電站高溫緊固螺栓現(xiàn)場檢測誤差影響因素分析

金莎莎，王若民，陳國宏

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電站高溫緊固螺栓現(xiàn)場檢測誤差影響因素分析

金莎莎1，王若民1，陳國宏2

（1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601）

研究了螺栓緊固件表面狀態(tài)、換算關(guān)系、檢測部位等因素對現(xiàn)場硬度檢測的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明表面狀態(tài)對硬度測量偏差極小，可以忽略不計(jì)；螺栓端部硬度無法反映腰部硬度的真實(shí)狀況，兩者無法替用；鎳基合金螺栓HBHLD與HBW值吻合性高，無需修正；貝氏體/馬氏體螺栓HBHLD均低于HBW，需要修正。

螺栓；現(xiàn)場檢測；里氏硬度；布氏硬度

1 引言

《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定規(guī)格不小于M32的高溫螺栓安裝前必須進(jìn)行硬度檢測，大修時(shí)需按一定的比例進(jìn)行硬度抽檢，高溫螺栓硬度檢測作為評估火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性的重要手段之一[1]?，F(xiàn)存國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中采用布氏硬度控制高溫螺栓材料的硬度，不過布氏硬度計(jì)一般只適用于實(shí)驗(yàn)室檢測，而且里氏硬度計(jì)具有操作方便、易攜帶、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前里氏硬度計(jì)已經(jīng)在火力發(fā)電廠的高溫緊固件螺栓的現(xiàn)場硬度檢測中普遍使用[2-3]。1978年瑞士Leeb博士提出全新的測量硬度方法，里氏硬度法定義如下：用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，測量沖頭在距離試樣表面1 mm處的回彈速度與沖擊速度之比計(jì)算出的數(shù)值[4-5]。除了材質(zhì)和熱處理狀態(tài)外，里氏硬度值還與被檢工件的表面粗糙度、曲率半徑、剛性條件（厚度、質(zhì)量）等有關(guān)。

現(xiàn)場檢修時(shí)，里氏硬度是使用里氏硬度計(jì)測量螺栓表面里氏硬度值，然后換算成布氏硬度值。目前國標(biāo)GB/T 17394—2014金屬材料里氏硬度試驗(yàn)只提供了D型沖頭材料的里氏硬度/布氏硬度換算表格，其彈性模量約為210 GPa，但是，對于當(dāng)前電廠廣泛使用的高溫合金和高溫合金鍛件，其彈性模量存在差異，并不都適用于該表格，所以對于不同材質(zhì)的螺栓緊固件，里氏硬度/布氏硬度換算存在誤差[6-7]。而且現(xiàn)場螺栓表面狀態(tài)處理各異，所以螺栓表面狀態(tài)的不同也帶來了測量誤差。

此外，《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)場檢修推薦的檢查部位為螺栓光桿處。但目前火力發(fā)電廠檢修現(xiàn)場情況多變，檢測條件往往得不到滿足，只能測試螺栓端部的硬度來代替螺栓腰部硬度。而端部硬度能否代替腰部硬度反映螺栓真實(shí)情況硬度，仍然不能確定。這些因素都可能導(dǎo)致螺栓硬度測量存在較大的數(shù)據(jù)偏差，影響檢測結(jié)果的評判。

本實(shí)驗(yàn)參照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[2]、DL/T 439—2006 火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則[8]及GB/T 231.1—2009 金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第１部分：試驗(yàn)方法[9]等標(biāo)準(zhǔn)，選取20Cr1Mo1VTiB貝氏體鋼、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB馬氏體鋼、In783鎳基合金螺栓2Cr12NiW1Mo1V馬氏體鋼、20Cr1Mo1VNbTiB這5種常見高溫緊固件材料，分別在螺栓腰部和端部進(jìn)行打磨態(tài)和拋光態(tài)處理，并分別進(jìn)行里氏硬度HLD和布氏硬度HBW測試，并將里氏硬度HLD換算成布氏硬度HBHLD.分析表面狀態(tài)、換算關(guān)系、檢測部位3種因素的影響，造成螺栓里氏硬度硬度測量存在的誤差，從而為螺栓現(xiàn)場里氏硬度檢測提供可靠的判定依據(jù)，提高檢測準(zhǔn)確度，減少重復(fù)檢測環(huán)節(jié)，提高現(xiàn)場工作效率。

