鍋爐受熱面產品不同規格T91材料里氏與布氏硬度設備檢測對比研究

李慧平　肖心偉　葉茂

摘要：里氏硬度計檢測效率高，但其測量精度受到設備設定和多種外界因素影響，一般低于實際硬度，特別是對于鍋爐受熱面小管，誤差較大。本文針對不同規格的鍋爐受熱面小徑管T91材料開展同位置里氏與布氏設備的對比研究，分析兩種設備測量值的差異。通過對比過程和結果表明，布氏設備測量穩定、準確，但在采用C型設備進行測量時建議使用輔助工裝進行定位，以保證設備測量探頭與管子軸線對中垂直；管子表面打磨狀態對測量硬度值影響不大；不同檢測人員的里氏測量值變化不大。不同布氏與里氏測量對比差值與管子壁厚存在一定的規律，管子壁厚越薄，對比差值越大，里氏測量值更偏低；管子壁厚越厚，對比差值越小，里氏測量值更偏高。

關鍵詞：里氏硬度計；布氏硬度計；T91材料；小徑管

中圖分類號：TG113.25+1????????????????????????? 文獻標志碼：A????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.011

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0075-06

Comparison of Leeb and Brinell hardness testing Equipment for T91 Materials withDifferent Specifications of Boiler Heating Surface Products

LI Huiping，XIAO Xinwei，YE Mao

（ Dongfang Boiler Group Co.， Ltd.， Zigong 643001， China ）

Abstract：Leeb hardness tester has high detection efficiency. But since its measurement accuracy is vulnerable to equipment settings and various external factors， the measurement result is generally lower than the actual hardness. The error is significant especially for small tubes on the heating surface of the boiler. In this paper， a comparative study of Leeb and Brinell equipment at the same location is carried out for T91 materials of small diameter tubes on different boiler heating surfaces， and the difference between the measured values of the two equipment is analyzed. The comparison process and results show that Brinell equipment is stable and accurate in measurement. But when using C-type equipment for measurement， it is recommended to use auxiliary tooling for positioning to ensure that the measuring probe of the equipment is perpendicular to the axis of the pipe. The polishing state of the pipe surface has little effect on the measured hardness value. There is little change in the Leeb measurement values among different testing personnel. There is a certain correlation between the comparison difference between Brinell and Leeb measurements and the tube wall thickness. The thinner the tube wall thickness， the greater the comparison difference， and the lower the Leeb measurement value. The thicker the tube wall， the smaller the comparison difference， and the higher the Leeb measurement value.

Key words：Leeb hardness tester；Brinell hardness tester；T91 materials；small diameter tubes

硬度是指金屬材料抵抗硬物壓入其表面的能力，表示金屬材料的堅硬程度，是重要的機械性能指標之一^[1]。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^[2]，一直是鍋爐安裝現場的重要關注項。DL/T 438－2016中明確規定：鋼管的硬度檢驗，可采用便攜式里氏硬度計按照GB/T 17394.1測量；一旦出現硬度偏離本規程的規定值，應在硬度異常點附近擴大檢查區域，檢查出硬度異常的區域、程度，同時宜采用便攜式布氏硬度計測量校核^[3-4]。

因里氏硬度計檢測效率高，鍋爐安裝現場硬度檢測及鍋爐制造廠批量硬度檢測時通常使用里氏硬度計^[5-6]。但里氏硬度計的工作原理與布氏硬度計差異較大，其測量精度受到設備設定和多種外界因素影響，測量值一般低于實際硬度，特別對于鍋爐受熱面小管，誤差較大。另一種便攜式布氏硬度計^[7-8]，其測試原理與試驗室用的臺式硬度計完全相同，是一種直接測量硬度的方法，采用直徑D＝2.5 mm的球壓頭，試驗力F＝187.5 kg，F/D²＝30 kg/mm²，將試驗力以緩慢而無沖擊的方式施加于被測物體表面，通過壓痕直徑，計算得到被測物體的硬度值。大量實踐及DL/T 438要求采用便攜式布氏硬度計測量校核等均可以證明便攜式布氏硬度計測量值準確可靠^[9]，但其檢測效率低，往往只在里氏硬度計偏低時復核使用。實際多數安裝現場在里氏硬度測量異常時，卻無布氏硬度計復核，無法有效判定產品硬度是否合格，同時多數制造廠亦無可追溯的里氏、布氏對比測量數據，只能多次趕赴現場復核，對安裝周期、制造廠多次來回時間、費用等均有較大影響。

