试述硬度检测在锅炉检验中的应用

杨国祥

试述硬度检测在锅炉检验中的应用

杨国祥

（云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650228）

硬度检测的方法经济、简便、迅速，同时能间接反映材料强度的大小和对塑性变形的抵抗能力。试述了硬度检测在锅炉检验中的应用，以期为相关工作者提供一定的思路和参考。

硬度检测；锅炉检验；应用；内部检验

硬度指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力，它表示金属材料的坚硬程度，是重要的机械性能指标之一。

1 硬度的测定方法

硬度的测定方法很多，常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。

1.1 布氏硬度试验法

测定布氏硬度是在直径为的淬火钢球上施加压力，使钢球压入被测金属表面，并留下压痕，载荷与压痕表面积之比称为布氏硬度，用HB表示。

HB﹦/（1）

式（1）中：为压力载荷，N；为压痕表面积，mm2。

布氏硬度测定时其载荷压力是淬火钢球，压头硬度须大于试样硬度的1.7倍，所以其测量的硬度只能小于450HB。用淬火钢球所测出的硬度值用HBS表示，用硬质合金球为压头所测出的硬度值用HBW表示；HBS用于测定退火、正火、调质钢、铸铁、有色金属及硬度小于450HBS的材料；HBW适合于硬度在450～650HBW之间的淬火材料。

根据经验，布氏硬度与材料抗拉强度之间有一定的比例关系：

m=×HB（2）

式（2）中：m为抗拉强度，MPa；为系数。

对于低碳钢，m≈0.36HB；对于高碳钢，m≈0.39HB；对于调质合金钢，m≈0.325HB。因此，根据材料的布氏硬度值，可以近似地知道材料的抗拉强度，这也是硬度检测用于锅炉检验的依据之一。

1.2 洛氏硬度试验法

洛氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，它是用金刚石制成的120°圆锥体压头对金属表面加压，用一定的载荷把压头压入被测金属表面，卸载后，以压痕的深度来确定金属材料的硬度。压痕愈深，硬度愈低。

洛氏硬度可用于测定从极软到极硬的金属或合金的硬度，硬度值可在指示器上直接读到或由打印机打印，不会损坏零件表面，可测半成品或成品的硬度。因压痕较小，当材料组织不均匀时，测量会不十分精确。

洛氏硬度的数值没有单位，它与布氏硬度硬度值的关系为≈1/10×HB。基于材料硬度与抗拉强度有一定的比例关系，人们将硬度检测应用到锅炉检验工作中，国家有关规程、安全技术规范也规定了什么情况和条件下哪些部件需要进行硬度检测，下面试述硬度检测在锅炉检验中的应用。

2 硬度检测在锅炉检验中应用

2.1 在锅炉胀接中的应用

锅炉受热面管（如烟管、对流管束）与管板、锅筒的连接有焊接和胀接两种方式。采用焊接方式可以得到高强度和良好的接头，但由于焊后存在应力集中，对抵抗疲劳的性能差一些，同时，管头焊接后更换很困难，一般用于高温高压的大型锅炉上。采用胀接方式也能够得到较好的强度和严密性，与焊接方式相比，胀接的特点是接触性连接，其刚性好些，更换管子方便，因此，在工业锅炉制造和安装中也采用胀接方法。

胀接方法是利用管子内壁受径向力向外扩胀，使管子与管孔壁严密胀紧，这种紧固力是由管子壁的部分塑性变形及管孔壁的弹性变形所形成的，因此，胀接工作前的准备工作之一就是测定锅筒、管板、烟管头、对流管头的硬度值。胀接连接的锅筒（锅壳）的筒体、管板的取用壁厚应大于或者等于12 mm，外径大于89 mm的管子不能采用胀接。

《锅炉安全技术监察规程》第4.2.2条对胀接锅炉的硬度提出了要求：胀接管子材料宜选用低于管板（锅筒）硬度的材料。如果管端硬度大于管板（锅筒）硬度时，应当进行退火处理。《锅炉安装工程施工及验收规范》第4.2.2条对胀接锅炉的硬度要求：硬度大于和等于锅筒管孔壁的胀接管子的管端应进行退火。

2.2 在锅炉安装改造修理中的应用

锅炉安装改造修理中，对于散装锅炉，特别是大型电站锅炉，一些受压部件焊接接头焊后需要进行热处理，或者使用了高合金钢材料，如T91、P91等，安全技术规范规定须进行硬度检测。

