電站高溫緊固螺栓現(xiàn)場檢測誤差研究

李小龍張健陳國宏王若民王勇邢明軍

電站高溫緊固螺栓現(xiàn)場檢測誤差研究

李小龍1，張健1，2，陳國宏1，王若民1，2，王勇1，邢明軍1

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

針對三種不同材質(zhì)的高溫螺栓緊固件，測試在拋光態(tài)與打磨態(tài)下螺栓端部、腰部的HBW及HB-HLD硬度值。結(jié)合顯微組織結(jié)構(gòu)分析，研究螺栓在不同測試條件下不同部位的HB及HB-HLD硬度的差異。結(jié)果表明，螺栓同一部位拋光態(tài)的硬度均略大于打磨態(tài)，同一測試條件下，螺栓端部的硬度均大于腰部。通過誤差計算得出，轉(zhuǎn)換誤差和腰/端部差異造成的誤差較大，而拋光態(tài)與打磨態(tài)的差異相對較小。隨后建立了新型高溫螺栓材料里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系曲線，即=0.000 33－0.3112+101.27－10 807，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供里氏硬度判定依據(jù)。

電站；高溫螺栓；里氏硬度；布氏硬度

1 引言

高溫螺栓作為火力發(fā)電機(jī)組的重要連接部件，一旦發(fā)生斷裂，就會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組運行故障，特別是汽輪機(jī)螺栓的斷裂，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人身傷亡事故的發(fā)生，威脅到整個機(jī)組的安全運行。《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定，規(guī)格大于等于M32的高溫螺栓安裝前必須進(jìn)行硬度檢測，大修時需按一定的比例進(jìn)行硬度抽檢，控制高溫螺栓的硬度成為評估其安全性，進(jìn)而提高機(jī)組安全穩(wěn)定運行的監(jiān)督手段之一。

目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中對高溫螺栓材料硬度的控制均采用布氏硬度，但布氏硬度計一般適用于實驗室檢驗，而里氏硬度計因具有易攜帶、效率高、操作方便等優(yōu)點，目前已經(jīng)在電廠的高溫螺栓現(xiàn)場硬度檢測中普遍使用[1-4]，且廣泛采用的是D形沖頭的里氏硬度計。硬度是指材料抵抗塑性變形的能力，它不是確定的物理量，沒有一致的量綱，不能應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對不同硬度值進(jìn)行換算，因此里氏硬度與布氏硬度的換算主要依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)。GB/T 17394雖然提供了D形沖頭材料彈性模量約等于210 GPa時的里氏硬度/布氏硬度換算表格，但是目前大參數(shù)發(fā)電機(jī)組高溫緊固螺栓廣泛采用的是高溫合金和高合金鋼鍛件，彈性模量與此數(shù)值存在差異，并不完全適用該表格。現(xiàn)場使用里氏硬度計測量后自動換算的布氏硬度值往往存在較大誤差[5-7]。王智春[9]等人通過對2Cr11NiMoVNbNB螺栓的檢測發(fā)現(xiàn)，其里氏硬度計的換算值低于布氏硬度計測值。賴福建[10]的研究成果則指出，在319HWB以下里氏硬度計的換算值低于布氏硬度計測值，而且提出硬度范圍在248~331HB的螺栓可以采用公式HBW=－278.72+0.996HLD進(jìn)行修正，但是該公式是基于248~331HB范圍內(nèi)的不同材質(zhì)螺栓硬度對比試驗得出，不符合里氏硬度與材質(zhì)相關(guān)的特性，使用上有一定的局限性[11-12]。

這將影響檢測結(jié)果的評判，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，也可能因一些分散性或爭議性的檢測數(shù)據(jù)，造成不必要的復(fù)檢成本。因此，如何降低螺栓現(xiàn)場硬度測量數(shù)據(jù)偏差，提高螺栓硬度檢測準(zhǔn)確性，減少爭議性檢測數(shù)據(jù)，避免采用破壞取樣的布氏硬度檢測，是現(xiàn)場螺栓檢測迫切需要解決的重要課題，也正是本文的主要研究內(nèi)容。

