淺談電站鍋爐檢驗(yàn)中硬度檢測(cè)的技術(shù)意義和要求

舒俊

摘 要：通過(guò)簡(jiǎn)單的理論分析，闡述了材質(zhì)硬度與材質(zhì)劣化的關(guān)系，并引申出硬度檢測(cè)在電站鍋爐承壓部件的檢驗(yàn)中監(jiān)測(cè)組織老化、評(píng)估焊后熱處理狀況、評(píng)判新生缺陷部位材質(zhì)劣化三個(gè)方面的技術(shù)意義;歸納了現(xiàn)行電站鍋爐檢驗(yàn)規(guī)則中對(duì)硬度檢測(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;硬度檢測(cè);意義;要求

0 引言

金屬的硬度是金屬材料局部表面抵抗塑性變形和破壞，特別是抵抗壓痕或劃痕造成的永久變形的能力。由于硬度能夠非常精確地反映金屬材料在化學(xué)成分、熱處理工藝、金相組織及冷加工變形等幾方面性能差異，再加之，硬度檢測(cè)所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、操作快捷、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的適應(yīng)性好，且測(cè)試過(guò)程僅僅在材料表面局部區(qū)域內(nèi)造成很小的壓痕或刻痕，基本上屬于微損檢測(cè)，所以目前已作為一種常規(guī)檢測(cè)手段在電站鍋爐的安裝監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 硬度檢測(cè)的技術(shù)意義

1.1 間接監(jiān)測(cè)承壓部件在服役期間組織老化的程度

在高溫條件下，電站鍋爐的承壓部件長(zhǎng)期使用，不可避免的會(huì)發(fā)生蠕變，導(dǎo)致承壓部件在鍋爐整個(gè)服役期內(nèi)都將發(fā)生顯微組織的持續(xù)老化和宏觀性能的逐漸劣化。在長(zhǎng)期高溫和應(yīng)力作用下，承壓部件發(fā)生組織老化的特征通?？煞从吃谔蓟锵嗟谋碚鳟a(chǎn)生一系列變化，其中，組織形態(tài)改變直接與材料的老化過(guò)程相關(guān)，而碳化物相形態(tài)特征的變化可以間接由硬度測(cè)量的結(jié)果來(lái)評(píng)定，因此通過(guò)定期進(jìn)行硬度檢測(cè)能夠獲取高溫承壓部件隨服役時(shí)間的老化程度，從而為鍋爐的安全運(yùn)行提供決策依據(jù)。

以中、高壓電站鍋爐常用材質(zhì)12Cr1MoVG的主蒸汽管道為例，當(dāng)管道母材的正常顯微組織為鐵素體加珠光體時(shí)，其珠光體中的碳化物相在長(zhǎng)期高溫應(yīng)力作用下，會(huì)由于原子擴(kuò)散方式漸變?yōu)榍驙睿以跁r(shí)間延長(zhǎng)作用下，不斷聚集變大，即發(fā)生珠光體球化，這就是碳化物分布形態(tài)變化的一個(gè)基本特征，受此影響，材料室溫力學(xué)性能和耐熱性均會(huì)產(chǎn)生一定程度下降。表1[1]反映出與材料各個(gè)球化級(jí)別相對(duì)應(yīng)的常溫平均力學(xué)性能，可得出球化級(jí)別與布氏硬度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)。

1.2 間接評(píng)估焊接接頭焊后熱處理工藝的質(zhì)量狀況

所謂焊后熱處理指的是將焊接接頭加熱到一定溫度，一般不超過(guò)焊接材料熔敷金屬及兩側(cè)母材中最低轉(zhuǎn)變溫度（Ac1），宜在Ac1溫度以下30℃，通常取Ac1以下100℃～200℃，碳鋼和低合金鋼大致在500℃～650℃，保溫然后緩慢冷卻的熱處理過(guò)程。目的是消除焊接產(chǎn)生的應(yīng)力殘余，改善焊縫金屬的組織和性能，提高焊縫的抗裂性和韌性。在上述過(guò)程中，殘余應(yīng)力是通過(guò)塑性變形或蠕變變形產(chǎn)生松弛來(lái)消除的。

