郭延軍,朱海寶,吳 燁 (華電電力科學(xué)研究院,杭州 ３１００３０)
摘 要:針對１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度規(guī)定值取值問題,對部分同種材料 鍛件的布氏硬度與抗拉強度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析,并給出了布氏硬度與抗拉強度換算的關(guān)系公式; 對６００MW超臨界機組安裝現(xiàn)場 F９１(即１０Cr９Mo１VNbN)鋼大直徑鍛制三通成品進行了表面硬 度測試以驗證其硬度均勻性.在參照國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對同類材料硬度規(guī)定的基礎(chǔ)上,研究分析確 定:１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度應(yīng)控制在１９０~２４８HBW,同一鍛件的硬度均 勻性偏差應(yīng)不大于４０HBW.
關(guān)鍵詞:１０Cr９Mo１VNbN 鋼;大直徑三通鍛件;硬度;規(guī)定值;均勻性偏差 中圖分類號:TG１１３．２５;TG１１５．５ 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０３９６Ｇ０４
我國材料牌號１０Cr９Mo１VNbN 在美國材料與 試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn) ASTM A１８２－２０１６ [１]中的對應(yīng)牌號 為 F９１,在 ASTM A３３５－２０１５ [２]中的牌號為 P９１, 在歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN １０２１６Ｇ２:２０１３ [３]和 EN １０２２２Ｇ２: ２０００ [４]中的對應(yīng)牌號為 X１０CrMoVNb９Ｇ１,該材料 是亞臨界和超臨界機組高溫蒸汽管道及其組成件、 聯(lián)箱部件等廣泛應(yīng)用的馬氏體耐熱鋼.新修訂的電 力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T４７３(現(xiàn) 行 標(biāo) 準(zhǔn) 是 DL/T４７３－ １９９２«大直徑三通鍛件技術(shù)條件»)列入了該鍛件材 料牌號.正 如ISO１８２６５:２０１３ [５]中 所 指 出 的,硬 度試驗是在 相 對 較 短 的 時 間 內(nèi)、以 有 限 的 損 傷 提 供材料力學(xué) 性 能 信 息 的 一 種 檢 驗 方 式,故 在 對 成 品部件無法 取 樣 進 行 拉 伸 試 驗 的 條 件 下,硬 度 試 驗成為反映材料力學(xué)性能的一種方便快捷的檢驗 方法對于國產(chǎn)鉻 含 量 在 ９％ ~１２％(質(zhì) 量 分 數(shù), 以下表示為９％~１２％Cr)的鋼管和管件,硬度過 低可能無法 滿 足 材 料 的 拉 伸 強 度 要 求,而 硬 度 過高則可能 無 法 滿 足 材 料 的 沖 擊 吸 收 能 量 要 求[６].
因此,標(biāo)準(zhǔn)中如何規(guī)定該鍛件材料的硬度,對鍛件 質(zhì)量驗收以及通過硬度試驗結(jié)果表征鍛件材料的 力 學(xué) 性 能 而 言 至 關(guān) 重 要. 為 此,筆 者 基 于 對 １０Cr９Mo１VNbN 鋼同種材料鍛件的硬度與抗拉強 度的統(tǒng)計、國 內(nèi) 外 相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 對 同 類 材 料 硬 度 的 規(guī) 定以及現(xiàn)場 測 試 結(jié) 果 的 分 析,給 出 了 布 氏 硬 度 與 抗拉強度的 關(guān) 系 公 式,科 學(xué) 規(guī) 定 了 大 直 徑 三 通 鍛 件材料１０Cr９Mo１VNbN 鋼的硬度數(shù)值,這對于通 過非破壞性的快捷硬度試驗方法[７]來確認大直徑 三通鍛件的 強 度 性 能、保 證 成 品 鍛 制 三 通 服 役 后 的運行安全性具有重要意義.
１ 試驗材料
大直徑三通鍛件材料１０Cr９Mo１VNbN 鋼的化 學(xué)成分和力學(xué)性能是在參照 ASTM A１８２－２０１６和 EN１０２２２Ｇ２:２０００的基礎(chǔ)上確定的,分別見表１和 表２.
２ 硬度標(biāo)準(zhǔn)取值及硬度均勻性問題分析
２．１ 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對硬度的規(guī)定
現(xiàn) 行 電 力 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) DL/T ４３８－２０１６ [８] 對 ９％~１２％Cr系列鋼制造的鍛造管件(成品鍛制三 通 )硬 度 要 求 為 １８０ ~ ２５０ HBW,考 慮 到 １０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件在形成成品管 件過程中的二次機械加工后的硬度差異及配管后整 體焊后熱處理的影響,其標(biāo)準(zhǔn)硬度下限值應(yīng)高于成 品鍛制三通的. ASTM A３３５－２００９及其之前的版本對 P９１鋼 的硬度要求為不超過２５０ HBW,未規(guī)定硬度下限 值;ASTM A３３５－２００９a及 其 以 后 的 版 本 規(guī) 定 了 P９１鋼的硬度下限值,要求硬度為１９０~２５０HBW, 其對抗拉強度(Rm ≥５８５ MPa)、屈服強度、斷后伸 長率和斷面收縮率的要求未發(fā)生變化. 在 ASTM A１８２－２０１０a及其以前的版本中,對 F９１鋼的抗拉強度要求為Rm ≥５８５ MPa,硬度上限 值為２４８HBW,未規(guī)定硬度下限值;在２０１１年修訂 后的 ASTM A１８２－２０１１版本中,對 F９１鋼的抗拉 強度要求修訂為Rm ≥６２０MPa,除硬度上限值外還 規(guī)定了硬度下限值,即１９０~２４８HBW,其拉伸性能 的其他指標(biāo)如屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率保持不變,且一直沿用至今. 在現(xiàn) 行 歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) EN １０２１６Ｇ２:２０１３ 和 EN １０２２２Ｇ２:２０００中,未對 X１０CrMoVNb９Ｇ１鋼的硬度 進行要求.
