在用壓力容器硬度的測量解析

在用壓力容器常通過現(xiàn)場硬度測量來大致判斷其強度、金相組織、化學成分等是否正常。有關標準也對硬度測量作了一些規(guī)定，但這些規(guī)定的某些條款還存在難以實施或?qū)嵤┎缓侠淼葐栴}。本文就現(xiàn)場硬度測量過程中的一些問題進行討論。

在用壓力容器硬度的測量解析1 、每個測量部位的測量
現(xiàn)場硬度檢測采用最多的是便攜式D型里氏硬度計，其檢測方法按GB/T17394-98《金屬里氏硬度試驗方法》執(zhí)行。GB/T17394-98規(guī)定每個測量部位測量五次，且任意兩壓痕中心之間距離不小于3mm，按此規(guī)定，即便是在實驗室精確測量，測量區(qū)域至少也要有8.0mm的寬度。而壓力容器焊接接頭中的焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、過熱區(qū)、母材雖然均具有一定的寬度，但有的區(qū)域?qū)挾雀静荒軡M足測量要求，表1為不同焊接方法焊接低碳鋼時，熱影響區(qū)、過熱區(qū)等的平均尺寸。因此，進行壓力容器硬度測量時，對焊縫、母材等寬度大的測量部位，可以也能按GB/T17394-98的規(guī)定執(zhí)行；對熱影響區(qū)、熔合區(qū)、過熱區(qū)等寬度小的檢測部位，只能每個測量部位測量一次。 

表1  不同焊接方法熱影響各區(qū)寬及總寬的平均尺寸

焊接方法	熱影響各區(qū)寬/mm			熱影響區(qū)總寬/mm
	過 熱 區(qū)	相變重結(jié)晶區(qū)	部分相變區(qū)
手工電弧焊	2.2~3.0	1.5~2.5	2.2~3.0	6.0~8.5
埋  弧  焊	0.8~1.2	0.8~1.7	0.7~1.0	2.3~4.0
電  渣  焊	18~20	5.0~7.0	2.0~3.0	25~30

在用壓力容器硬度的測量解析二、測量部位
對于壓力容器的硬度測量部位，一些標準籠統(tǒng)地規(guī)定對焊縫、熱影響區(qū)、母材進行硬度測量。筆者認為硬度測量部位應分主次，過熱區(qū)、可疑部位（如：使用中的鼓包、變形部位等）作為重點測量部位，焊縫、母材作為輔助測量部位。理由敘述如下：

2.1焊接接頭的熔合區(qū)、過熱區(qū)是組織、性能極其不均勻的部位，同時也是應力應變極其不均勻的部位，這兩個區(qū)域是焊接接頭中最危險的部位，應作為重點測量部位。但是現(xiàn)場硬度測量一般采用便攜式D型里氏硬度計，其沖擊頭直徑為3mm，而熔合區(qū)的寬度很窄，通常手工電弧焊在0.4~0.6mm之間，埋弧焊在0.25~0.5mm之間[5]，不能實現(xiàn)現(xiàn)場硬度測量；即便是過熱區(qū)，其寬度也較窄（見表1），沖擊壓痕邊緣也可能有部分在熔合區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)內(nèi)，但這對測量結(jié)果影響很小，因此過熱區(qū)可實現(xiàn)現(xiàn)場硬度測量，應作為硬度測量的重點測量部位。

2.2可疑部位也是重點測量部位。壓力容器在特定的介質(zhì)、溫度等的作用下，可能引起局部鼓包、變形、金屬色澤差異等外觀缺陷，對這些部位進行硬度測量，可以大致判斷出材質(zhì)是否劣化。

2.3對焊縫、母材進行硬度測量的目的是為重點測量部位硬度測量結(jié)果提供比較基準。若重點測量部位在母材、過熱區(qū)上，則輔助測量部位應選擇母材正常部位；若重點測量部位在焊縫上，則輔助測量部位應選擇焊縫正常部位?？梢刹课挥捕戎蹬c正常部位硬度值相差明顯，則說明材質(zhì)已經(jīng)劣化。

在用壓力容器硬度的測量解析三、過熱區(qū)的測量方法
由于過熱區(qū)寬度較窄，硬度測量時，怎樣將鋼球中心對準過熱區(qū)尤其關鍵。

在D型沖擊裝置的支承環(huán)兩側(cè)刻畫出中心線及輔助線（輔助線與中心線的間距均為1.0mm）→砂輪打磨脫碳層及焊縫余高→目測粗糙度滿足測量要求→10%硝酸酒精溶液侵蝕焊縫熔合線→將D型沖擊裝置上一側(cè)的輔助線對準焊縫熔合線，中心線及另一側(cè)的輔助線靠熱影響區(qū)→測硬度→大致測量球頭壓痕中心至熔合線的距離→按表1的數(shù)據(jù)判斷壓痕主體是否在過熱區(qū)內(nèi)（檢測示意圖見圖1、2）。

