試述硬度檢測在鍋爐檢驗中的應用

楊國祥

試述硬度檢測在鍋爐檢驗中的應用

楊國祥

（云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650228）

硬度檢測的方法經(jīng)濟、簡便、迅速，同時能間接反映材料強度的大小和對塑性變形的抵抗能力。試述了硬度檢測在鍋爐檢驗中的應用，以期為相關(guān)工作者提供一定的思路和參考。

硬度檢測；鍋爐檢驗；應用；內(nèi)部檢驗

硬度指金屬材料抵抗硬物壓入其表面的能力，它表示金屬材料的堅硬程度，是重要的機械性能指標之一。

1 硬度的測定方法

硬度的測定方法很多，常用的有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法三種。

1.1 布氏硬度試驗法

測定布氏硬度是在直徑為的淬火鋼球上施加壓力，使鋼球壓入被測金屬表面，并留下壓痕，載荷與壓痕表面積之比稱為布氏硬度，用HB表示。

HB﹦/（1）

式（1）中：為壓力載荷，N；為壓痕表面積，mm2。

布氏硬度測定時其載荷壓力是淬火鋼球，壓頭硬度須大于試樣硬度的1.7倍，所以其測量的硬度只能小于450HB。用淬火鋼球所測出的硬度值用HBS表示，用硬質(zhì)合金球為壓頭所測出的硬度值用HBW表示；HBS用于測定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵、有色金屬及硬度小于450HBS的材料；HBW適合于硬度在450～650HBW之間的淬火材料。

根據(jù)經(jīng)驗，布氏硬度與材料抗拉強度之間有一定的比例關(guān)系：

m=×HB（2）

式（2）中：m為抗拉強度，MPa；為系數(shù)。

對于低碳鋼，m≈0.36HB；對于高碳鋼，m≈0.39HB；對于調(diào)質(zhì)合金鋼，m≈0.325HB。因此，根據(jù)材料的布氏硬度值，可以近似地知道材料的抗拉強度，這也是硬度檢測用于鍋爐檢驗的依據(jù)之一。

1.2 洛氏硬度試驗法

洛氏硬度的試驗原理與布氏硬度相同，它是用金剛石制成的120°圓錐體壓頭對金屬表面加壓，用一定的載荷把壓頭壓入被測金屬表面，卸載后，以壓痕的深度來確定金屬材料的硬度。壓痕愈深，硬度愈低。

洛氏硬度可用于測定從極軟到極硬的金屬或合金的硬度，硬度值可在指示器上直接讀到或由打印機打印，不會損壞零件表面，可測半成品或成品的硬度。因壓痕較小，當材料組織不均勻時，測量會不十分精確。

洛氏硬度的數(shù)值沒有單位，它與布氏硬度硬度值的關(guān)系為≈1/10×HB。基于材料硬度與抗拉強度有一定的比例關(guān)系，人們將硬度檢測應用到鍋爐檢驗工作中，國家有關(guān)規(guī)程、安全技術(shù)規(guī)范也規(guī)定了什么情況和條件下哪些部件需要進行硬度檢測，下面試述硬度檢測在鍋爐檢驗中的應用。

2 硬度檢測在鍋爐檢驗中應用

2.1 在鍋爐脹接中的應用

鍋爐受熱面管（如煙管、對流管束）與管板、鍋筒的連接有焊接和脹接兩種方式。采用焊接方式可以得到高強度和良好的接頭，但由于焊后存在應力集中，對抵抗疲勞的性能差一些，同時，管頭焊接后更換很困難，一般用于高溫高壓的大型鍋爐上。采用脹接方式也能夠得到較好的強度和嚴密性，與焊接方式相比，脹接的特點是接觸性連接，其剛性好些，更換管子方便，因此，在工業(yè)鍋爐制造和安裝中也采用脹接方法。

脹接方法是利用管子內(nèi)壁受徑向力向外擴脹，使管子與管孔壁嚴密脹緊，這種緊固力是由管子壁的部分塑性變形及管孔壁的彈性變形所形成的，因此，脹接工作前的準備工作之一就是測定鍋筒、管板、煙管頭、對流管頭的硬度值。脹接連接的鍋筒（鍋殼）的筒體、管板的取用壁厚應大于或者等于12 mm，外徑大于89 mm的管子不能采用脹接。

《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第4.2.2條對脹接鍋爐的硬度提出了要求：脹接管子材料宜選用低于管板（鍋筒）硬度的材料。如果管端硬度大于管板（鍋筒）硬度時，應當進行退火處理?！跺仩t安裝工程施工及驗收規(guī)范》第4.2.2條對脹接鍋爐的硬度要求：硬度大于和等于鍋筒管孔壁的脹接管子的管端應進行退火。

2.2 在鍋爐安裝改造修理中的應用

鍋爐安裝改造修理中，對于散裝鍋爐，特別是大型電站鍋爐，一些受壓部件焊接接頭焊后需要進行熱處理，或者使用了高合金鋼材料，如T91、P91等，安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定須進行硬度檢測。

