硬度檢測在承壓類特種設備檢驗中的應用

張 磊

（淮南市特種設備監督檢驗中心，安徽淮南 232007）

1 硬度檢測

硬度是固體材料表面抵抗彈性變形、塑性變形或破斷的能力，是衡量材料軟硬程度的指標之一。在承壓類特種設備的檢驗過程中，硬度檢測因其現場條件要求不高、設備輕便、易于實施等特點，是常用的檢測手段之一。

硬度的測試方法很多，但受現場條件制約，承壓類特種設備現場檢測常用的硬度測試方法有里氏硬度法和便攜式布氏硬度法。典型的里氏硬度測試方法如圖1 所示，便攜式布氏硬度測試方法如圖2 所示，布氏硬度壓痕測量系統如圖3 所示。里氏硬度法是用規定質量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面1 mm 處的回彈速度與沖擊速度之比計算出的數值。布氏硬度法是用一定大小的載荷把硬質合金球壓頭壓入被測金屬材料表面，保持一段時間后卸除載荷，測量載荷與壓痕表面積的比值所得出的數值。

圖1 里氏硬度測試

圖2 便攜式布氏硬度測試

圖3 布氏硬度壓痕測量系統

2 硬度檢測的應用

2.1 判斷材料類別及強度

TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定，定期檢驗時“材質不明的，一般需要查明主要受壓元件的材料種類；對于第Ⅲ類壓力容器以及有特殊要求的壓力容器，必須查明材質”。因此現場檢驗時，對于一些出廠資料遺失或材料不明的設備，需要對其材料做出判定，而材料的硬度值與其化學成分、金相組織形態以及熱處理狀態等都有密切聯系。通常含碳量越高，硬度值越高，馬氏體的硬度值大于珠光體。因此，通過硬度檢測，常常可以粗略判定其材料類別。

對于檢驗中需要進行強度校核的壓力容器，如果材質不明，依據TSG 21—2016 的規定，需按照同類材料的最低強度值進行強度校核。實際檢驗中，常常因選取的強度值過低而導致強度校核不合格[1]。通過研究，材料硬度值與材料的強度之間有一定的換算關系，ReL=3.28 HV-221（適用于母材），Rm=3.55 HB（適用于HB≤175的材料）。我國經過大量的試驗，制定了GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，標準中給出了不同種類鋼材的各種硬度值與強度值的對應關系。因此，可以通過現場硬度的檢測，近似獲得材料的強度值，使得強度校核的數據更符合實際。

2.2 檢測焊接及熱處理的質量

焊接及熱處理是承壓類特種設備制造過程中的重要環節，焊接及熱處理的質量直接影響設備的安全性能。焊接過程是一個復雜的冶金過程，材料經過焊接，其力學性能與原始狀態相比會出現較大變化，通過硬度檢測，可以較快判斷焊接接頭的力學性能，初步判斷焊接及熱處理的質量。

DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》中規定：“同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100 HBW，且不超過下列規定：合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270 HBW；合金總含量小于10%且不小于3%，布氏硬度值不大于300 HBW；焊縫硬度不應低于母材硬度的90%。”

2.3 檢測材料的損傷、劣化

材料在特定的使用環境中，隨著時間的推移，會產生滲碳、滲氮、脫碳、珠光體球化、石墨化等材料的損傷和劣化，通過在役設備的硬度檢測，可以較為方便地判斷材料損傷、劣化的程度。在鍋爐定期檢驗中，高溫部件的珠光體球化是檢驗的重點，但由于金相檢驗效率較慢，金相組織的評級對檢驗人員的經驗依賴較大，所以珠光體球化的定級一直是檢驗的難點。通過研究表明[2]，常見的20G、12Cr1MoVG、15CrMoG 材料的珠光體球化等級與材料的硬度值有關，可以通過測量材料的硬度值來計算珠光體的球化等級。通過對歷次定期檢驗中鍋爐高溫管道硬度值的分析，還可以近似推測鍋爐高溫管道的剩余壽命[3]。

TSG 21—2016 中規定：“有材質劣化傾向的壓力容器，應當進行硬度檢測。”一般材料發生滲碳、滲氮后，金屬表面的硬度會增加，塑性、韌性下降；發生脫碳、珠光體球化、石墨化后，硬度會降低[4]。

2.4 判斷材料的應力腐蝕傾向

應力腐蝕是材料在拉應力的作用下，在特定的腐蝕介質中產生的一種嚴重的腐蝕破壞。應力腐蝕的危害性較大，通常在沒有明顯預兆的情況下突然發生斷裂。因此，在承壓類設備檢驗過程中，對材料應力腐蝕傾向的判斷就非常重要。

一般研究表明，對有濕硫化氫應力腐蝕環境下碳素鋼和低合金鋼，熱處理后檢測焊縫和熱影響區硬度應≤200 HB；對有液氨應力腐蝕環境下碳素鋼和低合金鋼，熱處理后檢測焊縫和熱影響區硬度應≤185 HB；對氫氟酸腐蝕環境下碳素鋼，熱處理后檢測焊縫和熱影響區硬度應≤200 HB[5]，對于硬度超過上述值的設備，就應特別關注其產生應力腐蝕的可能性，必要時需增加其他檢測手段。

3 結論

硬度檢測作為常用檢測手段，廣泛應用于承壓類特種設備的檢驗中。檢驗人員應當結合設備實際狀況，采用適當的硬度檢測方法，并對檢測結果做出合理的判斷，確保特種設備的安全運行。