硬度檢測在承壓類特種設(shè)備檢驗中的應(yīng)用

張 磊

（淮南市特種設(shè)備監(jiān)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(biāo)之一。在承壓類特種設(shè)備的檢驗過程中，硬度檢測因其現(xiàn)場條件要求不高、設(shè)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(xiàn)場條件制約，承壓類特種設(shè)備現(xiàn)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(tǒng)如圖3 所示。里氏硬度法是用規(guī)定質(zhì)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(shù)值。布氏硬度法是用一定大小的載荷把硬質(zhì)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(shù)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(tǒng)

2 硬度檢測的應(yīng)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，定期檢驗時“材質(zhì)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(zhì)”。因此現(xiàn)場檢驗時，對于一些出廠資料遺失或材料不明的設(shè)備，需要對其材料做出判定，而材料的硬度值與其化學(xué)成分、金相組織形態(tài)以及熱處理狀態(tài)等都有密切聯(lián)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(zhì)不明，依據(jù)TSG 21—2016 的規(guī)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(dǎo)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(guān)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)中給出了不同種類鋼材的各種硬度值與強度值的對應(yīng)關(guān)系。因此，可以通過現(xiàn)場硬度的檢測，近似獲得材料的強度值，使得強度校核的數(shù)據(jù)更符合實際。

2.2 檢測焊接及熱處理的質(zhì)量

焊接及熱處理是承壓類特種設(shè)備制造過程中的重要環(huán)節(jié)，焊接及熱處理的質(zhì)量直接影響設(shè)備的安全性能。焊接過程是一個復(fù)雜的冶金過程，材料經(jīng)過焊接，其力學(xué)性能與原始狀態(tài)相比會出現(xiàn)較大變化，通過硬度檢測，可以較快判斷焊接接頭的力學(xué)性能，初步判斷焊接及熱處理的質(zhì)量。

DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)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(guī)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(yīng)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(huán)境中，隨著時間的推移，會產(chǎn)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(shè)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(jīng)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(guān)，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(guī)定：“有材質(zhì)劣化傾向的壓力容器，應(yīng)當(dāng)進行硬度檢測。”一般材料發(fā)生滲碳、滲氮后，金屬表面的硬度會增加，塑性、韌性下降；發(fā)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(yīng)力腐蝕傾向

應(yīng)力腐蝕是材料在拉應(yīng)力的作用下，在特定的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的一種嚴重的腐蝕破壞。應(yīng)力腐蝕的危害性較大，通常在沒有明顯預(yù)兆的情況下突然發(fā)生斷裂。因此，在承壓類設(shè)備檢驗過程中，對材料應(yīng)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(yīng)力腐蝕環(huán)境下碳素鋼和低合金鋼，熱處理后檢測焊縫和熱影響區(qū)硬度應(yīng)≤200 HB；對有液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境下碳素鋼和低合金鋼，熱處理后檢測焊縫和熱影響區(qū)硬度應(yīng)≤185 HB；對氫氟酸腐蝕環(huán)境下碳素鋼，熱處理后檢測焊縫和熱影響區(qū)硬度應(yīng)≤200 HB[5]，對于硬度超過上述值的設(shè)備，就應(yīng)特別關(guān)注其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性，必要時需增加其他檢測手段。

3 結(jié)論

硬度檢測作為常用檢測手段，廣泛應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備的檢驗中。檢驗人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)備實際狀況，采用適當(dāng)?shù)挠捕葯z測方法，并對檢測結(jié)果做出合理的判斷，確保特種設(shè)備的安全運行。