分享：壁厚对T91钢里氏硬度与布氏硬度换算关系的影响

• 鲁志兵1, , 
 
• 徐国正2, 
 
• 张子扬2, 
 
• 樊传琦1

• 1.

  中能建建筑集团有限公司，合肥 230088

• 2.

  安徽津利能源科技发展有限责任公司，合肥 231200

超（超）临界机组是国际上成熟、高效、先进的火力发电技术，有利于能源结构优化，实现节能减排的重要战略目标[1]。T91（9Cr1Mo）钢为马氏体耐热钢，是超（超）临界发电机组高温承压部件（如过热器、再热器等）的主要使用材料[2]。获取T91钢准确的检测数据可确保机组安全稳定运行。硬度测试是火电厂锅炉管道安全检验的一种常用评定手段，提高硬度测试的准确性和可靠性对火电厂锅炉管道的安全评定有重要作用[3-4]。DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》和DL/T 869—2021《火力发电厂焊接技术规程》中规定电站锅炉用钢硬度以布氏硬度为标准，但在实际工况中，布氏硬度测试存在一定的局限性，而里氏硬度计具有体积小、操作简单、检测效率高等优点，在电站工程现场已被广泛使用[5]。然而，在实际测试过程中，经常发现对于T91钢小径薄壁管（直径为25~89 mm，厚度为4~6 mm），里氏硬度计测得的布氏硬度换算值与材料的实际布氏硬度之间存在较大的差距，现有的里氏硬度与布氏硬度之间的换算关系缺乏材料针对性，因此，需要针对T91钢小径薄壁管建立新的里氏硬度与布氏硬度换算关系，以确保测试结果的准确性。

目前，针对降低耐热钢里氏硬度与布氏硬度之间的转换误差已有不少研究。GOGOLINSKII等[6]发现利用里氏硬度计测量时，试样的厚度或质量的减小可导致冲击吸收能量减小，进而影响测量结果。SYASKO等[7]提出了一种里氏硬度校准的方法。UMANSKII等[8]通过更换感应线圈优化了里氏硬度计的冲击装置，以提升其测量精度。LI等[9]分析了P91耐热钢管里氏硬度与布氏硬度之间的差值，发现里氏硬度计测量的结果比实际布氏硬度低40 HB左右。张启礼等[10-11]对顶端淬火和整体热处理后的P91钢建立了值为475~750 HL的里氏硬度与布氏硬度转换关系。李慧平等[12]对不同壁厚T91钢小径管的里氏硬度与布氏硬度之间的差异进行了分析，发现两者差值与壁厚之间存在一定的规律，即壁厚越薄，差值越大。然而，截至目前，很少有学者建立T91钢小径薄壁管里氏硬度与布氏硬度之间的对应关系。

笔者选用不同壁厚的T91钢小径管，测试了其里氏硬度转换的布氏硬度和实际布氏硬度，分析了T91钢小径管母材和焊缝两种硬度之间的误差，研究了误差随壁厚变化的规律，建立了里氏硬度与布氏硬度新的换算关系。研究成果可以有效降低电站锅炉管道硬度测试误差，提高管道强度评定的准确性。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

试验材料选用管径为60 mm的T91钢小径管，壁厚为4，8，10 mm，热处理工艺为正火+回火，试验材料的化学成分如表1所示。T91钢小径管母材及焊缝热处理后的显微组织均为回火马氏体，显微组织形貌如图1所示。

Table  1.  T91钢的化学成分

项目	质量分数
	C	Mn	P	S	Si	Cr	Mo	V	Nb	N	Ni	Al	Fe
实测值	0.102	0.441	0.009	0.002	0.410	8.446	0.880	0.221	0.083	0.05	0.09	0.011	余量

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  1  T91钢小径管母材及焊缝热处理后的显微组织形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   试验方法

试验选用的里氏硬度计和布氏硬度计如图2所示，采用该设备分别对不同壁厚的T91钢小径管母材及焊缝进行硬度测试。

图  2  试验设备外观

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在进行硬度测试前，需要将T91钢小径管母材及焊缝打磨光滑。硬度试验在室温下进行，根据GB/T 17394—2014《金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法》，用D型冲击装置的HT-1000A型里氏硬度计测试试样的里氏硬度，并将其转换成布氏硬度，即直读值；用THBC-3000DB型布氏硬度计测试试样的布氏硬度，即实测值。碳化钨球压头直径为2.5 mm，加载试验力为1 838.7 N，试验力保载时间为10 s。图3为T91钢管硬度测试区域，对单个T91钢小径管母材及焊缝分别选取10个位置进行里氏硬度与布氏硬度测试。

