承压类特种设备检验中的硬度检测分析

＊齐晓冰

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院 河南 450000）

承压类特种设备在运行期间属于传递高温、高压的介质，所以一旦承压类特种设备在运行中出现了纰漏，就将会引发严重的安全事故问题，并对人们的人身财产安全造成影响。由于承压类特种设备的特殊性，所以为了确保承压类特种设备能够在全生命周期内实现稳定运转，就必须借助性能检测的方式来判断设备当前的实际性能情况，以此来杜绝事故风险问题的发生。因此，有必要对承压类特种设备硬度检测进行分析，以此来提高硬度检测质量，进而让承压类特种设备发挥出应有的价值。

1.承压类特种设备综述

特种设备在人们的生活工作中非常常见，由于特种设备用途广泛且危险性强，所以特种设备将会受到政府的强制监管。根据特种设备特点的不同，可以将特种设备划分为承压类、机电类等多种不同的设备，承压类特种设备大致可以分为三类：第一，锅炉设备。锅炉设备是一种能够对外输出介质并提供热能的设备，在各种燃料、电能等能源的作用下，锅炉可以通过加热的方式来散发热能[1]。第二，压力容器。作为密闭设备，压力容器多用于盛放气体、液体与承载压力，当承载压力达到一定程度后，就将会导致危险系数大幅提高。第三，压力管道。压力管理在运行期间可以借助压力来进行气体、液体的传输。在社会发展过程中，由于承压类特种设备是支撑工业领域技术发展不可获取的一部分，所以承压类特种设备的发达程度能够在一定程度上体现国家的工业水平。对于承压类特种设备而言，性能检验的重要性毋庸置疑，借助性能检测不仅可以分析设备当前的运行状态，还能借助性能数据分析出承压类特种设备可能存在的安全隐患，因此硬度检测作为性能检测的关键，是保障承压类特种设备稳定运行不可或缺的一部分。

2.硬度检测分析

承压类特种设备的硬度就是设备抵抗弹性、塑性变形与抵抗破裂等性能影响因素的能力，硬度可以有效衡量出承压类特种设备的材料软硬程度。在对承压类特种设备进行检验时，由于硬度检测相对较为简单且对施工现场的环境条件要求不高，所以硬度检测是一种特别常见的性能检测方式。

承压类特种设备硬度能够选择的测试方法非常多，但是因为硬度检测的条件各不相同，所以在现场环境的影响下，承压类特种设备能够采用的检测方法将会在环境影响下发生改变。

(1)布氏硬度测试法

布氏硬度法是一种相对较为常见的检测方式，检测期间需要利用一定程度的载荷将硬质合金球压头压进测试金属表面，并在持续一段时间后取出，通过测量载荷与压痕表面积来判断金属硬度参数。在对承压类特种设备进行硬度检测时，需要将直径为D的钢球淬火并施压进入金属表面，载荷P与钢球压痕的表面积比值即为布氏硬度HB[2]。在布氏硬度测量中，应该保障压头硬度高于测量试样硬度1.7倍，所以测量硬度存在极限值，采用淬火钢球进行测量时，硬度参数可以通过HBS来进行表示，若选择采用硬质合金球来进行硬度测量，则压头测出的硬度参数可以通过HBW来进行表示。两种测量介质所面对的测量材料各不相同。HBS可以用作测量退火、铸铁以及硬度不足450HBS的材料，而选择HBW来进行测量，则测量材料的硬度值最好处于450～650HBW之间。需要注意的是，据研究表明，不是硬度值与材料抗拉强度之间存在一定联系，低碳钢的抗拉强度约为0.36HB；高碳钢抗拉强度约为0.39HB，借助材料的布氏硬度参数，基本可以近似的了解材料抗拉强度，这一特征可以在承压类特种设备硬度检测中作为一项参考依据。

(2)洛氏硬度测试法

洛氏硬度测试法的测量原理与布氏测量基本一样，洛氏测量需要利用金刚石制作的圆锥体压头来对测量对象进行施压，测量期间同样需要利用压痕深度来判断硬度参数，压痕越深则代表着材料的硬度越低。在硬度检测过程中，采用洛氏测量能够对极软到极硬的金属、合金硬度进行分析，测量期间所获得的硬度参数能够在指示器上直接读取，需要注意的是，由于洛氏测量法所造成的压痕相对较小，所以在测量设备的表面硬度分配不均匀时，洛氏测量法的测量精度将会受到影响。不同于布氏硬度法，洛氏硬度参数并没有单位，但是由于洛氏硬度约等于1/10×HB，所以根据材料硬度与抗拉强度之间的联系，同样可以将洛氏硬度使用在设备硬度检测中。

