弯管硬度检测问题的探究

梁才萌， 张荣胜， 李志强， 董开拓

(1．番禺珠江钢管(连云港)有限公司， 江苏 连云港 222066；2.连云港市高性能能源管材重点实验室， 江苏 连云港 222066；3.海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520；4.中国石油大学(华东)理学院， 山东 青岛 266580)



弯管硬度检测问题的探究

梁才萌1,2， 张荣胜1,2， 李志强3， 董开拓4

(1．番禺珠江钢管(连云港)有限公司， 江苏 连云港 222066；2.连云港市高性能能源管材重点实验室， 江苏 连云港 222066；3.海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520；4.中国石油大学(华东)理学院， 山东 青岛 266580)

基于表面硬度对弯管产品性能的重要性，通过采用里氏硬度仪和维氏硬度计对弯管进行试样检测和产品表面检测，比对发现里氏硬度仪自带硬度转换软件造成硬度转换值差异较大，不适宜直接用于评价弯管产品硬度性能；并分析探究其产生差异的原因，提出了如何正确地测量弯管表面硬度和对其结果进行评价的方法。

硬度检测； 弯管； 表面硬度； 里氏硬度； 维氏硬度

引 言

管道输送是石油、天然气等能源介质的重要传输手段。弯管是用于改变管道方向，缓冲因底层迁移、地震以及外界环境温度变化等施加在管道直管上的拉、压应力和扭矩作用力的重要连接构件[1]。

硬度是衡量弯管产品机械性能的一个重要指标。通常采用两种方法进行硬度检测：1)对弯管产品进行破坏性取样并制作试样进行截面检测，检测仪器类型较多，主要有维氏硬度计、洛氏硬度计、布氏硬度计等；2)对弯管产品进行非破坏性的表面检测，主要使用便携式里氏硬度仪。为了便于评价，里氏硬度试验标准规定了几种常用硬度检测方法之间的换算表，硬度检测仪器制造厂家按照标准规定的换算表在仪器内部嵌入了换算程序，便于直接读取数值。实际工作中发现，使用里氏硬度仪对弯管表面进行硬度检测，读取转换后的维氏硬度值与直接使用维氏硬度计对同一支弯管取样进行试样硬度检测，结果差异较大。本文对该现象进行分析验证，探讨其产生的原因并提出正确检测弯管表面硬度和对其结果进行评价的方法。

1 差异原因分析

1.1 主要检测标准介绍

弯管生产检验的标准主要有ISO 15590-1-2009、GB/T 29168.1-2012以及 SY/T 5257-2012，其对表面硬度的检验要求为协商选定硬度仪进行检测，其表面硬度值不超过试样截面硬度值为验收标准(以维氏硬度HV表示)。在实际生产中，行业内通常选用便携式里氏硬度仪(D型冲击装置)进行表面硬度检测，依据的试验方法为GB/T 17394.1-2014或 ASTM A956-2002。里氏硬度试验方法是一种动态硬度试验法，用规定质量的冲击体在弹簧力作用下以一定速度垂直冲击试样表面，以冲击体在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值来表示材料的里氏硬度[2]。

影响里氏硬度仪检测弯管硬度准确性的因素主要有：1)检测时，需根据弯管检测位置设置仪器的冲击方向。2)冲击球受污染，尤其是被油质和铁锈等污染。3)被检弯管表面的粗糙度大小。4)弯管检测位置(管体、焊缝和热影响)的规则性[3]。

1.2 测试对比

由技术娴熟的检验员进行弯管成品表面里氏硬度检测，可以消除影响上述试验准确性的因素。如表1所示是技术娴熟的检验员，在实际生产订单中，检测不同弯管(规格、材质不同)的表面硬度(里氏硬度转换为维氏硬度)和截面硬度(维氏硬度)数据。

从表1可以看出，表面硬度与截面硬度之间的差异较大，使用里氏硬度仪测量的表面硬度的转换结果比使用维氏硬度计测量的截面硬度要低很多，并且其比对结果在数值上呈现一定的规律性。忽略影响里氏硬度仪测量准确性的因素不计，推断导致测量结果差异较大的主要原因是里氏硬度与维氏硬度的换算不准确，即里氏硬度仪自带硬度转换软件所引用的里氏硬度试验标准《GB/T 17394.4-2014 金属材料 里氏硬度试验 第4部分 硬度值换算表》不适用于管线钢弯管的表面硬度值转换。

