硬度检测在承压类特种设备检验中的应用

2021-11-26张磊

设备管理与维修 2021年19期

张磊

（淮南市特种设备监督检验中心，安徽淮南 232007）

1 硬度检测

硬度是固体材料表面抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力，是衡量材料软硬程度的指标之一。在承压类特种设备的检验过程中，硬度检测因其现场条件要求不高、设备轻便、易于实施等特点，是常用的检测手段之一。

硬度的测试方法很多，但受现场条件制约，承压类特种设备现场检测常用的硬度测试方法有里氏硬度法和便携式布氏硬度法。典型的里氏硬度测试方法如图1 所示，便携式布氏硬度测试方法如图2 所示，布氏硬度压痕测量系统如图3 所示。里氏硬度法是用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面1 mm 处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值。布氏硬度法是用一定大小的载荷把硬质合金球压头压入被测金属材料表面，保持一段时间后卸除载荷，测量载荷与压痕表面积的比值所得出的数值。

图1 里氏硬度测试

图2 便携式布氏硬度测试

图3 布氏硬度压痕测量系统

2 硬度检测的应用

2.1 判断材料类别及强度

TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，定期检验时“材质不明的，一般需要查明主要受压元件的材料种类；对于第Ⅲ类压力容器以及有特殊要求的压力容器，必须查明材质”。因此现场检验时，对于一些出厂资料遗失或材料不明的设备，需要对其材料做出判定，而材料的硬度值与其化学成分、金相组织形态以及热处理状态等都有密切联系。通常含碳量越高，硬度值越高，马氏体的硬度值大于珠光体。因此，通过硬度检测，常常可以粗略判定其材料类别。

对于检验中需要进行强度校核的压力容器，如果材质不明，依据TSG 21—2016 的规定，需按照同类材料的最低强度值进行强度校核。实际检验中，常常因选取的强度值过低而导致强度校核不合格[1]。通过研究，材料硬度值与材料的强度之间有一定的换算关系，ReL=3.28 HV-221（适用于母材），Rm=3.55 HB（适用于HB≤175的材料）。我国经过大量的试验，制定了GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》，标准中给出了不同种类钢材的各种硬度值与强度值的对应关系。因此，可以通过现场硬度的检测，近似获得材料的强度值，使得强度校核的数据更符合实际。

2.2 检测焊接及热处理的质量

焊接及热处理是承压类特种设备制造过程中的重要环节，焊接及热处理的质量直接影响设备的安全性能。焊接过程是一个复杂的冶金过程，材料经过焊接，其力学性能与原始状态相比会出现较大变化，通过硬度检测，可以较快判断焊接接头的力学性能，初步判断焊接及热处理的质量。

DL/T 869—2012《火力发电厂焊接技术规程》中规定：“同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度，不超过母材布氏硬度值加100 HBW，且不超过下列规定：合金总含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270 HBW；合金总含量小于10%且不小于3%，布氏硬度值不大于300 HBW；焊缝硬度不应低于母材硬度的90%。”

2.3 检测材料的损伤、劣化

材料在特定的使用环境中，随着时间的推移，会产生渗碳、渗氮、脱碳、珠光体球化、石墨化等材料的损伤和劣化，通过在役设备的硬度检测，可以较为方便地判断材料损伤、劣化的程度。在锅炉定期检验中，高温部件的珠光体球化是检验的重点，但由于金相检验效率较慢，金相组织的评级对检验人员的经验依赖较大，所以珠光体球化的定级一直是检验的难点。通过研究表明[2]，常见的20G、12Cr1MoVG、15CrMoG 材料的珠光体球化等级与材料的硬度值有关，可以通过测量材料的硬度值来计算珠光体的球化等级。通过对历次定期检验中锅炉高温管道硬度值的分析，还可以近似推测锅炉高温管道的剩余寿命[3]。

TSG 21—2016 中规定：“有材质劣化倾向的压力容器，应当进行硬度检测。”一般材料发生渗碳、渗氮后，金属表面的硬度会增加，塑性、韧性下降；发生脱碳、珠光体球化、石墨化后，硬度会降低[4]。

2.4 判断材料的应力腐蚀倾向

应力腐蚀是材料在拉应力的作用下，在特定的腐蚀介质中产生的一种严重的腐蚀破坏。应力腐蚀的危害性较大，通常在没有明显预兆的情况下突然发生断裂。因此，在承压类设备检验过程中，对材料应力腐蚀倾向的判断就非常重要。

一般研究表明，对有湿硫化氢应力腐蚀环境下碳素钢和低合金钢，热处理后检测焊缝和热影响区硬度应≤200 HB；对有液氨应力腐蚀环境下碳素钢和低合金钢，热处理后检测焊缝和热影响区硬度应≤185 HB；对氢氟酸腐蚀环境下碳素钢，热处理后检测焊缝和热影响区硬度应≤200 HB[5]，对于硬度超过上述值的设备，就应特别关注其产生应力腐蚀的可能性，必要时需增加其他检测手段。