浅谈电站锅炉检验中硬度检测的技术意义和要求

2020-09-10舒俊

中国化工贸易·上旬刊 2020年6期

舒俊

摘要：通过简单的理论分析，阐述了材质硬度与材质劣化的关系，并引申出硬度检测在电站锅炉承压部件的检验中监测组织老化、评估焊后热处理状况、评判新生缺陷部位材质劣化三个方面的技术意义;归纳了现行电站锅炉检验规则中对硬度检测的要求。

关键词：电站锅炉;硬度检测;意义;要求

0 引言

金属的硬度是金属材料局部表面抵抗塑性变形和破坏，特别是抵抗压痕或划痕造成的永久变形的能力。由于硬度能够非常精确地反映金属材料在化学成分、热处理工艺、金相组织及冷加工变形等几方面性能差异，再加之，硬度检测所用设备结构简单、携带方便、操作快捷、现场作业的适应性好，且测试过程仅仅在材料表面局部区域内造成很小的压痕或刻痕，基本上属于微损检测，所以目前已作为一种常规检测手段在电站锅炉的安装监督检验和定期检验中得到了广泛的应用。

1 硬度检测的技术意义

1.1 间接监测承压部件在服役期间组织老化的程度

在高温条件下，电站锅炉的承压部件长期使用，不可避免的会发生蠕变，导致承压部件在锅炉整个服役期内都将发生显微组织的持续老化和宏观性能的逐渐劣化。在长期高温和应力作用下，承压部件发生组织老化的特征通常可反映在碳化物相的表征產生一系列变化，其中，组织形态改变直接与材料的老化过程相关，而碳化物相形态特征的变化可以间接由硬度测量的结果来评定，因此通过定期进行硬度检测能够获取高温承压部件随服役时间的老化程度，从而为锅炉的安全运行提供决策依据。

以中、高压电站锅炉常用材质12Cr1MoVG的主蒸汽管道为例，当管道母材的正常显微组织为铁素体加珠光体时，其珠光体中的碳化物相在长期高温应力作用下，会由于原子扩散方式渐变为球状，而且在时间延长作用下，不断聚集变大，即发生珠光体球化，这就是碳化物分布形态变化的一个基本特征，受此影响，材料室温力学性能和耐热性均会产生一定程度下降。表1[1]反映出与材料各个球化级别相对应的常温平均力学性能，可得出球化级别与布氏硬度呈现出负相关的变化趋势。

1.2 间接评估焊接接头焊后热处理工艺的质量状况

所谓焊后热处理指的是将焊接接头加热到一定温度，一般不超过焊接材料熔敷金属及两侧母材中最低转变温度（Ac1），宜在Ac1温度以下30℃，通常取Ac1以下100℃～200℃，碳钢和低合金钢大致在500℃～650℃，保温然后缓慢冷却的热处理过程。目的是消除焊接产生的应力残余，改善焊缝金属的组织和性能，提高焊缝的抗裂性和韧性。在上述过程中，残余应力是通过塑性变形或蠕变变形产生松弛来消除的。

再次以材质为12Cr1MoVG的主蒸汽管道的焊接接头为例。该低合金耐热钢中因为存在着Cr、Mo等合金元素，在热影响区具有较大的淬硬倾向。焊后在空气中冷却时，常在焊缝处产生少量粒状贝氏体组织、硬脆马氏体组织出现在热影响区，这将造成焊接接头焊缝和热影响区处的硬度偏高，且导致热影响区处的淬硬倾向明显。经过焊后热处理，焊缝中贝氏体转化为铁素体，而热影响区不再出现马氏体，焊缝和热影响区的硬度将得以降低，但同时由于热处理改善了材料的组织和性能，热影响区处的淬硬性得以消除，从专业人员对此类焊接试件的拉伸试验[2]结果来看，试件断裂部位从焊态下的热影响区，变为焊后热处理后的母材区域，表明焊缝处的强度比母材处的要高，符合使用要求。

因此，通过硬度检测能够间接获取焊接接头焊后热处理工艺的质量状况，提升了对焊后热处理效果的评价效率。通常焊后热处理温度或时间不够会导致焊缝硬度值高于规定值，而加热温度超过相变温度出现异常组织会导致焊缝硬度值低于规定值。