                                  圖1                                                                                     圖2

在用壓力容器硬度的測量解析四、合格指標
4.1采用便攜式里氏硬度計對壓力容器進行硬度測量的合格指標制訂應充分考慮下列因素：

1）里氏硬度計的示值誤差±12HLD[1]。

2）國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心段向勝等人[6]通過對Q235、16Mn、15MnV等鋼材里氏硬度與抗拉強度之間換算關系的試驗研究表明：不同的鋼鐵企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，由于鋼坯尺寸、扎制工藝的不同，雖然材料在試驗的層面硬度值相同，但是其內(nèi)部的各層面硬度分布是不一樣的，從而導致在相同硬度值下，其對應的抗拉強度值有明顯的差異，其線性回歸方程為：σb=2.083HLD-297.2，平均相對誤差±6.58%，相對標準誤差7.56%。

3）甘肅工業(yè)大學楊瑞成等人[7]通過對珠光體耐熱鋼高溫時效后基體力學性能的變化的研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度-時間的推移，材料硬度值不斷緩慢降低，并且在硬度值降低過程中存在一個突變區(qū)，在突變區(qū)起點，材料硬度值約下降7%；在突變區(qū)終點，材料硬度值最大降幅約為初始值的30%。

4）焊接接頭不同部位硬度分布特點。

一方面由于焊接熱循環(huán)的影響，過熱區(qū)的硬度明顯要比母材高[5]。另一方面，由于母材表層抗拉強度常低于內(nèi)部各層面的抗拉強度[6]，如果按等強匹配原則選擇焊接材料，去除表面脫碳層的母材表層硬度一般也低于焊縫硬度。下記試驗確認過熱區(qū)、焊縫與母材硬度大致差異值。試驗用材料見表2。

表2 材料的化學成分、物理性能

材料牌號	規(guī)格	化學成分（%）					物理性能（MPa）
		C	Si	Mn	S	P	ReL	Rm
16MnR	δ18	0.15	0.29	1.54	0.007	0.021	345	550
E5015	φ4.0	0.096	0.46	1.24	0.010	0.021	450	550

試驗方法。

在400×400試板中央開U型坡口，坡口底部距試板底部約6.0mm，將試板剛性拘束固定在鋼板上施焊（示意圖見圖3）。試驗流程：焊接→消除應力熱處理→刨洗表面脫碳層及焊縫余高→目測粗糙度滿足測量要求→10%硝酸酒精溶液侵蝕焊縫熔合線→焊縫、過熱區(qū)、母材各任測10點硬度→再刨洗掉表面6mm→10%硝酸酒精溶液侵蝕焊縫熔合線→焊縫、過熱區(qū)、母材任測10點硬度。

                                     圖3

試驗焊接規(guī)范見表3。

焊道/焊層	電源極性	焊接電流（A）	焊接電壓（V）	焊速（cm/min）	線能量（kJ/cm）
1/1	DC(-)	200	25	14.3	21.0
1/2	DC(-)	200	25	9.1	33.0
1/3	DC(-)	200	25	4.8	62.5

試驗結(jié)果見表4、表5

                                             表4  焊接接頭表層不同區(qū)域硬度分布圖

                                              表5  焊接接頭內(nèi)層不同區(qū)域硬度分布圖

結(jié)合本試驗的試驗結(jié)果，對碳鋼、低合金鋼焊接接頭各區(qū)域表層里氏硬度提出如下的推論，供制定壓力容器硬度測量合格指標參考。

①對于母材、過熱區(qū)的表層里氏硬度值與抗拉強度之間的換算，可以按段向勝等人[6]的試驗結(jié)論進行，即σb=2.083HLD-297.2。

②過熱區(qū)表層里氏硬度值一般不超過母材表層里氏硬度值的105%。

③焊縫內(nèi)層與蓋面焊層之間，雖然內(nèi)層焊受到后層焊的后熱作用，其晶粒要比蓋面焊層細些，但只要焊接材料相同，內(nèi)層與蓋面層的熔敷金屬抗拉強度值無差異。因此，對蓋面焊層的里氏硬度值與抗拉強度之間的換算不能完全照搬σb=2.083HLD-297.2[6]，而應對該回歸方程進行修訂，參考本試驗的試驗數(shù)據(jù)，可以將上記回歸方程修訂為：σb=2.083HLD-312.7（僅適用于焊縫）。

