10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度規(guī)定值取值分析

郭延軍, 朱海寶, 吳 燁

(華電電力科學(xué)研究院, 杭州 310030)

10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度規(guī)定值取值分析

郭延軍, 朱海寶, 吳 燁

(華電電力科學(xué)研究院, 杭州 310030)

針對10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度規(guī)定值取值問題，對部分同種材料鍛件的布氏硬度與抗拉強度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，并給出了布氏硬度與抗拉強度換算的關(guān)系公式；對600 MW超臨界機組安裝現(xiàn)場F91(即10Cr9Mo1VNbN)鋼大直徑鍛制三通成品進行了表面硬度測試以驗證其硬度均勻性。在參照國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對同類材料硬度規(guī)定的基礎(chǔ)上，研究分析確定：10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度應(yīng)控制在190～248 HBW，同一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于40 HBW。

10Cr9Mo1VNbN鋼；大直徑三通鍛件；硬度；規(guī)定值;均勻性偏差

我國材料牌號10Cr9Mo1VNbN在美國材料與試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM A182-2016[1]中的對應(yīng)牌號為F91，在ASTM A335-2015[2]中的牌號為P91，在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10216-2:2013[3]和EN 10222-2:2000[4]中的對應(yīng)牌號為X10CrMoVNb9-1，該材料是亞臨界和超臨界機組高溫蒸汽管道及其組成件、聯(lián)箱部件等廣泛應(yīng)用的馬氏體耐熱鋼。新修訂的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 473(現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是DL/T 473-1992《大直徑三通鍛件技術(shù)條件》)列入了該鍛件材料牌號。正如ISO 18265:2013[5]中所指出的，硬度試驗是在相對較短的時間內(nèi)、以有限的損傷提供材料力學(xué)性能信息的一種檢驗方式，故在對成品部件無法取樣進行拉伸試驗的條件下，硬度試驗成為反映材料力學(xué)性能的一種方便快捷的檢驗方法。對于國產(chǎn)鉻含量在9%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以下表示為9%～12%Cr)的鋼管和管件，硬度過低可能無法滿足材料的拉伸強度要求，而硬度過高則可能無法滿足材料的沖擊吸收能量要求[6]。因此，標(biāo)準(zhǔn)中如何規(guī)定該鍛件材料的硬度，對鍛件質(zhì)量驗收以及通過硬度試驗結(jié)果表征鍛件材料的力學(xué)性能而言至關(guān)重要。為此,筆者基于對10Cr9Mo1VNbN鋼同種材料鍛件的硬度與抗拉強度的統(tǒng)計、國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對同類材料硬度的規(guī)定以及現(xiàn)場測試結(jié)果的分析，給出了布氏硬度與抗拉強度的關(guān)系公式，科學(xué)規(guī)定了大直徑三通鍛件材料10Cr9Mo1VNbN鋼的硬度數(shù)值，這對于通過非破壞性的快捷硬度試驗方法[7]來確認(rèn)大直徑三通鍛件的強度性能、保證成品鍛制三通服役后的運行安全性具有重要意義。

1 試驗材料

大直徑三通鍛件材料10Cr9Mo1VNbN鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能是在參照ASTM A182-2016和EN 10222-2:2000的基礎(chǔ)上確定的，分別見表1和表2。

表1 10Cr9Mo1VNbN鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of 10Cr9Mo1VNbN steel (mass fraction) %

表2 10Cr9Mo1VNbN鋼鍛件的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 10Cr9Mo1VNbN steel forgings

2 硬度標(biāo)準(zhǔn)取值及硬度均勻性問題分析

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對硬度的規(guī)定

現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438-2016[8]對9%～12%Cr系列鋼制造的鍛造管件(成品鍛制三通)硬度要求為180～250 HBW，考慮到10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件在形成成品管件過程中的二次機械加工后的硬度差異及配管后整體焊后熱處理的影響，其標(biāo)準(zhǔn)硬度下限值應(yīng)高于成品鍛制三通的。

ASTM A335-2009及其之前的版本對P91鋼的硬度要求為不超過250 HBW，未規(guī)定硬度下限值；ASTM A335-2009a及其以后的版本規(guī)定了P91鋼的硬度下限值，要求硬度為190～250 HBW，其對抗拉強度(Rm≥585 MPa)、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率的要求未發(fā)生變化。

在ASTM A182-2010a及其以前的版本中，對F91鋼的抗拉強度要求為Rm≥585 MPa，硬度上限值為248 HBW，未規(guī)定硬度下限值；在2011年修訂后的ASTM A182-2011版本中，對F91鋼的抗拉強度要求修訂為Rm≥620 MPa，除硬度上限值外還規(guī)定了硬度下限值，即190～248 HBW，其拉伸性能的其他指標(biāo)如屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率保持不變，且一直沿用至今。

