锅炉受热面产品不同规格T91材料里氏与布氏硬度设备检测对比研究

李慧平　肖心伟　叶茂

摘要：里氏硬度计检测效率高，但其测量精度受到设备设定和多种外界因素影响，一般低于实际硬度，特别是对于锅炉受热面小管，误差较大。本文针对不同规格的锅炉受热面小径管T91材料开展同位置里氏与布氏设备的对比研究，分析两种设备测量值的差异。通过对比过程和结果表明，布氏设备测量稳定、准确，但在采用C型设备进行测量时建议使用辅助工装进行定位，以保证设备测量探头与管子轴线对中垂直；管子表面打磨状态对测量硬度值影响不大；不同检测人员的里氏测量值变化不大。不同布氏与里氏测量对比差值与管子壁厚存在一定的规律，管子壁厚越薄，对比差值越大，里氏测量值更偏低；管子壁厚越厚，对比差值越小，里氏测量值更偏高。

关键词：里氏硬度计；布氏硬度计；T91材料；小径管

中图分类号：TG113.25+1                          文献标志码：A                  doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.011

文章编号：1006-0316 （2023） 08-0075-06

Comparison of Leeb and Brinell hardness testing Equipment for T91 Materials withDifferent Specifications of Boiler Heating Surface Products

LI Huiping，XIAO Xinwei，YE Mao

（ Dongfang Boiler Group Co.， Ltd.， Zigong 643001， China ）

Abstract：Leeb hardness tester has high detection efficiency. But since its measurement accuracy is vulnerable to equipment settings and various external factors， the measurement result is generally lower than the actual hardness. The error is significant especially for small tubes on the heating surface of the boiler. In this paper， a comparative study of Leeb and Brinell equipment at the same location is carried out for T91 materials of small diameter tubes on different boiler heating surfaces， and the difference between the measured values of the two equipment is analyzed. The comparison process and results show that Brinell equipment is stable and accurate in measurement. But when using C-type equipment for measurement， it is recommended to use auxiliary tooling for positioning to ensure that the measuring probe of the equipment is perpendicular to the axis of the pipe. The polishing state of the pipe surface has little effect on the measured hardness value. There is little change in the Leeb measurement values among different testing personnel. There is a certain correlation between the comparison difference between Brinell and Leeb measurements and the tube wall thickness. The thinner the tube wall thickness， the greater the comparison difference， and the lower the Leeb measurement value. The thicker the tube wall， the smaller the comparison difference， and the higher the Leeb measurement value.

Key words：Leeb hardness tester；Brinell hardness tester；T91 materials；small diameter tubes

硬度是指金屬材料抵抗硬物压入其表面的能力，表示金属材料的坚硬程度，是重要的机械性能指标之一^[1]。硬度检测因其现场条件要求不高、设备轻便、易于实施等特点，是常用的检测手段之一^[2]，一直是锅炉安装现场的重要关注项。DL/T 438－2016中明确规定：钢管的硬度检验，可采用便携式里氏硬度计按照GB/T 17394.1测量；一旦出现硬度偏离本规程的规定值，应在硬度异常点附近扩大检查区域，检查出硬度异常的区域、程度，同时宜采用便携式布氏硬度计测量校核^[3-4]。

因里氏硬度计检测效率高，锅炉安装现场硬度检测及锅炉制造厂批量硬度检测时通常使用里氏硬度计^[5-6]。但里氏硬度计的工作原理与布氏硬度计差异较大，其测量精度受到设备设定和多种外界因素影响，测量值一般低于实际硬度，特别对于锅炉受热面小管，误差较大。另一种便携式布氏硬度计^[7-8]，其测试原理与试验室用的台式硬度计完全相同，是一种直接测量硬度的方法，采用直径D＝2.5 mm的球压头，试验力F＝187.5 kg，F/D²＝30 kg/mm²，将试验力以缓慢而无冲击的方式施加于被测物体表面，通过压痕直径，计算得到被测物体的硬度值。大量实践及DL/T 438要求采用便携式布氏硬度计测量校核等均可以证明便携式布氏硬度计测量值准确可靠^[9]，但其检测效率低，往往只在里氏硬度计偏低时复核使用。实际多数安装现场在里氏硬度测量异常时，却无布氏硬度计复核，无法有效判定产品硬度是否合格，同时多数制造厂亦无可追溯的里氏、布氏对比测量数据，只能多次赶赴现场复核，对安装周期、制造厂多次来回时间、费用等均有较大影响。