为了证实上述的分析结果，本文设计了以下比对试验，选用不同硬度值维氏硬度标准块和弯管产品截面硬度试样(小试样)，使用里氏硬度仪和维氏硬度计分别进行检测，具体数据如表2所示。

在以上试验中，分别使用型号TH110里氏硬度仪，按照GB/T 17394.1-2014要求进行里氏硬度检测，以及使用型号ZHV30M维氏硬度计，按照GB/T 4340.1-2009要求进行维氏硬度检测。其中，截面硬度试块的检测位置为试样外表面往下约1 mm(内表面机加工铣、磨至平，检测时外表面研磨后抛光)，两种硬度检测压痕位置相邻。这些小试块在进行里氏硬度检测时按照标准要求进行耦合。检测数据表明里氏硬度仪测量结果和维氏硬度计测量结果在300HV10以下时差异较大，而在硬度值447HV10时差异趋小。进一步证实在弯管检测中，直接使用里氏硬度仪自带转换功能的维氏硬度读数作为检测值，其偏差较大，不能准确反映出弯管产品表面的实际硬度性能状况。

造成里氏硬度检测标准转换表不适用的主要原因是《GB/T 17394.4-2014 金属材料 里氏硬度试验 第4部分 硬度值换算表》针对的范围较广，检测对象包括碳钢、合金钢和铸钢。管线钢弯管虽然也属于合金钢，但其成分组成和其制造工艺中的煨弯加热、再次热处理等特殊加工过程有别于其他低合金钢，导致硬度转换时差异较大。

2 正确检测的方法

通过表2可知，里氏硬度仪自带硬度转换值并不适用于管线钢弯管表面硬度检测。ASTM A956-2002中规定，进行里氏硬度检测时，应该制作被检测对象里氏硬度值与目标硬度值的比对参考数据表。如表3所示是对被测弯管的同一位置采用不同种类硬度仪器进行试样检测的结果，以及直接使用里氏硬度仪检测成品表面里氏硬度的结果，从而得到表面里氏硬度值与维氏硬度值的对应关系。其中，小试样检测位置与成品表面检测位置大致相同，都是外表面下1mm处左右。小试样制备方式与前述试验相同；成品表面为正常的磨抛后进行垂直冲击试验；使用型号ZHV30M维氏硬度计进行检测得到HV10结果，使用型号TH110里氏硬度仪进行检测得到HLD结果。

表1 表面硬度和截面硬度数据比对表

备注：表面硬度在弯管产品表面(经磨抛后)进行检测，截面硬度在表面硬度对应的相邻区域(弯曲段外弧侧)进行检测(打点位置为外表面下1 mm处)。

表2 不同仪器硬度检测对比数据表

表3 弯管表面硬度试验参考比对表

表3的数据只是两种代表性管线钢弯管产品的数据，可以看出产品表面里氏硬度值比小试样外表面下1 mm处的里氏硬度值小。按照弯管制造工艺和热处理学原理，弯管表面热处理后淬透性应更好，得到的组织更硬，理论上弯管表面硬度值应该更高。导致这种现象的出现是因为成品表面硬度检测时表面处理的平整度、粗糙度以及复杂的现场试验条件所致。也可以看出里氏硬度值和维氏硬度值之间不存在直接的对应关系。因此，比对数据在批量生产检验前应得到购方的确认，为最终结果评价提供参考依据。

3 结束语

(1)里氏硬度仪自带转换软件对管线钢弯管产品表面硬度检测不适用，这也是弯管实际检测过程中，里氏硬度值转换为维氏硬度值后相对于截面维氏硬度值差异较大的主要原因。

(2)随着被测件硬度增高到一定值时(大约在447HV10)，按照《GB/T 17394.4-2014 金属材料 里氏硬度试验 第4部分 硬度值换算表》转换后的数据与被测件截面维氏硬度值的差异趋小。

(3)使用里氏硬度仪检测管线钢弯管产品的表面硬度时，需提前进行里氏硬度和维氏硬度比对试验，其试验结果在批量生产检验前应得到购方的确认，为硬度值转换和最终结果评价提供参考依据。

[1] 赵春. X100管线弯管的组织-性能研究[D]. 西安：西安石油大学，2008.

[2] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 17394.1-2014.金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法[S]. 2014.

[3] 杨德坚.便携式里氏硬度计测量精度的影响因素[J].计量与测试技术，2014，41(3)：45—46.

2016-09-10

TG115.5； TB938.2