本文以電廠關注最多的受熱面小管為研究對象，分別采用便攜式里氏硬度計和便攜式布氏硬度計兩種設備對同材料（SA-213T91）不同規格的小管進行硬度對比試驗，研究兩種設備之間的偏差，為提高制造廠、現場硬度檢測的精度和合格性提供參考。

1 受熱面小管磁力式布氏硬度計、C型布氏硬度計對比試驗

目前適用于受熱面小管檢測的布氏硬度計主要為磁力式布氏硬度計和C型布氏硬度計，如圖1所示。其中，對于管子外徑小于45 mm的小口徑管，只能使用C型布氏硬度計。接下來針對兩種設備的測量穩定性進行試驗。

1.1 試驗材料和方法

（1）試驗材料：已熱處理完成的規格為Φ51 mm×5 mm、Φ51 mm×7 mm，材料為SA-213T91的樣管，每種規格各取兩根樣管。

（2）試驗地點：試驗室。

（3）試驗方法：每根樣管各選擇一個位置，在試驗室采用拋光機打磨母材表面，每根樣管同一位置區域分別采用相同設備測量三次，記錄測量值，看測量結果的準確性、穩定性，如圖2、圖3所示。

1.2 試驗結果

試驗測量數據如表1所示。可以看出，磁力式布氏硬度計測量穩定，C型布氏硬度計測量波動大。經分析，測量不穩定的主要原因為：C型布氏硬度計操作上要求部件的測量面與搖頭軸線對中垂直，但小管管徑小、曲率大，在對其實際測量夾持固定時，難保證設備測頭和管子軸線對中垂直，如圖4（a）所示。

1.3 增加輔助工裝

為確保小徑管布氏測量的準確性，根據C型布氏硬度計的結構、測量方式及管子結構，設計了輔助工裝。該工裝能準確定位檢測點，并有效保證設備測量測頭和管子軸線對中垂直，如圖4（b）所示。使用輔助工裝后測得的試驗數據如表2所示。

對比表2與表1可以看出：

（1）C型布氏硬度計使用工裝輔助定位后，測量穩定、準確，測量對比偏差1～2個，均在設備允許示值誤差內。

（2）同位置管子在磁力式布氏硬度計及C型布氏硬度計兩種設備、不同受壓下的測量結果偏差不大，均在設備允許示值誤差內，說明不同布氏硬度計對測量結果精度影響小。

1.4 結論

通過對比不同布氏硬度計，發現磁力式布氏硬度計測量準確、穩定^[10]；C型布氏硬度計在測量管子時，由于小管管徑小、曲率大，在無輔助工裝情況下很難保證設備測頭和管子軸線對中垂直，易導致測量結果不穩定、不準確，因此在使用時應采取措施確保設備測頭和管子軸線對中垂直。

2 不同規格受熱面T91小管布氏、里氏設備對比試驗

鍋爐受熱面小管數量多，鍋爐安裝現場監檢及鍋爐制造廠批量檢測時普遍使用里氏硬度計進行測量，但對比布氏硬度計，里氏硬度計對于同材質不同規格小管測量結果差值波動大。因此，對不同規格的T91材質，開展同位置里氏與布氏設備的對比測試，總結規律。

2.1 試驗材料和方法

（1）試驗材料：已熱處理完成的不同規格SA-213T91小管產品，每種規格各取兩根樣管，具體如表3所示。

（2）試驗時機：產品熱處理后冷卻至常溫。

（3）試驗地點：生產車間硬度檢測位置。

（4）試驗步驟：

①對比不同測量人員實施里氏硬度計測量偏差：在表面拋光機粗拋打磨條件、檢測設備、檢測方法、檢測位置等其他條件均相同的情況下，分別由三個操作規范的檢測人員采用里氏硬度計進行測量（測量5個點，求平均值），記錄測量值。

②對比表面不同打磨狀態下里氏硬度計測量偏差：在環境、測量位置、檢測人員等其他條件均相同的情況下，分別在拋光機粗拋狀態及砂紙精拋狀態下采用里氏硬度計進行測量（測量5個點，求平均值），記錄測量值。