《鍋爐監(jiān)督檢驗規(guī)則》（TSG G70001—2015）要求：現(xiàn)場施焊的受壓部件焊接接頭熱處理后應進行硬度檢測；采用高合金鋼材質(zhì)現(xiàn)場施焊的受壓部件焊接接頭應進行硬度檢測，每種材質(zhì)抽查比例至少為10%。

《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》（DL 647—2004）第5.9條規(guī)定：聯(lián)箱、減溫器、汽-汽熱交換器、水冷壁進口環(huán)形聯(lián)箱、低溫過熱器進口環(huán)形聯(lián)箱對接焊縫應該進行1%的硬度抽查。

《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》（DL 647—2004）第5.12條規(guī)定：采用合金鋼材料的鍋爐范圍內(nèi)的管道、管件、閥門及附件應該進行硬度抽查，具體為直徑大于等于159 mm管子的對接焊縫抽查1～2個；直徑小于159 mm管子的對接焊縫按1%抽查。

《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DL/T 869—2012）第7.3條規(guī)定了硬度符合要求的標準：同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100HBW，且不超過下列規(guī)定，合金總含量小于或等于3%時，布氏硬度值不大于270HBW；合金總含量小于10%，且不小于3%時，布氏硬度值不大于300HBW；異種鋼焊接接頭焊縫硬度檢驗應遵照DL/T 752的規(guī)定；焊縫硬度值不應低于母材硬度值的90%。

2.3 在電站鍋爐內(nèi)部檢驗中的應用

在電站鍋爐內(nèi)部檢驗中，為了驗證特殊材料強度在使用過程中是否發(fā)生變化，安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定了硬度檢測的范圍、比例和時機。

《鍋爐定期檢驗規(guī)則》（TSG G7002—2015）第2.4.6條規(guī)定：用9%～12%Cr系列鋼材料制造的過熱器、再熱器集箱和集汽集箱環(huán)焊縫、熱影響區(qū)和母材應當進行硬度抽查，同級過熱器、再熱器進口、出口集箱的環(huán)焊縫熱影響區(qū)和母材分別抽查不少于1處。

《鍋爐定期檢驗規(guī)則》（TSG G7002—2015）第條2.4.10（6）條規(guī)定：對主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道對接焊接接頭和彎頭（彎管）應進行硬度抽查，抽查比例一般各為對接焊接接頭和彎頭（彎管）數(shù)量的5%；對用9%～12%Cr鋼材料制造的主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道和蒸汽主要連接管道對接焊接接頭和彎頭（彎管）應進行硬度抽查，抽查比例一般各為對接焊接接頭數(shù)量和彎頭（彎管）數(shù)量的10%，并且各不少于1處。

《鍋爐定期檢驗規(guī)則》（TSG G7002—2015）第2.4.16條規(guī)定：鍋爐運行時間超過5萬小時的鍋爐應增加檢驗項目的部位，具體為對工作溫度大于或者等于450 ℃的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、蒸汽主要連接管道的對接焊接接頭和彎頭（彎管）應進行硬度抽查，抽查比例一般各為對接焊接接頭數(shù)量和彎頭（彎管）數(shù)量的5%，并且各不少于1處；對工作溫度大于或者等于450 ℃的閥門閥體應進行硬度抽查，抽查數(shù)量各不少于1處。

《鍋爐定期檢驗規(guī)則》（TSG G7002—2015）第2.4.16條規(guī)定：鍋爐運行時間超過10萬小時的鍋爐應增加檢驗項目的部位，具體為對高溫過熱器、高溫再熱器集箱和集汽集箱環(huán)焊縫、熱影響區(qū)以及母材進行硬度抽查，一般每個集箱抽查不少于1處；條件具備時，對高溫過熱器、高溫再熱器出口集箱以及集汽集箱引入管孔橋部位進行硬度抽查。

《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》（DL 647—2004）第6.27條規(guī)定：高溫過熱器、高溫再熱器出口聯(lián)箱、爐頂集汽聯(lián)箱，鍋爐運行10萬小時后應增加硬度抽查。

《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》（DL 647—2004）第6.29條規(guī)定：鍋爐范圍內(nèi)的管道、管件、閥門及附件，鍋爐運行10萬小時后應增加硬度抽查。

硬度值應符合所用材料標準和《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DL/T 869—2012）的規(guī)定。

2.4 在強度校核中的應用

鍋爐使用時間較長或者材料強度降低，需要校核鍋爐強度時，可以利用硬度檢測的方法，測得硬度值，然后通過硬度與抗拉強度的比例關(guān)系計算出抗拉強度，再根據(jù)《鍋殼鍋爐》（GB/T 16508—2013）或有關(guān)資料計算出材料的許用應力[]，最后用強度校核公式計算出鍋爐的最高允許工作壓力。下面舉例說明硬度檢測在校核鍋殼式鍋爐鍋筒強度（鍋筒最高允許工作壓力）的方法，并計算鍋爐最高允許工作壓力（額定壓力）。