图  3  硬度测试区域示意

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   试验结果

2.1   T91钢小径管母材里氏硬度与布氏硬度测试结果

表2为不同壁厚T91钢小径管母材直读值与实测值的测试结果及相对误差。由表2可知：当壁厚为4 mm时，T91钢小径管里氏硬度与布氏硬度存在较大偏差，且直读值低于实测值，误差超过15%，差值为35~42 HB；当壁厚为8 mm和10 mm时，T91钢小径管里氏硬度与布氏硬度的偏差较小，直读值略高于实测值，误差均不大于5%，差值为3~9 HB。这说明对于壁厚小于6 mm的T91钢薄壁管，采用里氏硬度计测量时易产生较大的偏差。

Table  2.  不同壁厚 T91 钢小径管母材直读值与实测值的测试结果及相对误差

壁厚/mm	项目	测点编号
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
4	直读值/HBHLD	178	178	180	180	181	181	182	183	185	185
	实测值/HBW	213.94	214.41	217.75	218.30	218.30	219.46	219.46	221.13	225.73	226.38
	相对误差/%	16.8	16.98	17.34	17.54	17.09	17.52	17.07	17.24	18.04	18.28
8	直读值/HBHLD	195	196	197	199	202	202	202	205	206	207
	实测值/HBW	187.66	188.11	189.02	191.75	193.17	193.65	196.52	197.02	197.46	200.91
	相对误差/%	3.91	4.19	4.22	3.78	4.57	4.31	2.79	4.05	4.32	3.03
10	直读值/HBHLD	190	191	195	195	197	198	199	201	201	204
	实测值/HBW	185.87	186.32	189.43	191.75	192.02	192.22	192.70	195.10	195.30	198.47
	相对误差/%	2.22	2.51	2.94	1.69	2.59	3.01	3.27	3.02	2.92	2.79

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.2   T91钢小径管焊缝里氏硬度与布氏硬度测试结果

表3为不同壁厚T91钢小径管焊缝测得的直读值与实测值及相对误差。由表3可知：当壁厚为4 mm和8 mm时，T91钢小径管焊缝直读值与实测值的误差分别为7%~14%和10%~13%，差值分别为17~35 HB和35~43 HB；当壁厚为10 mm时，T91钢小径管焊缝直读值与实测值的误差降到了7%，差值为12~16 HB。这说明壁厚对T91钢小径管焊缝里氏硬度计测得的布氏硬度影响很大，且壁厚增大时，影响有所降低。与母材相比，当壁厚为4 mm和8 mm时，焊缝直读值高于实测值，而当壁厚为10 mm时，却呈现相反的现象，且焊缝的硬度均偏高，这是因为局部热处理时，有效加热区的温度偏差太大，不能保证锅炉受热面焊缝的热处理效果，引起了焊缝硬度偏高[13]。

Table  3.  不同壁厚 T91 钢小径管焊缝直读值与实测值的测试结果及相对误差

壁厚/mm	项目	测点编号
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
4	直读值/HBHLD	209	210	210	211	212	215	216	216	217	217
	实测值/HBW	226.91	234.18	234.45	236.09	238.61	238.61	239.19	239.85	251.74	251.96
	相对误差/%	7.89	10.33	10.81	10.63	11.15	9.89	9.70	9.94	13.80	13.88
8	直读值/HBHLD	284	284	288	288	291	292	292	294	298	299
	实测值/HBW	320.56	322.54	323.47	328.60	331.85	332.80	333.12	336.24	336.70	338.46
	相对误差/%	11.41	11.95	10.97	12.36	12.31	12.26	12.34	12.56	11.49	11.66
10	直读值/HBHLD	257	257	258	259	259	260	260	261	262	266
	实测值/HBW	241.20	242.37	243.74	244.35	245.04	245.04	245.73	246.35	249.09	249.73
	相对误差/%	6.55	6.03	5.85	6.00	5.70	6.11	5.81	5.95	5.18	6.52

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3   T91钢小径管里氏硬度与布氏硬度转换关系

2.3.1   线性回归关系

不同壁厚T91钢小径管母材及焊缝的直读值与实测值对应关系如图4所示。由图4可知：不同壁厚的T91钢小径管母材里氏硬度与布氏硬度之间均呈现良好的线性关系，且随着壁厚的增大，通过换算公式得出的计算值与实测值之间的误差减小。与母材不同，不同壁厚T91钢小径管焊缝里氏硬度与布氏硬度之间的线性关系较差，当壁厚为10 mm时，里氏硬度与布氏硬度相对应的点基本在回归线上，这说明随着壁厚的增大，焊缝的里氏硬度与布氏硬度两者之间的换算误差呈减小趋势。值得注意的是，当壁厚为4 mm时，T91钢小径管母材和焊缝的拟合系数R均是最小，但母材的拟合系数却高于焊缝的拟合系数，说明利用里氏硬度计测量薄壁T91钢小径管母材的布氏硬度与实测值之间的误差小于焊缝，这是由于母材处理后的表面状态要优于焊缝，在用里氏硬度计测量时，焊缝余高会影响里氏硬度计冲击体的回弹性，导致测量的误差极大[14]。

