淺談電站鍋爐檢驗中硬度檢測的技術意義和要求

舒俊

摘 要：通過簡單的理論分析，闡述了材質硬度與材質劣化的關系，并引申出硬度檢測在電站鍋爐承壓部件的檢驗中監測組織老化、評估焊后熱處理狀況、評判新生缺陷部位材質劣化三個方面的技術意義;歸納了現行電站鍋爐檢驗規則中對硬度檢測的要求。

關鍵詞：電站鍋爐;硬度檢測;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，硬度檢測所用設備結構簡單、攜帶方便、操作快捷、現場作業的適應性好，且測試過程僅僅在材料表面局部區域內造成很小的壓痕或刻痕，基本上屬于微損檢測，所以目前已作為一種常規檢測手段在電站鍋爐的安裝監督檢驗和定期檢驗中得到了廣泛的應用。

1 硬度檢測的技術意義

1.1 間接監測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期使用，不可避免的會發生蠕變，導致承壓部件在鍋爐整個服役期內都將發生顯微組織的持續老化和宏觀性能的逐漸劣化。在長期高溫和應力作用下，承壓部件發生組織老化的特征通常可反映在碳化物相的表征產生一系列變化，其中，組織形態改變直接與材料的老化過程相關，而碳化物相形態特征的變化可以間接由硬度測量的結果來評定，因此通過定期進行硬度檢測能夠獲取高溫承壓部件隨服役時間的老化程度，從而為鍋爐的安全運行提供決策依據。

以中、高壓電站鍋爐常用材質12Cr1MoVG的主蒸汽管道為例，當管道母材的正常顯微組織為鐵素體加珠光體時，其珠光體中的碳化物相在長期高溫應力作用下，會由于原子擴散方式漸變為球狀，而且在時間延長作用下，不斷聚集變大，即發生珠光體球化，這就是碳化物分布形態變化的一個基本特征，受此影響，材料室溫力學性能和耐熱性均會產生一定程度下降。表1[1]反映出與材料各個球化級別相對應的常溫平均力學性能，可得出球化級別與布氏硬度呈現出負相關的變化趨勢。

1.2 間接評估焊接接頭焊后熱處理工藝的質量狀況

所謂焊后熱處理指的是將焊接接頭加熱到一定溫度，一般不超過焊接材料熔敷金屬及兩側母材中最低轉變溫度（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程。目的是消除焊接產生的應力殘余，改善焊縫金屬的組織和性能，提高焊縫的抗裂性和韌性。在上述過程中，殘余應力是通過塑性變形或蠕變變形產生松弛來消除的。

再次以材質為12Cr1MoVG的主蒸汽管道的焊接接頭為例。該低合金耐熱鋼中因為存在著Cr、Mo等合金元素，在熱影響區具有較大的淬硬傾向。焊后在空氣中冷卻時，常在焊縫處產生少量粒狀貝氏體組織、硬脆馬氏體組織出現在熱影響區，這將造成焊接接頭焊縫和熱影響區處的硬度偏高，且導致熱影響區處的淬硬傾向明顯。經過焊后熱處理，焊縫中貝氏體轉化為鐵素體，而熱影響區不再出現馬氏體，焊縫和熱影響區的硬度將得以降低，但同時由于熱處理改善了材料的組織和性能，熱影響區處的淬硬性得以消除，從專業人員對此類焊接試件的拉伸試驗[2]結果來看，試件斷裂部位從焊態下的熱影響區，變為焊后熱處理后的母材區域，表明焊縫處的強度比母材處的要高，符合使用要求。

因此，通過硬度檢測能夠間接獲取焊接接頭焊后熱處理工藝的質量狀況，提升了對焊后熱處理效果的評價效率。通常焊后熱處理溫度或時間不夠會導致焊縫硬度值高于規定值，而加熱溫度超過相變溫度出現異常組織會導致焊縫硬度值低于規定值。