再次以材質(zhì)為12Cr1MoVG的主蒸汽管道的焊接接頭為例。該低合金耐熱鋼中因?yàn)榇嬖谥鳦r、Mo等合金元素，在熱影響區(qū)具有較大的淬硬傾向。焊后在空氣中冷卻時(shí)，常在焊縫處產(chǎn)生少量粒狀貝氏體組織、硬脆馬氏體組織出現(xiàn)在熱影響區(qū)，這將造成焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)處的硬度偏高，且導(dǎo)致熱影響區(qū)處的淬硬傾向明顯。經(jīng)過(guò)焊后熱處理，焊縫中貝氏體轉(zhuǎn)化為鐵素體，而熱影響區(qū)不再出現(xiàn)馬氏體，焊縫和熱影響區(qū)的硬度將得以降低，但同時(shí)由于熱處理改善了材料的組織和性能，熱影響區(qū)處的淬硬性得以消除，從專業(yè)人員對(duì)此類焊接試件的拉伸試驗(yàn)[2]結(jié)果來(lái)看，試件斷裂部位從焊態(tài)下的熱影響區(qū)，變?yōu)楹负鬅崽幚砗蟮哪覆膮^(qū)域，表明焊縫處的強(qiáng)度比母材處的要高，符合使用要求。

因此，通過(guò)硬度檢測(cè)能夠間接獲取焊接接頭焊后熱處理工藝的質(zhì)量狀況，提升了對(duì)焊后熱處理效果的評(píng)價(jià)效率。通常焊后熱處理溫度或時(shí)間不夠會(huì)導(dǎo)致焊縫硬度值高于規(guī)定值，而加熱溫度超過(guò)相變溫度出現(xiàn)異常組織會(huì)導(dǎo)致焊縫硬度值低于規(guī)定值。

1.3 間接評(píng)判新生缺陷所在區(qū)域的材質(zhì)是否劣化

材質(zhì)因過(guò)熱造成組織劣化時(shí)，其高溫性能及常溫性能均會(huì)明顯地下降，而通過(guò)硬度測(cè)量能夠間接地反映出材質(zhì)的劣化狀況，故硬度檢測(cè)適用于初步、快速評(píng)判新生缺陷是否產(chǎn)生材質(zhì)劣化。在電站鍋爐的承壓部件檢驗(yàn)中，硬度檢測(cè)可用于以下場(chǎng)合的輔助檢驗(yàn)：高溫過(guò)熱器內(nèi)、外表面脫碳層的檢測(cè)。有文獻(xiàn)[3，4]研究表明15CrMoG和12Cr1MoVG材質(zhì)通常在脫碳區(qū)域的維氏硬度比在正常區(qū)域的維氏硬度低10HV～15HV;受熱面管子局部鼓包、局部管段變形處的檢測(cè)。通常因過(guò)熱溫度超過(guò)相變溫度導(dǎo)致材料金相組織發(fā)生變化時(shí)（如15CrMo材質(zhì)管子超溫變形部位產(chǎn)生貝氏體、馬氏體），過(guò)熱區(qū)域的硬度值會(huì)明顯高于材料未過(guò)熱區(qū)域的正常硬度。

2 鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)對(duì)硬度檢測(cè)的要求

2.1 電站鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)

根據(jù)《鍋爐監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG G7001-2015）的要求，散裝鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)中，對(duì)于鍋筒、汽水（啟動(dòng)）分離器、分離器儲(chǔ)水箱、集箱類部件[含減溫器、分汽（水、油）缸]、鍋爐范圍內(nèi)管道和主要連接管道，檢驗(yàn)人員應(yīng)審查安裝焊接接頭熱處理后硬度檢測(cè)記錄，檢查高合金鋼材質(zhì)安裝焊接接頭的硬度，保證各種材質(zhì)抽檢比例至少10%。