图  4  不同壁厚T91钢小径管母材及焊缝的直读值与实测值对应关系

下载: 全尺寸图片 幻灯片

不同壁厚T91钢小径管母材及焊缝的线性方程如表4所示。由表4可知：不同壁厚T91钢管母材的线性方程斜率随着壁厚的增大而降低，其中壁厚为4 mm时，里氏硬度与布氏硬度关系的斜率最大，说明此时两者的对应关系较差；对于焊缝而言，里氏硬度与布氏硬度两者误差与壁厚并无明显的相关关系，当壁厚大于4 mm时，T91钢管焊缝的里氏硬度与布氏硬度之间的误差趋于稳定，无明显变化；当壁厚为4 mm时，母材和焊缝里氏硬度与布氏硬度之间的误差均是最大，这是因为里氏硬度计对厚壁管件的测量影响较小，薄壁管件的刚性较小，使冲击体回弹速率变慢，从而造成测量值偏低[15]。

Table  4.  不同壁厚T91钢小径管母材及焊缝线性方程

规格	壁厚/mm
	4	8	10
线性方程	母材：布氏硬度=1.354里氏硬度－397.941 焊缝：布氏硬度=1.681里氏硬度－589.705	母材：布氏硬度=0.88里氏硬度－228.172 焊缝：布氏硬度=1.377里氏硬度－454.382	母材：布氏硬度=0.734里氏硬度－156.547 焊缝：布氏硬度=1.487里氏硬度－560.449
线性回归决定系数	母材：0.931 焊缝：0.710	母材：0.954 焊缝：0.859	母材：0.959 焊缝：0.858

下载: 导出CSV 

| 显示表格

将测量的原始数据代入线性方程计算得到计算值，表5为不同壁厚T91钢小径管计算值与实测值之间的绝对误差。由表5可知：原始数据计算值与实测值之间的绝对误差基本为0~6 HB。

Table  5.  不同壁厚T91钢小径管计算值与实测值之间的绝对误差

壁厚/mm	测试位置	绝对误差/HB
4	母材	0.023~1.525
	焊缝	0.911~5.711
8	母材	0.043~1.413
	焊缝	0.294~4.355
10	母材	0.051~1.839
	焊缝	0.845~4.747

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3.2   换算关系验证

为了验证上述线性方程的可靠性，另外选取了相同规格的3个T91钢小径管进行里氏硬度测试，测试5个点，将数据代入公式计算。表6为不同壁厚T91钢小径管验证后计算值与实测值之间的绝对误差。由表6可知：计算值与实测值之间的绝对误差为1~13 HB。说明新的换算关系可以有效解决T91钢小径管里氏硬度计测量不准确的问题，研究结果可为今后电站锅炉管道强度合格性的评定提供可靠依据。

Table  6.  不同壁厚T91钢小径管验证后计算值与实测值之间的绝对误差

壁厚/mm	测试位置	绝对误差/HB
4	母材	1.361~8.131
	焊缝	1.449~6.956
8	母材	5.462~11.258
	焊缝	4.503~12.021
10	母材	3.487~8.625
	焊缝	1.475~11.908

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.   结论

（1）不同壁厚T91钢小径管母材直读值与实测值之间的误差随壁厚的增大而减小。当壁厚从4 mm增大到8 mm时，误差减小趋势增大，随后趋于平稳。当壁厚为4 mm时，两者之间的误差大于15%，差值为35~42 HB。壁厚为8 mm和10 mmT91钢小径管的误差均不大于5%，差值为3~9 HB。

（2）不同壁厚T91钢小径管焊缝直读值与实测值之间的误差随壁厚的增大呈先增大后减小的趋势。当壁厚从4 mm增大到8 mm时，误差增大趋势很小，误差为7%~13%，差值为17~43 HB。当壁厚增大到10 mm时，误差减小明显，值为7%，差值为12~16 HB。

（3）建立了不同壁厚T91钢小径管母材及焊缝里氏硬度与布氏硬度之间新的换算关系，计算值与实测值之间的绝对误差为0~6 HB。