2 試驗材料與方法

采用三種材質(zhì)的螺栓，分別是2Cr12NiW1Mo1V（簡寫為CNWMV）、20Cr1Mo1VTiB（簡寫為CMVTB）和In783，共分為3組，每組每種材質(zhì)10個，共30個樣品。將每個試樣的端部和腰部打磨、拋光，分別采用THB-3000MDX型自動布氏硬度計測定其布氏硬度（HBW），采用瑞士Equvtip Bambino 硬度計測量其里氏硬度換算值（HB-HLD），再將該拋光試樣用GWS8-100CE型磨光機(jī)打磨處理，模擬電廠現(xiàn)場硬度檢測，分別測量其里氏硬度換算值（HB-HLD）及布氏硬度值（HBW）。拋光后的試樣經(jīng)腐蝕后，采用蔡司金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織結(jié)構(gòu)觀察。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 金相檢驗

3.1.1 2Cr12NiW1Mo1V

螺栓試樣1材質(zhì)為2Cr12NiW1Mo1V，直徑為26.8 mm。2Cr12NiW1Mo1V鋼是高碳高鉻型冷作模具鋼的代表鋼號之一，含有極高量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的C2.00%~2.30%和Cr11.00%~13.00%，是12%Cr型不銹耐熱鋼，主要用于制造大型汽輪機(jī)高溫緊固件，所以有很高的淬透性、淬硬性和耐磨性，淬火變形小，但當(dāng)碳化物不均勻時，變形量多向性且不規(guī)則，組織不良是其主要缺點。2Cr12NiW1Mo1V鋼的化學(xué)成分如表1所示。服役態(tài)20Cr1Mo1VTiB鋼螺栓的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 2Cr12NiW1Mo1V鋼的化學(xué)成分的質(zhì)量百分比（單位：%）

元素CSiCrMoVTiB GB/T 20410—2006020~0.25≤0.5011.0~12.500.90~1.250.20~0.30≤0.30≤0.005 檢測值0.210.4211.120.990.250.220.002

（a）端部 （b）腰部

由圖1可見，該螺栓材料金相組織為馬氏體型耐熱鋼，滲碳體分布于晶界上，提高了該鋼種的硬度，老化等級為1~2級。

3.1.2 20Cr1Mo1VTiB

螺栓試樣2材質(zhì)為20Cr1Mo1VTiB，直徑為65.5 mm。20Cr1Mo1VTiB鋼是中國自行研制的高溫螺栓用珠光體/貝氏體鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能。熱加工性能良好，570 ℃下具有較高的抗松弛性能，缺口敏感性較小，高溫持久塑性較高，淬透性較好，用于制造570 ℃以下高溫螺栓以及閥桿材料。

20Cr1Mo1VTiB鋼的化學(xué)成分如表2所示。服役態(tài)20Cr1Mo1VTiB鋼螺栓的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 20Cr1Mo1VTiB鋼的化學(xué)成分的質(zhì)量百分比（單位：%）

元素CSiCrMoVTiB GB/T 20410—20060.17~0.230.4~0.60.90~1.300.75~1.000.45~0.650.16~0.28≤0.005 檢測值0.190.461.030.940.520.230.002

（a）端部 （b）腰部

圖2 服役態(tài)20Cr1Mo1VTiB鋼螺栓的顯微組織

由圖2可見，該螺栓材料已經(jīng)嚴(yán)重老化，珠光體團(tuán)幾乎完全分解，碳化物長大，部分沿鐵素體晶界半連續(xù)分布，球化老化等級4.5～5級。此外，組織中有一些冶金時未完全溶入鋼基體中的TiC或Ti（C，N）顆粒，可能導(dǎo)致鐵素體基體貧碳，這些都會導(dǎo)致20Cr1Mo1VTiB的硬度降低。

