)參考比對(duì)表

表3的數(shù)據(jù)只是兩種代表性管線鋼彎管產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，可以看出產(chǎn)品表面里氏硬度值比小試樣外表面下1 mm處的里氏硬度值小。按照彎管制造工藝和熱處理學(xué)原理，彎管表面熱處理后淬透性應(yīng)更好，得到的組織更硬，理論上彎管表面硬度值應(yīng)該更高。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)槌善繁砻嬗捕葯z測時(shí)表面處理的平整度、粗糙度以及復(fù)雜的現(xiàn)場試驗(yàn)條件所致。也可以看出里氏硬度值和維氏硬度值之間不存在直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，比對(duì)數(shù)據(jù)在批量生產(chǎn)檢驗(yàn)前應(yīng)得到購方的確認(rèn)，為最終結(jié)果評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

3 結(jié)束語

(1)里氏硬度儀自帶轉(zhuǎn)換軟件對(duì)管線鋼彎管產(chǎn)品表面硬度檢測不適用，這也是彎管實(shí)際檢測過程中，里氏硬度值轉(zhuǎn)換為維氏硬度值后相對(duì)于截面維氏硬度值差異較大的主要原因。

(2)隨著被測件硬度增高到一定值時(shí)(大約在447HV10)，按照《GB/T 17394.4-2014 金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第4部分 硬度值換算表》轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與被測件截面維氏硬度值的差異趨小。

(3)使用里氏硬度儀檢測管線鋼彎管產(chǎn)品的表面硬度時(shí)，需提前進(jìn)行里氏硬度和維氏硬度比對(duì)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果在批量生產(chǎn)檢驗(yàn)前應(yīng)得到購方的確認(rèn)，為硬度值轉(zhuǎn)換和最終結(jié)果評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

[1] 趙春. X100管線彎管的組織-性能研究[D]. 西安：西安石油大學(xué)，2008.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 17394.1-2014.金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法[S]. 2014.

[3] 楊德堅(jiān).便攜式里氏硬度計(jì)測量精度的影響因素[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2014，41(3)：45—46.

2016-09-10

TG115.5； TB938.2