２．２ 硬度與抗拉強度的對應(yīng)關(guān)系探討
２．２．１ 硬度與抗拉強度的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
由于金屬材料的布氏硬度與抗拉強度之間存在 較好的對應(yīng)關(guān)系[９],因此通過對部分硬度在２００~ ２３７HBW 的 F９１鋼鍛件的硬度與抗拉強度的試驗 數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,可得出其硬度與抗拉強度的關(guān) 系,如圖１所示.用最小二乘法將其擬合于一條直 線(圖１中的虛線),可得出表示該鋼布氏硬度 HBW 與抗拉強度Rm 關(guān)系的直線方程如下：
按 照 式 (１)推 算,當(dāng) F９１ 鋼 鍛 件 硬 度 分 別 為 １７５,１９０,２４８HBW３個典型數(shù)值時,對應(yīng)的抗拉強 度分別為６０２,６４５,８１１MPa.
２．２．２ 標(biāo)準(zhǔn)與文獻資料提供的數(shù)據(jù)
國 際 標(biāo) 準(zhǔn) ISO １８２６５:２０１３ 未 提 供 ９％ ~ １２％Cr耐熱鋼硬度與強度轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),但其提供的 非合金與低合金鋼硬度與強度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(部分數(shù)據(jù) 見表３)具有很好的參考價值.采用插入法計算,布 氏硬度為１７５,１９０,２４８HBW 時所對應(yīng)的抗拉強度 分別為５９１,６４０,８３８MPa.
文 獻 [６]給 出 的 數(shù) 據(jù) 表 明:P９１ 鋼 的 硬 度 為 １６８HBW 時,其抗拉強度Rm ≈５７０ MPa;P９１鋼的 硬度為１９１ HBW 時,其抗拉強度 Rm ≈６６０MPa. 文獻[６]還得出如下結(jié)論:P９１鋼管件的硬度應(yīng)控制 在１７５~２５０HBW.若按線性關(guān)系推算,在硬度為 １７５HBW 時,其抗拉強度Rm ≈５９７MPa.
２．３ 硬度規(guī)定值的確定 對比式
(１)推算值和ISO１８２６５:２０１３提供的數(shù) 據(jù)可以發(fā)現(xiàn),由式(１)推算的抗拉強度數(shù)值與ISO １８２６５:２０１３ 提 供 的 數(shù) 值 相 差 較 小,１７５,１９０, ２４８HBW３個典型硬度所對應(yīng)的抗拉強度偏差分 別僅為１．９％,０．８％,３．３％.
由以上分析可以看出,無論是ISO１８２６５:２０１３ 和文獻[６]給出的數(shù)據(jù),還是筆者對 F９１鋼鍛件的硬 度與對應(yīng)抗拉強度的統(tǒng)計數(shù)據(jù),都充分說明該鋼在布 氏硬度為１７５HBW 時,其抗拉強度可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 的不小于５８５MPa的要求.考慮到鍛件的后續(xù)機加 工及配管焊后熱處理對硬度的影響及大直徑鍛制三 通服役后的安全性,１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通 鍛件的規(guī)定硬度應(yīng)高于１７５HB,參照 ASTM A１８２－ ２０１６規(guī)定,最終將１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛 件的規(guī)定硬度確定為１９０~２４８HBW.
２．４ 表面硬度均勻性問題探討
２．４．１ 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
大直徑三通鍛件整體的硬度均勻性反映了熱處 理過程中溫度場的均勻性以及鍛件各部位熱處理狀 態(tài)的一致性.GB/T１６９２３－２００８ [１０]對鋼件表面硬 度的偏差范圍(硬度均勻性)有明確規(guī)定,按照４級 工件品質(zhì)等級(最低級)要求,同一工件的硬度偏差 應(yīng)不超過４０HBW.DL/T４３８－２０１６雖然規(guī)定了 鍛造管件的硬度應(yīng)均勻,但取消了之前版本中的硬 度均勻性規(guī)定,即取消了同一管件的硬度偏差應(yīng)不 大于５０HBW 的要求.
