10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的硬度规定值取值分析

郭延军, 朱海宝, 吴 烨

(华电电力科学研究院, 杭州 310030)

10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的硬度规定值取值分析

郭延军, 朱海宝, 吴 烨

(华电电力科学研究院, 杭州 310030)

针对10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的布氏硬度规定值取值问题，对部分同种材料锻件的布氏硬度与抗拉强度数据进行了统计分析，并给出了布氏硬度与抗拉强度换算的关系公式；对600 MW超临界机组安装现场F91(即10Cr9Mo1VNbN)钢大直径锻制三通成品进行了表面硬度测试以验证其硬度均匀性。在参照国内外相关标准对同类材料硬度规定的基础上，研究分析确定：10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的布氏硬度应控制在190～248 HBW，同一锻件的硬度均匀性偏差应不大于40 HBW。

10Cr9Mo1VNbN钢；大直径三通锻件；硬度；规定值;均匀性偏差

我国材料牌号10Cr9Mo1VNbN在美国材料与试验学会标准ASTM A182-2016[1]中的对应牌号为F91，在ASTM A335-2015[2]中的牌号为P91，在欧洲标准EN 10216-2:2013[3]和EN 10222-2:2000[4]中的对应牌号为X10CrMoVNb9-1，该材料是亚临界和超临界机组高温蒸汽管道及其组成件、联箱部件等广泛应用的马氏体耐热钢。新修订的电力行业标准DL/T 473(现行标准是DL/T 473-1992《大直径三通锻件技术条件》)列入了该锻件材料牌号。正如ISO 18265:2013[5]中所指出的，硬度试验是在相对较短的时间内、以有限的损伤提供材料力学性能信息的一种检验方式，故在对成品部件无法取样进行拉伸试验的条件下，硬度试验成为反映材料力学性能的一种方便快捷的检验方法。对于国产铬含量在9%～12%(质量分数,以下表示为9%～12%Cr)的钢管和管件，硬度过低可能无法满足材料的拉伸强度要求，而硬度过高则可能无法满足材料的冲击吸收能量要求[6]。因此，标准中如何规定该锻件材料的硬度，对锻件质量验收以及通过硬度试验结果表征锻件材料的力学性能而言至关重要。为此,笔者基于对10Cr9Mo1VNbN钢同种材料锻件的硬度与抗拉强度的统计、国内外相关标准对同类材料硬度的规定以及现场测试结果的分析，给出了布氏硬度与抗拉强度的关系公式，科学规定了大直径三通锻件材料10Cr9Mo1VNbN钢的硬度数值，这对于通过非破坏性的快捷硬度试验方法[7]来确认大直径三通锻件的强度性能、保证成品锻制三通服役后的运行安全性具有重要意义。

1 试验材料

大直径三通锻件材料10Cr9Mo1VNbN钢的化学成分和力学性能是在参照ASTM A182-2016和EN 10222-2:2000的基础上确定的，分别见表1和表2。

表1 10Cr9Mo1VNbN钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of 10Cr9Mo1VNbN steel (mass fraction) %

表2 10Cr9Mo1VNbN钢锻件的力学性能Tab.2 Mechanical properties of 10Cr9Mo1VNbN steel forgings

2 硬度标准取值及硬度均匀性问题分析

2.1 相关标准对硬度的规定

现行电力行业标准DL/T 438-2016[8]对9%～12%Cr系列钢制造的锻造管件(成品锻制三通)硬度要求为180～250 HBW，考虑到10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件在形成成品管件过程中的二次机械加工后的硬度差异及配管后整体焊后热处理的影响，其标准硬度下限值应高于成品锻制三通的。

ASTM A335-2009及其之前的版本对P91钢的硬度要求为不超过250 HBW，未规定硬度下限值；ASTM A335-2009a及其以后的版本规定了P91钢的硬度下限值，要求硬度为190～250 HBW，其对抗拉强度(Rm≥585 MPa)、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率的要求未发生变化。

在ASTM A182-2010a及其以前的版本中，对F91钢的抗拉强度要求为Rm≥585 MPa，硬度上限值为248 HBW，未规定硬度下限值；在2011年修订后的ASTM A182-2011版本中，对F91钢的抗拉强度要求修订为Rm≥620 MPa，除硬度上限值外还规定了硬度下限值，即190～248 HBW，其拉伸性能的其他指标如屈服强度、断后伸长率和断面收缩率保持不变，且一直沿用至今。