2 試驗(yàn)儀器和材料

布氏硬度根據(jù)GB231.1—2009 金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法，里氏硬度根據(jù)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。各組試驗(yàn)采用THB-3000MDX型自動(dòng)布氏硬度計(jì)測量螺栓布氏硬度值HBW，采用瑞士Bambino2便攜式里氏硬度計(jì)測量里氏硬度布氏硬度換算值HBHLD；使用GWS8-100CE拋光機(jī)拋光制作拋光試樣，打磨態(tài)用Bosch手持式磨光機(jī)配合不同打磨片完成。試驗(yàn)材料為火電廠提供的20Cr1Mo1VTiB（服役7萬小時(shí)）、In783（服役1萬小時(shí)）、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB（服役2萬小時(shí)）、20Cr1Mo1VNbTiB（服役15萬小時(shí)）、2Cr12NiW1Mo1V（服役3萬小時(shí)）5種材質(zhì)的高溫緊固件螺栓。

3 試驗(yàn)方法與結(jié)果討論

3.1 不同表面狀態(tài)

選擇20Cr1Mo1VTiB貝氏體鋼、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB馬氏體鋼、In783鎳基合金螺栓分別代表3種常見高溫緊固件材料，使用切割片、砂輪片、0#砂紙進(jìn)行打磨，模擬現(xiàn)場檢測條件，制作不同的表面狀態(tài)。每組試樣5個(gè)，對每個(gè)試樣分別使用Equotip Bambino里氏硬度計(jì)測量其里氏硬度值，取得平均數(shù)。設(shè)定0#砂紙打磨后的測量硬度HBHLD作為標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算用砂輪片和切割片打磨方式測量的HBHLD與標(biāo)準(zhǔn)值間的偏差。

Δ打磨=（HBHLD0#－HBHLD打磨）/HBHLD0#.

圖1 各打磨態(tài)與0#砂紙打磨的HBHLD之間的偏差統(tǒng)計(jì)圖

由圖1可知，不同材質(zhì)的螺栓各種打磨狀態(tài)之間的測量值偏差很小，最大的偏差不超過2.5 %，說明現(xiàn)有打磨方式對硬度測量結(jié)果的影響很小，基本不用考慮。

3.2 不同材質(zhì)HBHLD/HBW換算誤差

選取20Cr1Mo1VTiB貝氏體鋼、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB馬氏體鋼、In783鎳基合金螺栓、20Cr1Mo1VNbTiB珠光體熱強(qiáng)鋼、2Cr12NiW1Mo1V馬氏體鋼等5種常用材質(zhì)分別制作打磨態(tài)試樣和拋光態(tài)試樣，每組試樣5個(gè)，對每個(gè)試樣分別使用Equotip Bambino里氏硬度計(jì)測量其里氏硬度值和布氏硬度計(jì)HBE-3000A測量其布氏硬度。通過數(shù)據(jù)對比分析，計(jì)算各種材質(zhì)里氏硬度/布氏硬度換算誤差。不同材質(zhì)的螺栓里氏/布氏轉(zhuǎn)化誤差值統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

圖2 不同材質(zhì)的螺栓里氏/布氏轉(zhuǎn)化誤差值統(tǒng)計(jì)圖

對鎳基合金In783來說，里氏硬度布氏硬度換算值與布氏硬度計(jì)的測量值之間偏差很小，可忽略不計(jì)。馬氏體鋼螺栓次之，貝氏體鋼螺栓換算誤差最大。里氏硬度布氏硬度換算誤差主要包括2個(gè)方面：①里氏硬度本身測量誤差；②比較兩種硬度試驗(yàn)方法所測硬度產(chǎn)生的誤差。這是由于兩種方法之間不存在明確的物理關(guān)系，相互比較中不可靠影響的原因。里氏硬度測量值與硬度、強(qiáng)度、彈性模量有關(guān)。硬度較大的材料，誤差越??；越軟的材料，誤差越大。

3種螺栓的金相組織圖如圖3所示，圖3（a）中服役態(tài)In783合金的組織形態(tài)特征是顆粒狀或短棒狀的β-NiAl相顆粒分布于Fe-Ni-氏體基體（γ相）中，其硬度高，吻合性較好，所以誤差值很小，可忽略不計(jì)。圖3（c）中服役態(tài)1Cr11Co3W3NiMoVNbNB螺栓的顯微組織中原奧氏體晶界明顯，奧氏體晶粒內(nèi)部主要由板條狀的回火馬氏體組成，馬氏體板條細(xì)小，有細(xì)小的合金碳化物顆粒在板條馬氏體之間析出，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。同時(shí)，部分的回火馬氏體已經(jīng)分解形成粒狀貝氏體（或回火索氏體），其硬度值較低，吻合性相差較大，里氏硬度換算值比布氏硬度值低很多，誤差達(dá)到5%～8%.圖3（b）顯示20Cr1Mo1VTiB螺栓材料金相組織已經(jīng)中度老化，此外，組織中有一些冶金時(shí)未完全溶入鋼基體中TiC或Ti（C，N）顆粒，可能導(dǎo)致鐵素體基體貧碳，硬度值明顯降低，換算值誤差值增大到12%.