《锅炉监督检验规则》（TSG G70001—2015）要求：现场施焊的受压部件焊接接头热处理后应进行硬度检测；采用高合金钢材质现场施焊的受压部件焊接接头应进行硬度检测，每种材质抽查比例至少为10%。

《电站锅炉压力容器检验规程》（DL 647—2004）第5.9条规定：联箱、减温器、汽-汽热交换器、水冷壁进口环形联箱、低温过热器进口环形联箱对接焊缝应该进行1%的硬度抽查。

《电站锅炉压力容器检验规程》（DL 647—2004）第5.12条规定：采用合金钢材料的锅炉范围内的管道、管件、阀门及附件应该进行硬度抽查，具体为直径大于等于159 mm管子的对接焊缝抽查1～2个；直径小于159 mm管子的对接焊缝按1%抽查。

《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T 869—2012）第7.3条规定了硬度符合要求的标准：同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度，不超过母材布氏硬度值加100HBW，且不超过下列规定，合金总含量小于或等于3%时，布氏硬度值不大于270HBW；合金总含量小于10%，且不小于3%时，布氏硬度值不大于300HBW；异种钢焊接接头焊缝硬度检验应遵照DL/T 752的规定；焊缝硬度值不应低于母材硬度值的90%。

2.3 在电站锅炉内部检验中的应用

在电站锅炉内部检验中，为了验证特殊材料强度在使用过程中是否发生变化，安全技术规范规定了硬度检测的范围、比例和时机。

《锅炉定期检验规则》（TSG G7002—2015）第2.4.6条规定：用9%～12%Cr系列钢材料制造的过热器、再热器集箱和集汽集箱环焊缝、热影响区和母材应当进行硬度抽查，同级过热器、再热器进口、出口集箱的环焊缝热影响区和母材分别抽查不少于1处。

《锅炉定期检验规则》（TSG G7002—2015）第条2.4.10（6）条规定：对主蒸汽管道和再热蒸汽热段管道对接焊接接头和弯头（弯管）应进行硬度抽查，抽查比例一般各为对接焊接接头和弯头（弯管）数量的5%；对用9%～12%Cr钢材料制造的主蒸汽管道和再热蒸汽热段管道和蒸汽主要连接管道对接焊接接头和弯头（弯管）应进行硬度抽查，抽查比例一般各为对接焊接接头数量和弯头（弯管）数量的10%，并且各不少于1处。

《锅炉定期检验规则》（TSG G7002—2015）第2.4.16条规定：锅炉运行时间超过5万小时的锅炉应增加检验项目的部位，具体为对工作温度大于或者等于450 ℃的主蒸汽管道、再热蒸汽管道、蒸汽主要连接管道的对接焊接接头和弯头（弯管）应进行硬度抽查，抽查比例一般各为对接焊接接头数量和弯头（弯管）数量的5%，并且各不少于1处；对工作温度大于或者等于450 ℃的阀门阀体应进行硬度抽查，抽查数量各不少于1处。

《锅炉定期检验规则》（TSG G7002—2015）第2.4.16条规定：锅炉运行时间超过10万小时的锅炉应增加检验项目的部位，具体为对高温过热器、高温再热器集箱和集汽集箱环焊缝、热影响区以及母材进行硬度抽查，一般每个集箱抽查不少于1处；条件具备时，对高温过热器、高温再热器出口集箱以及集汽集箱引入管孔桥部位进行硬度抽查。

《电站锅炉压力容器检验规程》（DL 647—2004）第6.27条规定：高温过热器、高温再热器出口联箱、炉顶集汽联箱，锅炉运行10万小时后应增加硬度抽查。

《电站锅炉压力容器检验规程》（DL 647—2004）第6.29条规定：锅炉范围内的管道、管件、阀门及附件，锅炉运行10万小时后应增加硬度抽查。

硬度值应符合所用材料标准和《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T 869—2012）的规定。

2.4 在强度校核中的应用

锅炉使用时间较长或者材料强度降低，需要校核锅炉强度时，可以利用硬度检测的方法，测得硬度值，然后通过硬度与抗拉强度的比例关系计算出抗拉强度，再根据《锅壳锅炉》（GB/T 16508—2013）或有关资料计算出材料的许用应力[]，最后用强度校核公式计算出锅炉的最高允许工作压力。下面举例说明硬度检测在校核锅壳式锅炉锅筒强度（锅筒最高允许工作压力）的方法，并计算锅炉最高允许工作压力（额定压力）。