在現(xiàn)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10216-2: 2013和EN 10222-2: 2000中，未對X10CrMoVNb9-1鋼的硬度進行要求。

2.2 硬度與抗拉強度的對應(yīng)關(guān)系探討

2.2.1 硬度與抗拉強度的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由于金屬材料的布氏硬度與抗拉強度之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系[9]，因此通過對部分硬度在200～237 HBW的F91鋼鍛件的硬度與抗拉強度的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可得出其硬度與抗拉強度的關(guān)系，如圖1所示。用最小二乘法將其擬合于一條直線(圖1中的虛線)，可得出表示該鋼布氏硬度HBW與抗拉強度Rm關(guān)系的直線方程如下

按照式(1)推算，當(dāng)F91鋼鍛件硬度分別為175,190,248 HBW 3個典型數(shù)值時，對應(yīng)的抗拉強度分別為602,645,811 MPa。

圖1 F91鋼鍛件布氏硬度與抗拉強度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between Brinell hardness and tensile strength for F91 steel forgings

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)與文獻資料提供的數(shù)據(jù)

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 18265:2013未提供9%～12%Cr耐熱鋼硬度與強度轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，但其提供的非合金與低合金鋼硬度與強度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3)具有很好的參考價值。采用插入法計算，布氏硬度為175,190,248 HBW時所對應(yīng)的抗拉強度分別為591,640,838 MPa。

表3 ISO 18265:2013中硬度-抗拉強度轉(zhuǎn)換部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig.3 Partial data for conversion between hardness and tensile strength in ISO 18265:2013

文獻[6]給出的數(shù)據(jù)表明:P91鋼的硬度為168 HBW時，其抗拉強度Rm≈570 MPa；P91鋼的硬度為191 HBW時，其抗拉強度Rm≈660 MPa。文獻[6]還得出如下結(jié)論:P91鋼管件的硬度應(yīng)控制在175～250 HBW。若按線性關(guān)系推算，在硬度為175 HBW時，其抗拉強度Rm≈597 MPa。

2.3 硬度規(guī)定值的確定

對比式(1)推算值和ISO 18265：2013提供的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由式(1)推算的抗拉強度數(shù)值與ISO 18265：2013提供的數(shù)值相差較小，175,190,248 HBW 3個典型硬度所對應(yīng)的抗拉強度偏差分別僅為1.9%,0.8%,3.3%。

由以上分析可以看出，無論是ISO 18265：2013和文獻[6]給出的數(shù)據(jù)，還是筆者對F91鋼鍛件的硬度與對應(yīng)抗拉強度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，都充分說明該鋼在布氏硬度為175 HBW時，其抗拉強度可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不小于585 MPa的要求。考慮到鍛件的后續(xù)機加工及配管焊后熱處理對硬度的影響及大直徑鍛制三通服役后的安全性，10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的規(guī)定硬度應(yīng)高于175 HB，參照ASTM A182-2016規(guī)定，最終將10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的規(guī)定硬度確定為190～248 HBW。

2.4 表面硬度均勻性問題探討

2.4.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

大直徑三通鍛件整體的硬度均勻性反映了熱處理過程中溫度場的均勻性以及鍛件各部位熱處理狀態(tài)的一致性。GB/T 16923-2008[10]對鋼件表面硬度的偏差范圍(硬度均勻性)有明確規(guī)定，按照4級工件品質(zhì)等級(最低級)要求，同一工件的硬度偏差應(yīng)不超過40 HBW。DL/T 438-2016雖然規(guī)定了鍛造管件的硬度應(yīng)均勻，但取消了之前版本中的硬度均勻性規(guī)定，即取消了同一管件的硬度偏差應(yīng)不大于50 HBW的要求。

2.4.2 實測結(jié)果分析

為驗證大直徑三通鍛件的硬度均勻性問題，用里氏硬度計分別對600 MW超臨界機組基建安裝現(xiàn)場主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道具備測試條件的5件F91鋼成品鍛制三通(主蒸汽管道2件，再熱蒸汽熱段管道3件，見圖2和圖3)進行了表面硬度測試，5件鍛制三通的規(guī)格參數(shù)如表4所示。由于成品鍛制三通配管后經(jīng)過整體回火熱處理，其表面硬度比原鍛件本身硬度有所下降，故現(xiàn)場測試的主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道鍛制三通的表面硬度不一定滿足新修訂DL/T 473的要求。主蒸汽管道2件鍛制三通實測表面硬度分布情況見圖4，再熱蒸汽熱段管道3件鍛制三通實測表面硬度分布情況見圖5，每件鍛制三通的測點數(shù)量及硬度最大值與最小值見表5，每個測點取其5次測試值的平均值作為該測點的硬度。