3.承压类特种设备硬度检测分析

(1)承压类特种设备硬度检测的使用场景分析

①分析材料类别与强度情况

在面对材料不明的承压类特种设备时，需要对受压元件材料种类进行判断，在面对具有特殊要求的承压类特种设备时，材料分析十分重要。所以在开展现场检查时，如果发现设备的出厂资料遗失，无法确定设备材料时，就需要借助硬度检验来辅助分析设备材料。通常情况下，设备材料的硬度参数与化学成分、热处理状态等因素有直接关系，含碳量的提高将会导致材料硬度值随之增加，马氏体硬度强于珠光体。所以可以借助硬度检测的方式来对设备的材料类别进行简单分析。在承压类特种设备中，如果压力容器需要在检测期间开展强度校核，如果无法明确容器材质，就需要结合相同类别材料的强度最低值来开展校核[3]。但是在实际检测期间，很容易因为选取强度参数过低而影响到校核效果。而在研究中表明，设备材料的硬度参数与材料强度之间存在换算关系，我国也在大量试验中制定了换算标准，标准中根据不同刚才的硬度、强度对应关系进行了说明，所以可以结合设备材料的硬度检测来分析判断材料的大致强度值，以此来让数据采集精度得到进一步提高。

②焊接、热处理质量检测

焊接与热处理是生产承压类特种设备的关键环节，工艺质量将会在一定程度上对设备安全性造成影响。焊接需要经历冶金过程，材料在焊接期间，力学性能与状态将会发生改变，通过开展硬度测试，能够在一定程度上分析出焊接接头位置处的力学情况，并在判断中确定焊接与热处理效果。焊接规程对同种钢接头在热处理结束后的焊缝硬度进行了规定，因此焊缝硬度必须控制在木材布氏硬度+100HBW以内。除此之外，硬度参数的细节内容也在焊接标准中有明确规定，因此在硬度检测期间，可以通过检测结果来分析焊接、热处理质量，以此来让作业效果得到应有的保障。

③材料损伤、劣化中的硬度测试

承压类特种设备其材料在特殊使用场景中，随着时间的变化，材料将会逐渐出现渗碳、脱碳、石墨化等现象，材料损伤与劣化不可避免。而在设备硬度检测中，则可以通过检测数据来直观判断出承压类特种设备的材料损伤以及劣化情况，进而让设备运行获得更多保障。例如，在锅炉的定期检测中，处于高温度的部件容易因为珠光体球化等情况而影响到整体性能。但是因为开展金相检验的测试效率非常慢，而且金相评级极为依赖人员经验，所以检测精度很难得到保障。因为部分珠光体球化等级与材料硬度有直接关系，因此必要时可以通过硬度参数测量，以此来分析珠光体的球化等级，若能够对历史定期检查的锅炉高温管道进行硬度值研究，还能够在一定程度上了解高温管道的大致运行寿命。如果承压类特种设备出现了材质劣化的倾向，就应该对其进行硬度检测，在材料出现渗碳渗氮后，则此时金属表面的硬度将会有所增加，而材料的塑性以及韧性将会受到影响，而在出现脱碳、珠光体球化等情况时，材料性能则将会有所下降，所以借助硬度检测，可以帮助检测人员实现对材料性能、劣化等情况的判断。

④材料应力腐蚀分析

在拉应力的作用下，材料在腐蚀介质中非常容易发生腐蚀破坏的情况。应力腐蚀所造成的影响极大，而且出现腐蚀情况时并没有明显预兆，所以在对承压类特种设备进行检验时，需要找出一个切实可行的方法来分析可能出现的应力腐蚀问题。有研究表明，在湿硫化氢的腐蚀情况下，碳素钢与低合金钢在开展热处理后，其焊缝以及热影响区的硬度参数应该控制在≤200HB以内。在液氨腐蚀环境下，两种材料在热处理结束后的焊缝与热影响区硬度在185HB以内[4]。不同应力腐蚀环境下的材料硬度存在差异性，所以在分析硬度大于这部分参数时，就需要重点关注可能出现的应力腐蚀问题，必要时还可以借助其他检测方法来进一步提高检测效果。

(2)硬度检测在锅炉设备中的应用

①锅炉胀接中的硬度检测

锅炉受热面管与管板、锅筒间的连接形式可以分为焊接、胀接两类，通过高质量焊接处理能够有效提高焊接接头强度与质量，但是因为焊接结束后可能会出现应力集中的情况，所以容易影响到疲劳抵抗能力。而且因为管头在焊接之后的更换难度将会有所增加，所以一般会在高温、高压大型锅炉中采用焊接处理。相较于焊接而言，胀接同样能够获得较好的强度以及严密性，胀接属于接触式连接，具有相对较强的刚度，而且罐子更换更加方便，所以工业锅炉很多都会选择使用胀接的方式来进行施工。