5）HG20581-1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》[4]中對碳鋼、低合金鋼焊制容器在NaOH、濕H2S應力腐蝕環(huán)境、高溫高壓氫腐蝕環(huán)境、液氨等四種介質(zhì)環(huán)境中使用時，有關硬度值的限制規(guī)定。這些規(guī)定有通過維氏硬度表述，有通過布氏硬度表述，需通過GB/T17394-1998換算成里氏硬度。

4.2基于上述五點理由，筆者將在用壓力容器硬度檢測合格指標的制訂要點表述如下。

1）對碳鋼、低合金鋼焊制容器在NaOH、濕H2S應力腐蝕環(huán)境、高溫高壓氫腐蝕環(huán)境、液氨等四種介質(zhì)環(huán)境中使用時，首先要滿足HG20581-1998中有關硬度值的限制規(guī)定。

2）宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)對材料性能有影響的可疑缺陷時，可疑部位硬度值與正常部位均應進行硬度測量，若可疑部位硬度值與正常部位硬度值相差在10%以上（需按同區(qū)域進行比較），則說明材質(zhì)已經(jīng)劣化。

3、對宏觀檢驗未發(fā)現(xiàn)對材料性能有影響的可疑缺陷，且該容器需首次進行硬度測量時，焊縫的硬度平均值不能低于蓋面焊接材料質(zhì)量證明中記載的抗拉強度換算值的85%，換算按公式σb=2.083HLD-312.7進行；過熱區(qū)的硬度平均值不能低于母材質(zhì)量證明中記載的抗拉強度換算值的90%，換算按公式σb=2.083HLD-297.2進行；母材的硬度平均值不能低于母材質(zhì)量證明中記載的抗拉強度換算值的85%，換算按公式σb=2.083HLD-297.2進行。超過此限，應通過金相檢驗等加以確認。

4、對宏觀檢驗未發(fā)現(xiàn)對材料性能有影響的可疑缺陷，且該容器需不是首次進行硬度測量時，則應將過熱區(qū)、母材、焊縫檢測數(shù)據(jù)與歷次硬度檢測數(shù)據(jù)進行比較（需按同區(qū)域進行比較），若相差在10%以上，則說明材質(zhì)已經(jīng)劣化。

在用壓力容器硬度的測量解析檢驗案例具體說明：
在對某廠CO中溫變換爐進行全面檢驗時，發(fā)現(xiàn)有一段筒體產(chǎn)生了鼓包，技術特性見表6，質(zhì)量證明書中記載的抗拉強度值數(shù)據(jù)見表7，焊接接頭各區(qū)域硬度測量結(jié)果見表8，金相復查結(jié)果見表9。

表6   CO中溫變換爐技術特性

母材	蓋面焊材	操作壓力Mpa	操作溫度℃	工作介質(zhì)
15MnVR,δ36	H08MnMoA+HJ431	2.1	550	半水煤氣、變換氣、蒸汽

表7   質(zhì)量證明書中記載的抗拉強度值

	質(zhì)量證明書記載的抗拉強度Mpa	質(zhì)量證明書記載的抗拉強度換算成里氏硬度HLD
母材	560	411.5
焊材	510	395

表8   焊接接頭各區(qū)域硬度測量結(jié)果

	正常部位HLD			鼓包部位HLD			鼓包部位相對正常部位的降幅（%）			鼓包部位相對質(zhì)量證明書記載的換算值的降幅（%）
	焊縫	母材	過熱區(qū)	焊縫	母材	過熱區(qū)	焊縫	母材	過熱區(qū)	焊縫	母材	過熱區(qū)
MIN	392	403	409	308	307	312
MAX	410	415	433	331	330	334
SVE	400.9	408.4	420.5	319.6	318.2	321.7	20	22	23	19	23	22
STD	5.95	3.84	7.18	7.04	7.04	7.26

表9   焊接接頭各區(qū)域金相復查結(jié)果

	正常部位	鼓包部位
金相組織	鐵素體+珠光體+貝氏體	大量的鐵素體+極少量的珠光體

對比鼓包部位與正常部位，焊接接頭各區(qū)域的硬度降低了20%以上；對比鼓包部位與質(zhì)量證明書中記載母材、焊材出廠值，焊接接頭各區(qū)域的硬度降低了20%左右。隨后金相檢驗證明鼓包部位已發(fā)生了材質(zhì)劣化，直接證明了前述觀點。

在用壓力容器硬度的測量解析結(jié)束語：
本文根據(jù)在用壓力容器現(xiàn)場硬度測量的實際情況，對每個部位的測量數(shù)量、重點測量部位、過熱區(qū)的測量方法、合格指標的制訂這四個方面的問題提出了解決辦法，可以廣泛應用在現(xiàn)場硬度檢測中，從而可大量減少金相檢驗，提高工作效率。

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