硬度檢測(cè)比例應(yīng)符合表2[5]的規(guī)定，硬度檢測(cè)值應(yīng)滿足：同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度不超出母材布氏硬度值加100HBW，當(dāng)合金總含量≤于3%時(shí)，布氏硬度值不>270HBW;當(dāng)合金總含量<10%，且不<3%時(shí)，布氏硬度值不>300HBW;9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼焊縫硬度合格指標(biāo)是180HBW～270HBW;焊縫的硬度不能低于母材硬度90%;異種鋼焊接接頭焊縫硬度不能超過(guò)接頭兩側(cè)母材的實(shí)際布氏硬度平均值30%或低于較低側(cè)硬度值90%。

熱處理后的焊接接頭硬度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，應(yīng)按班次進(jìn)行二次校核。當(dāng)二次復(fù)查仍存在不合格的，需要進(jìn)行100%復(fù)查。焊接后，由于熱處理溫度或時(shí)間不夠，焊縫硬度值高于額定值時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行焊縫熱處理。且不超過(guò)3次;當(dāng)焊縫硬度值低于規(guī)定值，或金相組織檢驗(yàn)判定超過(guò)相變溫度出現(xiàn)異常組織的焊縫時(shí)，除非能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行正火和回火熱處理，不然應(yīng)將焊接接頭切斷重新焊接。焊后熱處理的恒溫時(shí)間超過(guò)《焊后熱處理作業(yè)指導(dǎo)書》中規(guī)定的30%，并記錄下硬度檢驗(yàn)合格的焊縫。

2.2 電站鍋爐定期檢驗(yàn)

根據(jù)《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG G7002-2015），對(duì)在用電站鍋爐按服役時(shí)間的累計(jì)小時(shí)數(shù)，分別提出硬度檢測(cè)要求如下：

2.2.1 運(yùn)行時(shí)間未超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)的鍋爐

對(duì)9%～12%Cr系列鋼材料制造的過(guò)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(yīng)當(dāng)進(jìn)行硬度檢測(cè)抽查，同級(jí)過(guò)熱器和再熱器進(jìn)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;

對(duì)主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道對(duì)接焊接接頭和彎頭（彎管）進(jìn)行硬度檢測(cè)抽查，抽查比例一般各為對(duì)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點(diǎn);

對(duì)于9%～12%Cr鋼材料制造的主蒸汽管道、再熱蒸汽熱段管道和蒸汽主要連接管道對(duì)接焊接接頭和彎頭（彎管）進(jìn)行硬度檢測(cè)抽查，抽查比例一般各為對(duì)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點(diǎn)。

2.2.2 運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)的鍋爐

對(duì)工作溫度≥450℃的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、主蒸汽連接管道的對(duì)接焊接頭、彎頭（管）的硬度進(jìn)行抽檢。對(duì)焊接頭和彎頭（管）的抽檢率一般為5%，且不少于1點(diǎn);對(duì)工作溫度≥450℃的閥門閥體進(jìn)行硬度檢測(cè)抽查，抽查數(shù)量各不少于1點(diǎn)。

一般情況下，對(duì)高溫過(guò)熱器、高溫再熱器集熱箱、蒸汽集熱箱的環(huán)焊縫、熱影響區(qū)、基材硬度和金相檢測(cè)抽查，每個(gè)集裝箱至少有一個(gè)地方需要抽查。當(dāng)條件合適時(shí)，要對(duì)高溫過(guò)熱器、高溫再熱器出口集熱箱、蒸汽集熱箱進(jìn)口管孔橋進(jìn)行硬度抽查和金相檢測(cè)。

2.2.3 合格標(biāo)準(zhǔn)

焊縫硬度合格標(biāo)準(zhǔn)同前述安裝焊接接頭的要求，母材硬度的合格范圍應(yīng)借鑒《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T 438附錄中的電站常用金屬材料硬度值）。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，硬度檢測(cè)這種比較常規(guī)的檢測(cè)方法，在電站鍋爐承壓部件材質(zhì)狀況檢測(cè)中，以較大的便捷性和較好的準(zhǔn)確性，提高了鍋爐的檢驗(yàn)效率。作為電站鍋爐檢驗(yàn)人員，應(yīng)熟練掌握這一檢測(cè)方法，提升個(gè)人的檢測(cè)水平。

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