1.3 間接評判新生缺陷所在區域的材質是否劣化

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

2 鍋爐安裝監督檢驗和定期檢驗對硬度檢測的要求

2.1 電站鍋爐安裝監督檢驗

根據《鍋爐監督檢驗規則》（TSG G7001-2015）的要求，散裝鍋爐安裝監督檢驗中，對于鍋筒、汽水（啟動）分離器、分離器儲水箱、集箱類部件[含減溫器、分汽（水、油）缸]、鍋爐范圍內管道和主要連接管道，檢驗人員應審查安裝焊接接頭熱處理后硬度檢測記錄，檢查高合金鋼材質安裝焊接接頭的硬度，保證各種材質抽檢比例至少10%。

硬度檢測比例應符合表2[5]的規定，硬度檢測值應滿足：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，當合金總含量≤于3%時，布氏硬度值不>270HBW;當合金總含量<10%，且不<3%時，布氏硬度值不>300HBW;9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼焊縫硬度合格指標是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接頭兩側母材的實際布氏硬度平均值30%或低于較低側硬度值90%。

熱處理后的焊接接頭硬度超過規定值時，應按班次進行二次校核。當二次復查仍存在不合格的，需要進行100%復查。焊接后，由于熱處理溫度或時間不夠，焊縫硬度值高于額定值時，應重新進行焊縫熱處理。且不超過3次;當焊縫硬度值低于規定值，或金相組織檢驗判定超過相變溫度出現異常組織的焊縫時，除非能在現場進行正火和回火熱處理，不然應將焊接接頭切斷重新焊接。焊后熱處理的恒溫時間超過《焊后熱處理作業指導書》中規定的30%，并記錄下硬度檢驗合格的焊縫。

2.2 電站鍋爐定期檢驗

根據《鍋爐定期檢驗規則》（TSG G7002-2015），對在用電站鍋爐按服役時間的累計小時數，分別提出硬度檢測要求如下：

2.2.1 運行時間未超過5萬小時的鍋爐

對9%～12%Cr系列鋼材料制造的過熱器、再熱器集箱和集汽集箱環焊縫、熱影響區和母材應當進行硬度檢測抽查，同級過熱器和再熱器進口、出口集箱的環焊縫、熱影響區和母材分別抽查不少于1處;

對主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道對接焊接接頭和彎頭（彎管）進行硬度檢測抽查，抽查比例一般各為對接焊接接頭數量和彎頭（彎管）數量的5%，并且各不少于1點;

對于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接焊接接頭和彎頭（彎管）進行硬度檢測抽查，抽查比例一般各為對接焊接接頭數量和彎頭（彎管）數量的10%，并且各不少于1點。

2.2.2 運行時間超過5萬小時的鍋爐

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

一般情況下，對高溫過熱器、高溫再熱器集熱箱、蒸汽集熱箱的環焊縫、熱影響區、基材硬度和金相檢測抽查，每個集裝箱至少有一個地方需要抽查。當條件合適時，要對高溫過熱器、高溫再熱器出口集熱箱、蒸汽集熱箱進口管孔橋進行硬度抽查和金相檢測。

2.2.3 合格標準

焊縫硬度合格標準同前述安裝焊接接頭的要求，母材硬度的合格范圍應借鑒《火力發電廠金屬技術監督規程》（DL/T 438附錄中的電站常用金屬材料硬度值）。

3 結語

總之，硬度檢測這種比較常規的檢測方法，在電站鍋爐承壓部件材質狀況檢測中，以較大的便捷性和較好的準確性，提高了鍋爐的檢驗效率。作為電站鍋爐檢驗人員，應熟練掌握這一檢測方法，提升個人的檢測水平。

參考文獻：

[1] DL/T 773-2016.火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準[S].北京：國家能源局，2017.

[2]陳品同，張博智.焊后熱處理對12CrlMoV鋼管焊接接頭組織與性能的影響[J].理化檢驗（物理分冊），2014，50（3）： 180-183.

[3]何曉東，曹海濤，劉雪峰.某電廠300MW鍋爐高溫過熱器管開裂原因分析[J].理化檢驗（物理分冊），2019，55（7）： 492-497.

[4]楊文彬.15CrMo鋼過熱器管爆管原因分析[J].理化檢驗（物理分冊），2019，55（11）：808-881.

[5] DL/T 869-2012.火力發電廠焊接技術規程[S].北京：國家能源局，2012.