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)

摘 要: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６００MW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１９０~２４８HBW,同一锻件的硬度均匀性偏差应不大于４０HBW.

关键词:１０Cr９Mo１VNbN 钢;大直径三通锻件;硬度;规定值;均匀性偏差

中图分类号:TG１１３．２５;TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０３９６Ｇ０４

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 １０２１６Ｇ２:２０１３[３]和 EN １０２２２Ｇ２:

２０００[４]中的对应牌号为 X１０CrMoVNb９Ｇ１,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/T４７３(现 行 标 准 是 DL/T４７３－１９９２«大直径三通锻件技术条件»)列入了该锻件材料牌号.正 如ISO１８２６５:２０１３

[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EN１０２２２Ｇ２:２０００的基础上确定的,分别见表１和表２.

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１９０~２５０HBW,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２４８HBW,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 ≥６２０MPa,除硬度上限值外还规定了硬度下限值,即１９０~２４８HBW,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 １０２１６Ｇ２:２０１３ 和 EN１０２２２Ｇ２:２０００中,未对 X１０CrMoVNb９Ｇ１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２００~２３７HBW 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Rm ＝２．８６HBW ＋１０１．９ (１)按 照 式 (１)推 算,当 F９１ 钢 锻 件 硬 度 分 别 为１７５,１９０,２４８HBW３个典型数值时,对应的抗拉强度分别为６０２,６４５,８１１MPa.

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１７５,１９０,２４８HBW 时所对应的抗拉强度分别为５９１,６４０,８３８MPa.

文 献 [６]给 出 的 数 据 表 明:P９１ 钢 的 硬 度 为１６８HBW 时,其抗拉强度Rm ≈５７０ MPa;P９１钢的硬度为１９１ HBW 时,其抗拉强度 Rm ≈６６０MPa.文献[６]还得出如下结论:P９１钢管件的硬度应控制在１７５~２５０HBW.若按线性关系推算,在硬度为１７５HBW 时,其抗拉强度Rm ≈５９７MPa.

２．３ 硬度规定值的确定

对比式(１)推算值和ISO１８２６５:２０１３提供的数据可以发现,由式(１)推算的抗拉强度数值与ISO１８２６５:２０１３ 提 供 的 数 值 相 差 较 小,１７５,１９０,２４８HBW３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ISO１８２６５:２０１３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１７５HBW 时,其抗拉强度可满足标准规定的不小于５８５MPa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１７５HB,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１９０~２４８HBW.

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/T１６９２３－２００８[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４０HBW.DL/T４３８－２０１６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５０HBW 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/T４７３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/T１６９２３－２００８规定的４级工件品质等级要求.因此,新修订的 DL/T４７３规定１０Cr９Mo１VNbN 钢大直径三通锻件的硬度均匀性偏差应不大于４０HBW.

３ 结论

(１)对 于 １０Cr９Mo１VNbN 钢 大 直 径 三 通 锻件,在确保硬度不低于１７５HBW 的情况下,可满足

标准规定的抗拉强度Rm ≥５８５MPa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１９０~２４８HBW,同一锻件的硬度均匀性偏差应不大于４０HBW.

(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.而虚拟化的里氏硬度计则是在手机或电脑上添加信号采集硬件模块(智能冲击装置)及基于图形用户界面(GUI)的应用软件,然后借助手机或电脑设备,实现强大的运算功能及通信功能.

３．４ 依托大行业的定制里氏硬度计

里氏硬度计必将打破一台标准机检测天下硬度的“万金油”形象,将来会依托大行业,针对具体大行业的实际生产流程,制定适合行业的检测方法,生成更准确的硬度转换关系.时代 TIME５３０３型轧辊专用硬度计即是对轧辊生产行业的一种定制机型.通过对大量的轧辊试样进行对比试验[８],用试验数据对某通用转换表进行修正,提高了轧辊工件的肖氏硬度转换精度(里氏硬度转换为肖氏硬度),已经在轧辊生产行业获得了更加广泛的应用.另外,里氏硬度计在功能上如何适应大行业也需要给予充分考虑.

３．５ 用于自动化生产线的里氏硬度测试单元

自动化生产线具备提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件等优势,在机械制造业中就有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工、机械装配等诸多生产线,自动化生产线是现代化生产的必然趋势.对于自动化生产线上工件的质量控制也必然要求自动化,因此无人值守、可实现自动测试的里氏硬度测试

装备会大有作为,将来可作为标准“里氏硬度测试单元”,集成到自动化生产线上,成为生产大系统的众多感知器官之一,大大提高检测效率和生产效率.

４ 结束语

里氏硬度计问世近４０a(年)来,因其不可替代的优势,在金属材料的硬度检测领域得到了广泛的应用.随着整个社会科技的不断进步,里氏硬度计也必须要跟随时代的发展,各种新思维和新技术在里氏硬度计上的应用,必将使里氏硬度计能够更加适应现代化生产过程,并发挥出更大的作用。

文章来源：材料与测试网