③對比不同里氏、布氏測量偏差：在環境、測量位置、表面打磨、檢測人員等其他條件均相同的情況下，分別采用里氏（測量5個點，求平均值）、布氏硬度計（測量2個值，求平均值）進行測量，對比差值，總結規律。

2.2 試驗結果

（1）分別在不同測量人員、不同打磨狀態下采用里氏硬度計進行測量，測量表面打磨狀態如圖5，測得數據如表4所示。可以看出：

①在相同位置、相同打磨狀態下，不同檢測人員采用相同的里氏硬度計進行測量，若方法正確，且在測量過程中去除個別明顯差異變化的數值后，實際測量值變化不大，小于設備示值允許誤差。

②對于管子打磨狀態，拋光機粗拋與砂紙精拋狀態下測量硬度值偏差不大，不超示設備示值允許誤差。

（2）里氏、布氏硬度計測量對比如圖6、圖7、表5所示。可以看出：

①管子厚度為3.5 mm的薄壁管，對比差值為39～63。里氏硬度測量最低值為155，采用布氏硬度計復核其硬度值為218，滿足要求。

②管子厚度為4 mm的薄壁管，對比差值為30～37。里氏硬度測量最低值166，采用布氏硬度計復核其硬度值為203，滿足要求。

③管子厚度為5～6 mm的中厚小管，對比差值為21～40。里氏硬度測量最低值164，采用布氏硬度計復核其硬度值為204，滿足要求。

④管子厚度為7 mm及以上的小管，對比差值為21～26。里氏硬度測量最低值180，采用布氏硬度計復核其硬度值為204，滿足要求。

⑤從所有試驗數據可以看到，里氏測量值高于160時，布氏復測結果均合格。

同時還可看出，里氏硬度計測量結果與布氏硬度計測量結果存在規律：管子壁厚越薄，里氏、布氏測量對比差值越大，反之對比差值越小；里氏測量最低安全值為160。

因此在現場進行批量檢測時，推薦采用兩種方式進行判斷：

（1）在試驗偏差數據范圍內，分梯度設置補償值。如對于3.5～4 mm的薄壁管，由于管子越薄偏差越大，可以選擇試驗數據中對比偏差值最低的數值，并減去4～5的偏差作為補償值，如3.5 mm的薄壁管，補償值可設置為34；對于5 mm以上的管子，可以選擇試驗對比偏差值最低數值減去2～3的偏差作為補償值。

（2）若現場具備布氏硬度計，且安全系數內數據有異常時，如條件允許，可在同樣環境等條件下對同材料、同規格管子，使用磁力式布氏硬度計或C型布氏硬度計現場測量2次并取平均值，與里氏硬度測量5次的平均值的差值，作為后續批量測量時里氏硬度計補償值。同時，制造廠亦可按此，在進行硬度記錄時，將同材質、同規格里氏與布氏硬度設備測量數值及其偏差值一一進行記錄，作為現場測量偏低時的參考。

3 試驗結論

（1）布氏硬度計測量穩定、準確，但采用C型布氏硬度計測量管子時，由于小管管徑小、曲率大，不便于定位，導致測量結果不穩定、偏差大，建議現場測量時使用輔助工裝進行定位，更易于保證設備測量探頭與管子軸線對中垂直，確保測量結果穩定、準確。

（2）在拋光機粗拋與精拋狀態下測量硬度值偏差變化不大。電廠現場檢測狀態基本為粗拋，制造廠按粗拋實際檢測更能與電廠現場形成比對。

（3）不同檢測人員里氏測量值變化不大。同一位置、不同檢查員采用相同設備，在進行里氏硬度測量過程中，若方法正確，且去除個別明顯差異變化的數值后，實際測量值變化不大，測量偏差均在規定偏差范圍內。

（4）對于小口徑管，布氏與里氏測量對比差值范圍隨著管子壁厚的不同存在一定的規律，管子壁厚越薄，對比差值越大，里氏測量值更偏低；管子壁厚越厚，對比差值越小，里氏測量值更偏高；里氏測量最低安全值為160。因此，制造廠在進行測量時可參考同材質、同規格產品管子測量對比值分梯度設置補償值，并留一定的安全系數。電廠亦可將里氏、布氏對比測量數據作為里氏測量評判時的參考。

參考文獻：

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