２．４．２ 實測結(jié)果分析
為驗證大直徑三通鍛件的硬度均勻性問題,用 里氏硬度計分別對６００ MW 超臨界機組基建安裝 現(xiàn)場主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道具備測試條件 的５件F９１鋼成品鍛制三通(主蒸汽管道２件,再熱 蒸汽熱段管道３件,見圖２和圖３)進行了表面硬度 測試,５件鍛制三通的規(guī)格參數(shù)如表４所示.由于 成品鍛制三通配管后經(jīng)過整體回火熱處理,其表面 硬度比原鍛件本身硬度有所下降,故現(xiàn)場測試的主 蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道鍛制三通的表面硬度
不一定滿足新修訂 DL/T４７３的要求.主蒸汽管道 ２件鍛制三通實測表面硬度分布情況見圖４,再熱蒸 汽熱段管道３件鍛制三通實測表面硬度分布情況見 圖５,每件鍛制三通的測點數(shù)量及硬度最大值與最 小值見表５,每個測點取其５次測試值的平均值作 為該測點的硬度. 實測結(jié)果表明,同一鍛制三通的硬度均勻性偏 差為１２~２９ HBW.由此可以看出,在按規(guī)范要求 進行正常熱處理的條件下,工件的硬度均勻性是比較 好 的,完全可滿足GB/T１６９２３－２００８規(guī)定的４級工件品質(zhì)等級要求.因此,新修訂的 DL/T４７３規(guī)定 １０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度均勻性 偏差應(yīng)不大于４０HBW.
３ 結(jié)論
(１) 對 于 １０Cr９Mo１VNbN 鋼 大 直 徑 三 通 鍛 件,在確保硬度不低于１７５HBW 的情況下,可滿足 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強度Rm ≥５８５MPa的要求
(２) .考慮到大直徑三通鍛件的后續(xù)機加工及配 管焊后熱處理對硬度的影響,應(yīng)對鍛件的硬度下限 值考慮一定裕量.基于對 F９１鋼鍛件的硬度與抗 拉強度的統(tǒng)計分析及成品鍛制三通的現(xiàn)場表面硬度 測試,參考 ASTM A１８２－２０１６等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,確定了１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度及均 勻性偏差要求,即硬度應(yīng)控制在１９０~２４８HBW,同 一鍛件的硬度均勻性偏差應(yīng)不大于４０HBW.
(３) 按照該文給出的布氏硬度與抗拉強度的關(guān) 系公式 Rm ＝２．８６HBW ＋１０１．９,可通過簡便的硬度 測試方法來推算１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛 件材料的抗拉強度,這有利于在無法取樣進行拉伸 試驗的情況下了解掌握該材料的抗拉強度.
而虛擬化的里氏硬度計則是在手機或電腦上添 加信號采集硬件模塊(智能沖擊裝置)及基于圖形用 戶界面(GUI)的應(yīng)用軟件,然后借助手機或電腦設(shè) 備,實現(xiàn)強大的運算功能及通信功能.
３．４ 依托大行業(yè)的定制里氏硬度計
里氏硬度計必將打破一臺標(biāo)準(zhǔn)機檢測天下硬度 的“萬金油”形象,將來會依托大行業(yè),針對具體大行 業(yè)的實際生產(chǎn)流程,制定適合行業(yè)的檢測方法,生成 更準(zhǔn)確的硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系.時代 TIME５３０３型軋輥專 用硬度計即是對軋輥生產(chǎn)行業(yè)的一種定制機型.通 過對大量的軋輥試樣進行對比試驗[８],用試驗數(shù)據(jù)對 某通用轉(zhuǎn)換表進行修正,提高了軋輥工件的肖氏硬度 轉(zhuǎn)換精度(里氏硬度轉(zhuǎn)換為肖氏硬度),已經(jīng)在軋輥生 產(chǎn)行業(yè)獲得了更加廣泛的應(yīng)用.另外,里氏硬度計在 功能上如何適應(yīng)大行業(yè)也需要給予充分考慮.
３．５ 用于自動化生產(chǎn)線的里氏硬度測試單元
自動化生產(chǎn)線具備提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì) 量、改善勞動條件等優(yōu)勢,在機械制造業(yè)中就有鑄造、 鍛造、沖壓、熱處理、焊接、切削加工、機械裝配等諸多 生產(chǎn)線,自動化生產(chǎn)線是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然趨勢.對 于自動化生產(chǎn)線上工件的質(zhì)量控制也必然要求自動 化,因此無人值守、可實現(xiàn)自動測試的里氏硬度測試 裝備會大有作為,將來可作為標(biāo)準(zhǔn)“里氏硬度測試單 元”,集成到自動化生產(chǎn)線上,成為生產(chǎn)大系統(tǒng)的眾多 感知器官之一,大大提高檢測效率和生產(chǎn)效率.
４ 結(jié)束語
里氏硬度計問世近４０a(年)來,因其不可替代 的優(yōu)勢,在金屬材料的硬度檢測領(lǐng)域得到了廣泛的 應(yīng)用.隨著整個社會科技的不斷進步,里氏硬度計 也必須要跟隨時代的發(fā)展,各種新思維和新技術(shù)在 里氏硬度計上的應(yīng)用,必將使里氏硬度計能夠更加 適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)過程,并發(fā)揮出更大的作用.