测得锅筒几个薄弱处的平均硬度值，取其最小值硬度值HB；对于低碳钢，m≈0.36 HB。

材料的基本许用应力[]J按下列公式计算，取两者中较小值。

[]J≤m/2.7 （3）

式（3）中：m为常温抗拉强度，MPa。

根据有关资料得（该锅炉计算壁温为250 ℃）：

[]J≤m/2.7 （7）

材料的基本许用应力取式（7）（8）中的[]J较小值。

材料许用应力[]按下式计算：

[]=[]J（9）

式（9）中：[]为材料许用应力，MPa；为修正系数；[]J为基本许用应力，MPa；

修正系数根据《锅壳锅炉》（GB/T 16508—2013）第5.5.2条中的表3选取。

根据《锅壳锅炉》（GB/T 16508—2013）6.3.3条，锅壳筒体的最高允许工作压力按下式计算：

式（10）中：[]为校核计算最高允许工作压力，MPa；c为校核部位的减弱系数；e为受压元件有效厚度，mm；i为锅壳筒体内径，mm。

有效厚度e按下式计算：

e=（11）

式（11）中：为受压元件的名义厚度，mm；为厚度附加量，mm。

当e按式（11）计算时，c=min；e也可取各校核部位的实际测量厚度减去以后可能的腐蚀减薄量，此时式（10）中的（ce）/（i+e）应以最小值代入。

锅炉允许最高工作压力（锅炉额定压力r）：

r=[]－Δa－Δf－Δh（12）

式（12）中：r为锅炉额定压力，MPa；[]为校核计算锅筒最高允许工作压力，MPa；Δa为设计附加压力（安全阀整定压力），MPa；Δf为介质流动阻力附加压力，MPa；Δh为受压元件所受液柱静压力，MPa。

工质流动阻力Δf取最大流量时计算元件至锅炉出口之间的压力降，当所受液柱静压力不大于（r+Δa+Δf）的3%时，则取所受液柱静压力等于0。

2.5 在事故检验中的应用

在用锅炉因某种原因，发生缺水或者筒体鼓包等事故时，现场检验除外观检验、金相检验、无损检测（表面探伤）、壁厚测量外，可辅以硬度检测进行事故检验分析，比如缺水事故通过硬度检测，可以初步判断材料强度是否降低，倘若降低，金相组织又在允许使用范围内，无损检测（表面探伤）未发现其他不允许的缺陷时，则可参考2.4中的方法进行强度校核，计算出锅炉的最高允许工作压力。

2.6 在进口锅炉安全性能监督检验中的应用

进口锅炉安全性能监督检验，对受压部件进行硬度检测，主要是为了验证材料的强度是否与锅炉产品质量证明书或材质证明书中记录的材料一致，同时，也为进口锅炉材料强度建立技术档案。

3 结束语

由于硬度检测的方法经济、简便、迅速，同时又能间接反映材料强度的大小和对塑性变形的抵抗能力，并且还可以用硬度来确定焊接接头热影响区组织的淬火情况，因此，硬度检测在工程上被广泛应用，特别是在特种设备的检验检测当中越来越占有重要位置。

［1］中国特种设备检测研究院，国家质检总局特种设备安全监察局，中国锅炉水处理协会，等.TSG G0001—2012锅炉安全技术监察规程［S］.北京：中国计量出版社，2012.

［2］中国特种设备检测研究院，中国特种设备检测研究院，上海市特种设备监督检验技术研究院，等.TSG G70001—2015锅炉监督检验规则［S］.天津：天津人民出版社，2015.

［3］中国特种设备检测研究院，国家质检总局特种设备安全监察局，河南省质量技术监督局，等.TSG G7002—2015锅炉定期检验规则［S］.北京：新华出版社，2015.

［4］杨建平，郭军，乔亚霞，等.DL/T 869—2012火力发电厂焊接技术规程［S］.北京：中国电力出版社，2012.

［5］张勇，郑志良，郁建国，等.DL 647—2004电站锅炉压力容器检验规程［S］.北京：中国电力出版社，2004.

［6］中国特种设备检测研究院，上海工业锅炉研究所，上海发电设备成套设计研究院，等.GB/T 16508—2013锅壳锅炉［S］.北京：中国标准出版社，2013.

TM621.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.028

2095－6835（2019）13－0069－03

杨国祥（1963—），男，云南玉溪人，工学学士，高级工程师，研究方向为锅炉安全技术检验检测。

〔编辑：严丽琴〕