1.3 间接评判新生缺陷所在区域的材质是否劣化

材质因过热造成组织劣化时，其高温性能及常温性能均会明显地下降，而通过硬度测量能够间接地反映出材质的劣化状况，故硬度检测适用于初步、快速评判新生缺陷是否产生材质劣化。在电站锅炉的承压部件检验中，硬度检测可用于以下场合的辅助检验：高温过热器内、外表面脱碳层的检测。有文献[3，4]研究表明15CrMoG和12Cr1MoVG材质通常在脱碳区域的维氏硬度比在正常区域的维氏硬度低10HV～15HV;受热面管子局部鼓包、局部管段变形处的检测。通常因过热温度超过相变温度导致材料金相组织发生变化时（如15CrMo材质管子超温变形部位产生贝氏体、马氏体），过热区域的硬度值会明显高于材料未过热区域的正常硬度。

2 锅炉安装监督检验和定期检验对硬度检测的要求

2.1 电站锅炉安装监督检验

根据《锅炉监督检验规则》（TSG G7001-2015）的要求，散装锅炉安装监督检验中，对于锅筒、汽水（启动）分离器、分离器储水箱、集箱类部件[含减温器、分汽（水、油）缸]、锅炉范围内管道和主要连接管道，检验人员应审查安装焊接接头热处理后硬度检测记录，检查高合金钢材质安装焊接接头的硬度，保证各种材质抽检比例至少10%。

硬度检测比例应符合表2[5]的规定，硬度检测值应满足：同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度不超出母材布氏硬度值加100HBW，当合金总含量≤于3%时，布氏硬度值不>270HBW;当合金总含量<10%，且不<3%时，布氏硬度值不>300HBW;9%～12%Cr马氏体耐热钢焊缝硬度合格指标是180HBW～270HBW;焊缝的硬度不能低于母材硬度90%;异种钢焊接接头焊缝硬度不能超过接头两侧母材的实际布氏硬度平均值30%或低于较低侧硬度值90%。

热处理后的焊接接头硬度超过规定值时，应按班次进行二次校核。当二次复查仍存在不合格的，需要进行100%复查。焊接后，由于热处理温度或时间不够，焊缝硬度值高于额定值时，应重新进行焊缝热处理。且不超过3次;当焊缝硬度值低于规定值，或金相组织检验判定超过相变温度出现异常组织的焊缝时，除非能在现场进行正火和回火热处理，不然应将焊接接头切断重新焊接。焊后热处理的恒温时间超过《焊后热处理作业指导书》中规定的30%，并记录下硬度检验合格的焊缝。

2.2 电站锅炉定期检验

根据《锅炉定期检验规则》（TSG G7002-2015），对在用电站锅炉按服役时间的累计小时数，分别提出硬度检测要求如下：

2.2.1 运行时间未超过5万小时的锅炉

对9%～12%Cr系列钢材料制造的过热器、再热器集箱和集汽集箱环焊缝、热影响区和母材应当进行硬度检测抽查，同级过热器和再热器进口、出口集箱的环焊缝、热影响区和母材分别抽查不少于1处;

对主蒸汽管道和再热蒸汽热段管道对接焊接接头和弯头（弯管）进行硬度检测抽查，抽查比例一般各为对接焊接接头数量和弯头（弯管）数量的5%，并且各不少于1点;

对于9%～12%Cr钢材料制造的主蒸汽管道、再热蒸汽热段管道和蒸汽主要连接管道对接焊接接头和弯头（弯管）进行硬度检测抽查，抽查比例一般各为对接焊接接头数量和弯头（弯管）数量的10%，并且各不少于1点。

2.2.2 运行时间超过5万小时的锅炉

对工作温度≥450℃的主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主蒸汽连接管道的对接焊接头、弯头（管）的硬度进行抽检。对焊接头和弯头（管）的抽检率一般为5%，且不少于1点;对工作温度≥450℃的阀门阀体进行硬度检测抽查，抽查数量各不少于1点。

一般情况下，对高温过热器、高温再热器集热箱、蒸汽集热箱的环焊缝、热影响区、基材硬度和金相检测抽查，每个集装箱至少有一个地方需要抽查。当条件合适时，要对高温过热器、高温再热器出口集热箱、蒸汽集热箱进口管孔桥进行硬度抽查和金相检测。

2.2.3 合格标准

焊缝硬度合格标准同前述安装焊接接头的要求，母材硬度的合格范围应借鉴《火力发电厂金属技术监督规程》（DL/T 438附录中的电站常用金属材料硬度值）。

3 结语