在现行欧洲标准EN 10216-2: 2013和EN 10222-2: 2000中，未对X10CrMoVNb9-1钢的硬度进行要求。

2.2 硬度与抗拉强度的对应关系探讨

2.2.1 硬度与抗拉强度的试验数据统计分析

由于金属材料的布氏硬度与抗拉强度之间存在较好的对应关系[9]，因此通过对部分硬度在200～237 HBW的F91钢锻件的硬度与抗拉强度的试验数据进行统计分析，可得出其硬度与抗拉强度的关系，如图1所示。用最小二乘法将其拟合于一条直线(图1中的虚线)，可得出表示该钢布氏硬度HBW与抗拉强度Rm关系的直线方程如下

按照式(1)推算，当F91钢锻件硬度分别为175,190,248 HBW 3个典型数值时，对应的抗拉强度分别为602,645,811 MPa。

图1 F91钢锻件布氏硬度与抗拉强度的关系曲线Fig.1 Relationship curve between Brinell hardness and tensile strength for F91 steel forgings

2.2.2 标准与文献资料提供的数据

国际标准ISO 18265:2013未提供9%～12%Cr耐热钢硬度与强度转换的数据，但其提供的非合金与低合金钢硬度与强度转换数据(部分数据见表3)具有很好的参考价值。采用插入法计算，布氏硬度为175,190,248 HBW时所对应的抗拉强度分别为591,640,838 MPa。

表3 ISO 18265:2013中硬度-抗拉强度转换部分数据Fig.3 Partial data for conversion between hardness and tensile strength in ISO 18265:2013

文献[6]给出的数据表明:P91钢的硬度为168 HBW时，其抗拉强度Rm≈570 MPa；P91钢的硬度为191 HBW时，其抗拉强度Rm≈660 MPa。文献[6]还得出如下结论:P91钢管件的硬度应控制在175～250 HBW。若按线性关系推算，在硬度为175 HBW时，其抗拉强度Rm≈597 MPa。

2.3 硬度规定值的确定

对比式(1)推算值和ISO 18265：2013提供的数据可以发现，由式(1)推算的抗拉强度数值与ISO 18265：2013提供的数值相差较小，175,190,248 HBW 3个典型硬度所对应的抗拉强度偏差分别仅为1.9%,0.8%,3.3%。

由以上分析可以看出，无论是ISO 18265：2013和文献[6]给出的数据，还是笔者对F91钢锻件的硬度与对应抗拉强度的统计数据，都充分说明该钢在布氏硬度为175 HBW时，其抗拉强度可满足标准规定的不小于585 MPa的要求。考虑到锻件的后续机加工及配管焊后热处理对硬度的影响及大直径锻制三通服役后的安全性，10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的规定硬度应高于175 HB，参照ASTM A182-2016规定，最终将10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的规定硬度确定为190～248 HBW。

2.4 表面硬度均匀性问题探讨

2.4.1 相关标准规定

大直径三通锻件整体的硬度均匀性反映了热处理过程中温度场的均匀性以及锻件各部位热处理状态的一致性。GB/T 16923-2008[10]对钢件表面硬度的偏差范围(硬度均匀性)有明确规定，按照4级工件品质等级(最低级)要求，同一工件的硬度偏差应不超过40 HBW。DL/T 438-2016虽然规定了锻造管件的硬度应均匀，但取消了之前版本中的硬度均匀性规定，即取消了同一管件的硬度偏差应不大于50 HBW的要求。

2.4.2 实测结果分析

为验证大直径三通锻件的硬度均匀性问题，用里氏硬度计分别对600 MW超临界机组基建安装现场主蒸汽管道和再热蒸汽热段管道具备测试条件的5件F91钢成品锻制三通(主蒸汽管道2件，再热蒸汽热段管道3件，见图2和图3)进行了表面硬度测试，5件锻制三通的规格参数如表4所示。由于成品锻制三通配管后经过整体回火热处理，其表面硬度比原锻件本身硬度有所下降，故现场测试的主蒸汽管道和再热蒸汽热段管道锻制三通的表面硬度不一定满足新修订DL/T 473的要求。主蒸汽管道2件锻制三通实测表面硬度分布情况见图4，再热蒸汽热段管道3件锻制三通实测表面硬度分布情况见图5，每件锻制三通的测点数量及硬度最大值与最小值见表5，每个测点取其5次测试值的平均值作为该测点的硬度。

实测结果表明，同一锻制三通的硬度均匀性偏差为12～29 HBW。由此可以看出，在按规范要求进行正常热处理的条件下，工件的硬度均匀性是比较好的，完全可满足GB/T 16923-2008规定的4级工件品质等级要求。因此，新修订的DL/T 473规定10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的硬度均匀性偏差应不大于40 HBW。