現(xiàn)場檢驗(yàn)中，針對馬氏體/貝氏體鋼螺栓測量硬度時(shí)，應(yīng)按照一定比例進(jìn)行補(bǔ)償差值。

圖3 3種螺栓的金相組織圖

3.3 分析檢測部位的誤差

選取20Cr1Mo1VTiB、In783、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB、20Cr1Mo1VNbTiB、2Cr12NiW1Mo1V這5種材質(zhì)的高溫緊固件，將腰部和端部拋光后，使用布氏硬度計(jì)測量其HBW。（通過金相檢驗(yàn)驗(yàn)證腰部和端部兩個(gè)硬度測量點(diǎn)金相組織均一性。）由圖4可知，各種材質(zhì)的螺栓緊固件的腰部和端部布氏硬度的誤差普遍在5%以上，服役15萬小時(shí)的20Cr1Mo1VNbTiB腰部和端部的布氏硬度誤差甚至?xí)龃蟮?0%以上。

服役態(tài)螺栓腰部和端部金相組織如圖5所示。由圖5（a）、圖5（b）可知，服役15萬小時(shí)的20Cr1Mo1VNbTiB螺栓材料腰部金相組織已經(jīng)嚴(yán)重老化，珠光體團(tuán)幾乎完全分解，碳化物長大，部分沿鐵素體晶界半連續(xù)分布，球化老化等級4.5～5級。此外，組織中有一些冶金時(shí)未完全溶入鋼基體中TiC或Ti（C，N）顆粒，可能導(dǎo)致鐵素體基體貧碳，這些都會導(dǎo)致20Cr1Mo1VTiB的硬度降低。而端部組織老化程度較輕，老化等級2～3級，顯然端部的硬度已經(jīng)無法反映腰部材質(zhì)的老化狀況。

圖4 螺栓腰部與端部HBW差異值統(tǒng)計(jì)圖

由圖5（c）、圖5（d）可知，In783螺栓的金相組織形態(tài)特征是Fe-Ni-Co奧氏體基體（相）中分布著短棒狀或顆粒狀的β-NiAl相顆粒，螺栓腰部的相晶粒尺寸大于螺栓端部，組織內(nèi)孿晶組織依然存在，但比例較小，β-NiAl相顆粒開始球化，并且數(shù)量有所減小，可能是部分β-NiAl顆粒溶入γ相基體中。這些顯示In783腰部承受更高溫度，老化程度高于端部。這些會導(dǎo)致腰部的硬度低于端部的硬度。

圖5 服役態(tài)螺栓腰部和端部金相組織圖

由圖5（e）、圖5（f）可知，服役態(tài)2Cr12NiW1Mo1V螺栓端部及腰部均為主體的馬氏體組織，但腰部局部區(qū)域內(nèi)的馬氏體分解較為明顯，形成回火索氏體或粒狀貝氏體組織，硬度應(yīng)有所降低。由此可見，服役態(tài)螺栓的端部硬度已經(jīng)無法反映螺栓老化情況，兩者無法替用。

4 結(jié)論

通過上述分析，可得出以下幾個(gè)結(jié)論：①相同條件下，同一螺栓打磨狀態(tài)和拋光狀態(tài)，里氏硬度測量值偏差極小，現(xiàn)有的打磨方式不影響現(xiàn)場硬度檢測的準(zhǔn)確性；②電站高溫運(yùn)行環(huán)境下，螺栓腰部老化情況比端部嚴(yán)重，螺栓端部硬度無法反映腰部硬度的真實(shí)狀況，兩者無法替用；③鎳基螺栓的HBHLD與HBW值吻合性高，無需修正；④貝氏體鋼/馬氏體鋼螺栓的HBHLD均低于HBW值，需要進(jìn)行現(xiàn)場修正換算。

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TG115.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.030

2095－6835（2018）22－0030－03

金莎莎（1987—），女，安徽阜陽人，助理工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠失效分析。王若民（1987—），男，安徽合肥人，高級工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠理化分析。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