本文以电厂关注最多的受热面小管为研究对象，分别采用便携式里氏硬度计和便携式布氏硬度计两种设备对同材料（SA-213T91）不同规格的小管进行硬度对比试验，研究两种设备之间的偏差，为提高制造厂、现场硬度检测的精度和合格性提供参考。

1 受热面小管磁力式布氏硬度计、C型布氏硬度计对比试验

目前适用于受热面小管检测的布氏硬度计主要为磁力式布氏硬度计和C型布氏硬度计，如图1所示。其中，对于管子外径小于45 mm的小口径管，只能使用C型布氏硬度计。接下来针对两种设备的测量稳定性进行试验。

1.1 试验材料和方法

（1）试验材料：已热处理完成的规格为Φ51 mm×5 mm、Φ51 mm×7 mm，材料为SA-213T91的样管，每种规格各取两根样管。

（2）试验地点：试验室。

（3）试验方法：每根样管各选择一个位置，在试验室采用抛光机打磨母材表面，每根样管同一位置区域分别采用相同设备测量三次，记录测量值，看测量结果的准确性、稳定性，如图2、图3所示。

1.2 试验结果

试验测量数据如表1所示。可以看出，磁力式布氏硬度计测量稳定，C型布氏硬度计测量波动大。经分析，测量不稳定的主要原因为：C型布氏硬度计操作上要求部件的测量面与摇头轴线对中垂直，但小管管径小、曲率大，在对其实际测量夹持固定时，难保证设备测头和管子轴线对中垂直，如图4（a）所示。

1.3 增加辅助工装

为确保小径管布氏测量的准确性，根据C型布氏硬度计的结构、测量方式及管子结构，设计了辅助工装。该工装能准确定位检测点，并有效保证设备测量测头和管子轴线对中垂直，如图4（b）所示。使用辅助工装后测得的试验数据如表2所示。

对比表2与表1可以看出：

（1）C型布氏硬度计使用工装辅助定位后，测量稳定、准确，测量对比偏差1～2個，均在设备允许示值误差内。

（2）同位置管子在磁力式布氏硬度计及C型布氏硬度计两种设备、不同受压下的测量结果偏差不大，均在设备允许示值误差内，说明不同布氏硬度计对测量结果精度影响小。

1.4 结论

通过对比不同布氏硬度计，发现磁力式布氏硬度计测量准确、稳定^[10]；C型布氏硬度计在测量管子时，由于小管管径小、曲率大，在无辅助工装情况下很难保证设备测头和管子轴线对中垂直，易导致测量结果不稳定、不准确，因此在使用时应采取措施确保设备测头和管子轴线对中垂直。

2 不同规格受热面T91小管布氏、里氏设备对比试验

锅炉受热面小管数量多，锅炉安装现场监检及锅炉制造厂批量检测时普遍使用里氏硬度计进行测量，但对比布氏硬度计，里氏硬度计对于同材质不同规格小管测量结果差值波动大。因此，对不同规格的T91材质，开展同位置里氏与布氏设备的对比测试，总结规律。

2.1 试验材料和方法

（1）试验材料：已热处理完成的不同规格SA-213T91小管产品，每种规格各取两根样管，具体如表3所示。

（2）试验时机：产品热处理后冷却至常温。

（3）试验地点：生产车间硬度检测位置。

（4）试验步骤：

①对比不同测量人员实施里氏硬度计测量偏差：在表面抛光机粗抛打磨条件、检测设备、检测方法、检测位置等其他条件均相同的情况下，分别由三个操作规范的检测人员采用里氏硬度计进行测量（测量5个点，求平均值），记录测量值。

②对比表面不同打磨状态下里氏硬度计测量偏差：在环境、测量位置、检测人员等其他条件均相同的情况下，分别在抛光机粗抛状态及砂纸精抛状态下采用里氏硬度计进行测量（测量5个点，求平均值），记录测量值。