3.1.3 In783

該螺栓的材質(zhì)為In783合金，直徑67.5 mm。In783合金為Ni-Fe-Co基低膨脹合金，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 In783合金的化學(xué)成分的質(zhì)量百分比（單位：%）

元素CrCoNiFeNbAl GB/T 20410—20062.5~3.524~4526~3024~272.5~3.54.8~6.2 檢測值3.12527252.85.3

In783 合金中的鋁含量高，可促使In783合金中析出β（NiAl）相，同時，在In783合金中加入少量鉻，雖然合金的熱膨脹系數(shù)無明顯提高，但鉻與鋁元素一起使合金的抗氧化性能提高，使合金在800 ℃高溫下仍具有完全抗氧化的能力。服役態(tài)In783合金螺栓的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（a）端部 （b）腰部

3.2 硬度檢驗

將每組試樣的端部和腰部分別用砂輪片打磨、拋光處理，磨拋好的試樣分別采用THB-3000MDX型自動布氏硬度計測定其布氏硬度（HBW），采用瑞士Equvtip Bambino硬度計測量其里氏硬度換算值（HLD→B）；將另一組試樣拋光后再用GWS8-100CE型磨光機(jī)砂輪片打磨處理，模擬電廠現(xiàn)場硬度檢測，采用瑞士Equvtip Bambino硬度計測量其里氏硬度換算值（HLD→B），再用THB-3000MDX型自動布氏硬度計測定其布氏硬度（HBW）。每個點檢測5次，取平均值，檢測數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

表4 不同材質(zhì)不同表面狀態(tài)的螺栓腰部檢測硬度值

材質(zhì)拋光態(tài)打磨態(tài) HBHLD→BHBHLD→B CNWMV289.5209.5281.1214.7 CMVTB236208.4232.3211 In783350.3348.3335.4336

表5 不同材質(zhì)不同表面狀態(tài)的螺栓端部檢測硬度值

材質(zhì)拋光態(tài)打磨態(tài) HBHLD→BHBHLD→B CNWMV311.6244.6305.7228.8 CMVTB247.4233236.1219.6 In783380.3368374.3365.2

根據(jù)表4、表5中的數(shù)據(jù)，通過以下公式，可以計算出里氏/布氏硬度轉(zhuǎn)換誤差、螺栓的不同部位造成的誤差以及不同的表面狀態(tài)的誤差值：

誤差=（HBW－HLD→B）/HBW

將計算得出的誤差值的占比繪制成柱狀圖，如圖4所示。電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測腰部與端部差異值統(tǒng)計如圖5所示。電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測拋光態(tài)與打磨態(tài)差異值統(tǒng)計如圖6所示。從圖4～圖6中可以看出，轉(zhuǎn)換誤差和腰/端部差異造成的誤差較大，而拋光態(tài)與打磨態(tài)差異相對較小。將三組結(jié)果整合計算，得到這三種原因?qū)β菟ㄓ捕葴y定誤差的平均影響占比，如圖7所示。

圖4 電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測里氏/布氏轉(zhuǎn)化誤差值統(tǒng)計圖

圖5 電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測腰部與端部差異值統(tǒng)計圖

圖6 電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測拋光態(tài)與打磨態(tài)差異值統(tǒng)計圖

圖7 電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測各誤差占比統(tǒng)計圖

由此可知，轉(zhuǎn)換誤差和腰/端部差異對最終結(jié)果影響類似，均在40%左右，研究發(fā)現(xiàn)腰端部差異變化大，不定因素多，應(yīng)通過選擇固定部位測定（按標(biāo)準(zhǔn)要求）來解決，而里氏/布氏硬度轉(zhuǎn)換誤差有一定規(guī)律性，因此根據(jù)上述數(shù)據(jù)，將里氏硬度與布氏硬度換算的關(guān)系通過建立模型來預(yù)測螺栓現(xiàn)場檢測的真實值，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供可靠的里氏硬度判定依據(jù)，轉(zhuǎn)換模型如圖8所示。