胀接方式需要通过管子内壁在径向力作用向外扩张，扩张后的管子将会与管孔壁胀紧，这种胀紧力是通过管子壁与管孔壁的塑性、弹性变形生产，所以在胀接前必须对管板等位置的硬度值进行测定，只有材料硬度值能够满足施工条件，才能够通过胀接的方式来对进行施工处理。锅炉安全相关规程对胀接锅炉硬度提出了明确要求，管子胀接材料在选择时要将尽量选取低于管板、锅筒硬度的材料，如果管子材料的硬度过高，就需要通过退火处理来对其硬度进行控制，否则在胀接时就容易因为损坏管板、锅筒而影响到胀接效果。因此在胀接之前必须通过开展硬度检测来了解硬度参数，以此来达到提高胀接施工质量的目的。

②锅炉安装改造施工中的硬度检测

在锅炉安装改造中，受压部件的焊接接头往往需要在焊接结束后开展热处理施工，为了提高安全性，还需要开展硬度检测。每一种部件的抽查比例应该控制在10%以上。减温器、低温过热器等设备需要针对焊缝进行硬度参数抽查。不同设备对硬度的需求存在明显差异性。焊接技术规程明确了同种钢的焊接接头在完成热处理之后，应该保障焊缝硬度低于母材布氏硬度值+100HBW。除此之外，还要满足其他各种条件，因此要通过开展硬度检测的方式来确定硬度参数与技术标准之间的差异性，避免因为硬度值参数问题而影响到锅炉的安装改造施工效果。

③锅炉内部检查中的硬度检测

电站在运行过程中，锅炉设备经常需要开展内部检验工作，检验期间为了了解特殊材料的强度是否在使用中出现了变化，就需要通过硬度检测来了解设备性能情况。在定期检验中，采用9%～12%Cr系列材料制作的过热器等材料进行硬度抽查，如果在硬度抽查中发现性能问题，就需要第一时间做出针对性处理。定期检验规则表明，主蒸汽管道等设备需要按照对接的焊接接头以及弯头数量的5%来进行硬度抽检，不同设备的硬度抽检次数往往各有不同。而且根据锅炉运行时间的不同，还需要额外增加检验部位，例如当锅炉运行时间达到5万小时之后，就需要结合实际需求来增添硬度检验项目，以此来防止因为硬度检测不到位而影响到锅炉设备的正常运行[5]。

(3)硬度检测在压力容器中的应用

①压力容器运行中的硬度检测

压力容器在使用期间容易因为外界因素干扰而影响到容器的功能性，最为典型的影响因素就是外界的温度变化，所以为了保障压力容器能够发挥出应有的效果，使用者就需要针对受压元件来进行测定分析，以此来保证压力容器硬度得以满足使用需求。压力容器的使用环境恶劣，而且工作环境还具有一定程度的腐蚀性，因此压力容器在特殊的环境条件下，有时会出现硫化、渗碳的情况，这些问题将会影响到压力容器的硬度参数。所以工作人员需要对硬度值进行重点测定，并通过内壁检测的方式来保障内壁运行稳定性。在压力容器运行期间，超高压水晶釜非常重要，每间隔一段时间就需要定期的开展一次硬度测定。超高压水晶釜在高温高压环境下长期工作，很容易导致材料出现变质的情况，如果在硬度测定中发现材料的硬度不足，就应该利用金相试验来分析超高压水晶釜的结构是否正常。

②压力容器热处理后的硬度检测

就目前而言，较为常见的热处理工艺大致可以分为两种，其一为冷成型后用以提高机械性能的热处理，其二则是焊接结束后用以消除残余应力的热处理。焊接后的残余应力如果没有及时处理，就有可能导致压力容器在应力腐蚀的作用下性能受到影响。压力容器在生产阶段需要适当进行局部、整体热处理，但无论选择使用哪种处理方式，在处理结束后，工作人员都必须针对母体、焊接金属开展参数测定，以此带来确保残余应力彻底消除。在此期间，还需要判断压力容器在应力腐蚀下的破损情况。例如，在面对使用整体热处理的阻焊压力容器时，就应该保障焊缝金属硬度低于母材的125%。对于焊接硬度检测而言，检测对象分别有焊缝、热影响区、焊接接头三部分，通过对这三部分进行检测可以直观了解工艺是否满足实际需求[6]。除此之外，压力容器在生产阶段还需要对母材等进行硬度检测，并通过分析所采用的焊接工艺，以此来确保施工效果能够达到最为科学合理的性能状态。硬度检测对于压力容器而言，是一种及其有效的性能判断方式，在多种情况下均可使用。

4.结论

总而言之，承压类特种设备由于工作环境恶劣、危险系数大，所以需要借助成本低廉、使用便捷且效果良好的硬度检测来分析设备的运行情况，以此来提高设备运行稳定性。相信随着更多人意识到承压类特种设备硬度检测的价值，硬度检测一定会变得更加完善。