測得鍋筒幾個薄弱處的平均硬度值，取其最小值硬度值HB；對于低碳鋼，m≈0.36 HB。

材料的基本許用應力[]J按下列公式計算，取兩者中較小值。

[]J≤m/2.7 （3）

式（3）中：m為常溫抗拉強度，MPa。

根據(jù)有關(guān)資料得（該鍋爐計算壁溫為250 ℃）：

[]J≤m/2.7 （7）

材料的基本許用應力取式（7）（8）中的[]J較小值。

材料許用應力[]按下式計算：

[]=[]J（9）

式（9）中：[]為材料許用應力，MPa；為修正系數(shù)；[]J為基本許用應力，MPa；

修正系數(shù)根據(jù)《鍋殼鍋爐》（GB/T 16508—2013）第5.5.2條中的表3選取。

根據(jù)《鍋殼鍋爐》（GB/T 16508—2013）6.3.3條，鍋殼筒體的最高允許工作壓力按下式計算：

式（10）中：[]為校核計算最高允許工作壓力，MPa；c為校核部位的減弱系數(shù)；e為受壓元件有效厚度，mm；i為鍋殼筒體內(nèi)徑，mm。

有效厚度e按下式計算：

e=（11）

式（11）中：為受壓元件的名義厚度，mm；為厚度附加量，mm。

當e按式（11）計算時，c=min；e也可取各校核部位的實際測量厚度減去以后可能的腐蝕減薄量，此時式（10）中的（ce）/（i+e）應以最小值代入。

鍋爐允許最高工作壓力（鍋爐額定壓力r）：

r=[]－Δa－Δf－Δh（12）

式（12）中：r為鍋爐額定壓力，MPa；[]為校核計算鍋筒最高允許工作壓力，MPa；Δa為設計附加壓力（安全閥整定壓力），MPa；Δf為介質(zhì)流動阻力附加壓力，MPa；Δh為受壓元件所受液柱靜壓力，MPa。

工質(zhì)流動阻力Δf取最大流量時計算元件至鍋爐出口之間的壓力降，當所受液柱靜壓力不大于（r+Δa+Δf）的3%時，則取所受液柱靜壓力等于0。

2.5 在事故檢驗中的應用

在用鍋爐因某種原因，發(fā)生缺水或者筒體鼓包等事故時，現(xiàn)場檢驗除外觀檢驗、金相檢驗、無損檢測（表面探傷）、壁厚測量外，可輔以硬度檢測進行事故檢驗分析，比如缺水事故通過硬度檢測，可以初步判斷材料強度是否降低，倘若降低，金相組織又在允許使用范圍內(nèi)，無損檢測（表面探傷）未發(fā)現(xiàn)其他不允許的缺陷時，則可參考2.4中的方法進行強度校核，計算出鍋爐的最高允許工作壓力。

2.6 在進口鍋爐安全性能監(jiān)督檢驗中的應用

進口鍋爐安全性能監(jiān)督檢驗，對受壓部件進行硬度檢測，主要是為了驗證材料的強度是否與鍋爐產(chǎn)品質(zhì)量證明書或材質(zhì)證明書中記錄的材料一致，同時，也為進口鍋爐材料強度建立技術(shù)檔案。

3 結(jié)束語

由于硬度檢測的方法經(jīng)濟、簡便、迅速，同時又能間接反映材料強度的大小和對塑性變形的抵抗能力，并且還可以用硬度來確定焊接接頭熱影響區(qū)組織的淬火情況，因此，硬度檢測在工程上被廣泛應用，特別是在特種設備的檢驗檢測當中越來越占有重要位置。

［1］中國特種設備檢測研究院，國家質(zhì)檢總局特種設備安全監(jiān)察局，中國鍋爐水處理協(xié)會，等.TSG G0001—2012鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.北京：中國計量出版社，2012.

［2］中國特種設備檢測研究院，中國特種設備檢測研究院，上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，等.TSG G70001—2015鍋爐監(jiān)督檢驗規(guī)則［S］.天津：天津人民出版社，2015.

［3］中國特種設備檢測研究院，國家質(zhì)檢總局特種設備安全監(jiān)察局，河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，等.TSG G7002—2015鍋爐定期檢驗規(guī)則［S］.北京：新華出版社，2015.

［4］楊建平，郭軍，喬亞霞，等.DL/T 869—2012火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［5］張勇，鄭志良，郁建國，等.DL 647—2004電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2004.

［6］中國特種設備檢測研究院，上海工業(yè)鍋爐研究所，上海發(fā)電設備成套設計研究院，等.GB/T 16508—2013鍋殼鍋爐［S］.北京：中國標準出版社，2013.

TM621.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.028

2095－6835（2019）13－0069－03

楊國祥（1963—），男，云南玉溪人，工學學士，高級工程師，研究方向為鍋爐安全技術(shù)檢驗檢測。

〔編輯：嚴麗琴〕