表4 测试锻制三通的规格参数Tab.4 Specification parameters of the tested forged tees

图2 主蒸汽管道锻制三通现场形貌Fig.2 Site morphology of the forged tee of the main steam pipe

图3 再热蒸汽热段管道锻制三通现场形貌Fig.3 Site morphology of the forged tee of the reheated steam pipe

图4 主蒸汽管道1号和2号锻制三通表面硬度分布曲线Fig.4 Surface hardness distribution curves of No.1-2 forged Tees of the main steam pipe

图5 再热蒸汽热段管道1～3号锻制三通表面硬度分布曲线Fig.5 Surface hardness distribution curves of No.1-3 forged tees of the reheated steam pipe

表5 测试锻制三通的硬度极限值及均匀性偏差Tab.5 The maximum and the minimum hardness values and uniformity deviations of the tested forged tees

3 结论

(1) 对于10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件，在确保硬度不低于175 HBW的情况下，可满足标准规定的抗拉强度Rm≥585 MPa的要求。

(2) 考虑到大直径三通锻件的后续机加工及配管焊后热处理对硬度的影响，应对锻件的硬度下限值考虑一定裕量。基于对F91钢锻件的硬度与抗拉强度的统计分析及成品锻制三通的现场表面硬度测试，参考ASTM A182-2016等标准的规定，确定了10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件的硬度及均匀性偏差要求，即硬度应控制在190～248 HBW，同一锻件的硬度均匀性偏差应不大于40 HBW。

(3) 按照该文给出的布氏硬度与抗拉强度的关系公式Rm=2.86HBW+101.9，可通过简便的硬度测试方法来推算10Cr9Mo1VNbN钢大直径三通锻件材料的抗拉强度，这有利于在无法取样进行拉伸试验的情况下了解掌握该材料的抗拉强度。

[1] ASTM A182-2016 Standard specification for forged or rolled alloy and stainless steel pipe flanges, forged fittings, and valves and parts for high-temperature service[S].

[2] ASTM A335-2015 Standard specification for seamless ferritic alloy-steel pipe for high-temperature service[S].

[3] EN 10216-2:2013 Seamless steel tubes for pressure purposes—Technical delivery conditions—Part 2: Non-alloy and alloy steel tubes with specified elevated temperature properties[S].

[4] EN 10222-2:2000 Steel forgings for pressure purposes—Part 2: Ferritic and martensitic steels with specified elevated temperature properties[S].

[5] ISO 18265:2013 Metallic materials—Conversion of hardness values[S].

[6] 李益民,杨百勋,崔雄华,等.9%～12%Cr马氏体耐热钢母材及焊缝的硬度控制[J].热力发电,2010,39(3):57-60,81.

[7] 杨超,汤淳坡,孙雄.低硬度P91钢管件布氏硬度转换值存在偏差原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(9):608-611.

[8] DL/T 438-2016 火力发电厂金属技术监督规程[S]．

[9] 张凤林.现场布氏硬度检测技术[J].理化检验-物理分册,2015,51(12):845-852.

[10] GB/T 16923-2008 钢件的正火与退火[S].

Analysis on the Specified Hardness Values of 10Cr9Mo1VNbN Steel Large Diameter Tee Forgings

GUO Yanjun, ZHU Haibao, WU Ye

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

To determine the standard Brinell hardness values of 10Cr9Mo1VNbN steel large diameter tee forgings, the statistic analysis on the Brinell hardness and tensile strength of a number of the same material forgings was performed and the formula of the relationship between these two characteristic parameters was given. The surface hardness test was done for the F91 (namely 10Cr9Mo1VNbN) steel large diameter forged tees used in 600 MW super-critical units at erection site to verify the hardness evenness. On the basis of the statistic analysis, testing results and requirements of the domestic and foreign standards for similar or same materials, it was determined that the standard Brinell hardness values of 10Cr9Mo1VNbN steel large diameter tee forgings should be controlled in 190-248 HBW and the hardness difference of one piece should be limited to no more than 40 HBW.

10Cr9Mo1VNbN steel; large diameter tee forging; hardness; specified value; uniformity deviation

10.11973/lhjy-wl201706005

2016-10-31

郭延军(1965-)，男，教授级高工，长期从事电站管道与材料技术研究，yanjun-guo@chder.com

TG113.25; TG115.5

A

1001-4012(2017)06-0396-04