實測結(jié)果表明，同一鍛制三通的硬度均勻性偏差為12～29 HBW。由此可以看出，在按規(guī)范要求進行正常熱處理的條件下，工件的硬度均勻性是比較好的，完全可滿足GB/T 16923-2008規(guī)定的4級工件品質(zhì)等級要求。因此，新修訂的DL/T 473規(guī)定10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于40 HBW。

表4 測試鍛制三通的規(guī)格參數(shù)Tab.4 Specification parameters of the tested forged tees

圖2 主蒸汽管道鍛制三通現(xiàn)場形貌Fig.2 Site morphology of the forged tee of the main steam pipe

圖3 再熱蒸汽熱段管道鍛制三通現(xiàn)場形貌Fig.3 Site morphology of the forged tee of the reheated steam pipe

圖4 主蒸汽管道1號和2號鍛制三通表面硬度分布曲線Fig.4 Surface hardness distribution curves of No.1-2 forged Tees of the main steam pipe

圖5 再熱蒸汽熱段管道1～3號鍛制三通表面硬度分布曲線Fig.5 Surface hardness distribution curves of No.1-3 forged tees of the reheated steam pipe

表5 測試鍛制三通的硬度極限值及均勻性偏差Tab.5 The maximum and the minimum hardness values and uniformity deviations of the tested forged tees

3 結(jié)論

(1) 對于10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件，在確保硬度不低于175 HBW的情況下，可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強度Rm≥585 MPa的要求。

(2) 考慮到大直徑三通鍛件的后續(xù)機加工及配管焊后熱處理對硬度的影響，應(yīng)對鍛件的硬度下限值考慮一定裕量。基于對F91鋼鍛件的硬度與抗拉強度的統(tǒng)計分析及成品鍛制三通的現(xiàn)場表面硬度測試，參考ASTM A182-2016等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，確定了10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度及均勻性偏差要求，即硬度應(yīng)控制在190～248 HBW，同一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于40 HBW。

(3) 按照該文給出的布氏硬度與抗拉強度的關(guān)系公式Rm=2.86HBW+101.9，可通過簡便的硬度測試方法來推算10Cr9Mo1VNbN鋼大直徑三通鍛件材料的抗拉強度，這有利于在無法取樣進行拉伸試驗的情況下了解掌握該材料的抗拉強度。

[1] ASTM A182-2016 Standard specification for forged or rolled alloy and stainless steel pipe flanges, forged fittings, and valves and parts for high-temperature service[S].

[2] ASTM A335-2015 Standard specification for seamless ferritic alloy-steel pipe for high-temperature service[S].

[3] EN 10216-2:2013 Seamless steel tubes for pressure purposes—Technical delivery conditions—Part 2: Non-alloy and alloy steel tubes with specified elevated temperature properties[S].

[4] EN 10222-2:2000 Steel forgings for pressure purposes—Part 2: Ferritic and martensitic steels with specified elevated temperature properties[S].

[5] ISO 18265:2013 Metallic materials—Conversion of hardness values[S].

[6] 李益民,楊百勛,崔雄華,等.9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼母材及焊縫的硬度控制[J].熱力發(fā)電,2010,39(3):57-60,81.

[7] 楊超,湯淳坡,孫雄.低硬度P91鋼管件布氏硬度轉(zhuǎn)換值存在偏差原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(9):608-611.

[8] DL/T 438-2016 火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[S]．

[9] 張鳳林.現(xiàn)場布氏硬度檢測技術(shù)[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(12):845-852.

[10] GB/T 16923-2008 鋼件的正火與退火[S].

Analysis on the Specified Hardness Values of 10Cr9Mo1VNbN Steel Large Diameter Tee Forgings

GUO Yanjun, ZHU Haibao, WU Ye

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

To determine the standard Brinell hardness values of 10Cr9Mo1VNbN steel large diameter tee forgings, the statistic analysis on the Brinell hardness and tensile strength of a number of the same material forgings was performed and the formula of the relationship between these two characteristic parameters was given. The surface hardness test was done for the F91 (namely 10Cr9Mo1VNbN) steel large diameter forged tees used in 600 MW super-critical units at erection site to verify the hardness evenness. On the basis of the statistic analysis, testing results and requirements of the domestic and foreign standards for similar or same materials, it was determined that the standard Brinell hardness values of 10Cr9Mo1VNbN steel large diameter tee forgings should be controlled in 190-248 HBW and the hardness difference of one piece should be limited to no more than 40 HBW.

10Cr9Mo1VNbN steel; large diameter tee forging; hardness; specified value; uniformity deviation

10.11973/lhjy-wl201706005

2016-10-31

郭延軍(1965-)，男，教授級高工，長期從事電站管道與材料技術(shù)研究，yanjun-guo@chder.com

TG113.25; TG115.5

A

1001-4012(2017)06-0396-04