③对比不同里氏、布氏测量偏差：在环境、测量位置、表面打磨、检测人员等其他条件均相同的情况下，分别采用里氏（测量5个点，求平均值）、布氏硬度计（测量2个值，求平均值）进行测量，对比差值，总结规律。

2.2 试验结果

（1）分别在不同测量人员、不同打磨状态下采用里氏硬度计进行测量，测量表面打磨状态如图5，测得数据如表4所示。可以看出：

①在相同位置、相同打磨状态下，不同检测人员采用相同的里氏硬度计进行测量，若方法正确，且在测量过程中去除个别明显差异变化的数值后，实际测量值变化不大，小于设备示值允许误差。

②对于管子打磨状态，抛光机粗抛与砂纸精抛状态下测量硬度值偏差不大，不超示设备示值允许误差。

（2）里氏、布氏硬度计测量对比如图6、图7、表5所示。可以看出：

①管子厚度为3.5 mm的薄壁管，对比差值为39～63。里氏硬度测量最低值为155，采用布氏硬度计复核其硬度值为218，满足要求。

②管子厚度为4 mm的薄壁管，对比差值为30～37。里氏硬度测量最低值166，采用布氏硬度计复核其硬度值为203，满足要求。

③管子厚度为5～6 mm的中厚小管，对比差值为21～40。里氏硬度测量最低值164，采用布氏硬度计复核其硬度值为204，满足要求。

④管子厚度为7 mm及以上的小管，对比差值为21～26。里氏硬度测量最低值180，采用布氏硬度计复核其硬度值为204，满足要求。

⑤从所有试验数据可以看到，里氏测量值高于160时，布氏复测结果均合格。

同时还可看出，里氏硬度计测量结果与布氏硬度计测量结果存在规律：管子壁厚越薄，里氏、布氏测量对比差值越大，反之对比差值越小；里氏测量最低安全值为160。

因此在现场进行批量检测时，推荐采用两种方式进行判断：

（1）在试验偏差数据范围内，分梯度设置补偿值。如对于3.5～4 mm的薄壁管，由于管子越薄偏差越大，可以选择试验数据中对比偏差值最低的数值，并减去4～5的偏差作为补偿值，如3.5 mm的薄壁管，补偿值可设置为34；对于5 mm以上的管子，可以选择试验对比偏差值最低数值减去2～3的偏差作为补偿值。

（2）若现场具备布氏硬度计，且安全系数内数据有异常时，如条件允许，可在同样环境等条件下对同材料、同规格管子，使用磁力式布氏硬度计或C型布氏硬度计现场测量2次并取平均值，与里氏硬度测量5次的平均值的差值，作为后续批量测量时里氏硬度计补偿值。同时，制造厂亦可按此，在进行硬度记录时，将同材质、同规格里氏与布氏硬度设备测量数值及其偏差值一一进行记录，作为现场测量偏低时的参考。

3 试验结论

（1）布氏硬度计测量稳定、准确，但采用C型布氏硬度计测量管子时，由于小管管径小、曲率大，不便于定位，导致测量结果不稳定、偏差大，建议现场测量时使用辅助工装进行定位，更易于保证设备测量探头与管子轴线对中垂直，确保测量结果稳定、准确。

（2）在抛光机粗抛与精抛状态下测量硬度值偏差变化不大。电厂现场检测状态基本为粗抛，制造厂按粗抛实际检测更能与电厂现场形成比对。

（3）不同检测人员里氏测量值变化不大。同一位置、不同检查员采用相同设备，在进行里氏硬度测量过程中，若方法正确，且去除个别明显差异变化的数值后，实际测量值变化不大，测量偏差均在规定偏差范围内。

（4）对于小口径管，布氏与里氏测量對比差值范围随着管子壁厚的不同存在一定的规律，管子壁厚越薄，对比差值越大，里氏测量值更偏低；管子壁厚越厚，对比差值越小，里氏测量值更偏高；里氏测量最低安全值为160。因此，制造厂在进行测量时可参考同材质、同规格产品管子测量对比值分梯度设置补偿值，并留一定的安全系数。电厂亦可将里氏、布氏对比测量数据作为里氏测量评判时的参考。

参考文献：

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[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 金属材料 布氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准：GB/T231.2－2012[S]. 北京：中国标准出版社，2013.

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