圖8 電廠螺栓硬度現(xiàn)場檢測里氏/布氏轉(zhuǎn)換模型

4 結(jié)論

本文通過對三種不同材質(zhì)的螺栓進(jìn)行了金相檢驗和硬度檢驗，包括不同服役態(tài)螺栓端部、腰部兩個部位在拋光態(tài)與打磨態(tài)測試條件下的HBW及HB-HLD硬度值，并進(jìn)行了硬度檢測誤差數(shù)值的對比，確定不同狀態(tài)下試樣HBW及HB-HLD硬度間的關(guān)系，建立了新型高溫螺栓材料里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系曲線，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供了可靠的里氏硬度判定依據(jù)，得到的主要結(jié)論如下：①對于新型高溫緊固螺栓，不論是拋光態(tài)還是打磨態(tài)，其端部的硬度均大于腰部，拋光態(tài)硬度略大于打磨態(tài)值；②建立新型高溫螺栓材料里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系曲線，即=0.000 33－0.3112+101.27－10 807，為生產(chǎn)現(xiàn)場提供了可靠的里氏硬度判定依據(jù)；③轉(zhuǎn)換誤差和腰/端部差異造成的誤差較大，而拋光態(tài)與打磨態(tài)差異相對較小。三組將結(jié)果整合計算，得到這三種原因?qū)β菟ㄓ捕葴y定誤差的平均影響占比，轉(zhuǎn)換誤差和腰/端部差異對最終結(jié)果影響類似，均在40%左右。

［1］張健，王若民，湯文明，等.螺栓緊固件里氏硬度現(xiàn)場檢測誤差研究［J］.理化檢驗（物理分冊），2017，53（6）：387-390.

［2］王勇，董國政，王慶軍，等.600 MW超臨界機(jī)組高溫螺栓的檢驗［J］.熱加工工藝，2012（41）：78-81.

［3］齊向前.不同熱處理狀態(tài)下P92鋼里氏硬度值與布氏硬度值的對比［J］.理化檢驗（物理分冊），2015（9）：612-614，648.

［4］楊莉，俄馨，趙江濤，等.里氏硬度計HBS值的測量不確定度評定［J］.計量與測試技術(shù)，2013（6）：70-71.

［5］鄭曉凱，夏玉峰，陳勇鋒.熱鍛模具的硬度研究［J］.熱加工工藝，2014（8）：106-110.

［6］楊淑榮，鄭偉，張利.里氏硬度與洛氏硬度的數(shù)值關(guān)系［J］.煙臺師范學(xué)院學(xué)報，2002（18）：175-178.

［7］張雪峰.應(yīng)用化學(xué)拋光進(jìn)行大型工件的現(xiàn)場金相檢測［J］.熱加工工藝，1985（6）：146-152.

［8］李久林，尹凱.里氏硬度與其他硬度換算關(guān)系的分析與評價［J］.物理測試，1998（4）：12-17.

［9］王智春，蔡文河，吳勇，等.便攜式里氏硬度計檢測緊固件硬度偏差原因分析［J］.華北電力技術(shù)，2009（1）：26-29.

［10］賴福建.里氏、布氏硬度計測量高溫螺栓布氏硬度的對比分析［J］.東方汽輪機(jī)，2006（2）：51-55.

［11］單曉鳳，司春杰.里氏硬度值與布氏硬度值、洛氏硬度值的關(guān)系［J］.山東冶金，1999（21）：141-143.

［12］丁海東，李付生，張緒平，等.曲率半徑對里氏硬度影響的研究［J］.計量與測試技術(shù)，2005（32）：19-21.

TG142.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.012

2095－6835（2019）15－0036－03

李小龍（1989—），男，安徽合肥人，學(xué)士。

張健（1991—），男，安徽合肥人，碩士，主要研究方向為電廠金屬材料失效分析。

〔編輯：王霞〕