１０Cr９Mo１VNbN鋼大直徑三通鍛件的硬度規定值取值分析
郭延軍,朱海寶,吳 燁
(華電電力科學研究院,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據進行了統計分析,并給出了布氏硬度與抗拉強度換算的關系公式;對６００MW超臨界機組安裝現場 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.在參照國內外相關標準對同類材料硬度規定的基礎上,研究分析確定:１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的布氏硬度應控制在１９０~２４８HBW,同一鍛件的硬度均勻性偏差應不大于４０HBW.
關鍵詞:１０Cr９Mo１VNbN 鋼;大直徑三通鍛件;硬度;規定值;均勻性偏差
中圖分類號:TG１１３．２５;TG１１５．５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０６Ｇ０３９６Ｇ０４
AnalysisontheSpecifiedHardnessValuesof１０Cr９Mo１VNbNSteel
LargeDiameterTeeForgings
GUOYanjun,ZHUHaibao,WUYe
(HuadianElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou３１００３０,China)
Abstract:TodeterminethestandardBrinellhardnessvaluesof１０Cr９Mo１VNbNsteellargediametertee
forgings,thestatisticanalysisontheBrinellhardnessandtensilestrengthofanumberofthesamematerialforgings
wasperformedandtheformulaoftherelationshipbetweenthesetwocharacteristicparameterswasgiven．The
surfacehardnesstestwasdonefortheF９１ (namely１０Cr９Mo１VNbN)steellargediameterforgedteesusedin
６００MWsuperＧcriticalunitsaterectionsitetoverifythehardnessevenness．Onthebasisofthestatisticanalysis,
testingresultsandrequirementsofthedomesticandforeignstandardsforsimilarorsame materials,it was
determinedthatthestandardBrinellhardnessvaluesof１０Cr９Mo１VNbNsteellargediameterteeforgingsshouldbe
controlledin１９０－２４８HBWandthehardnessdifferenceofonepieceshouldbelimitedtonomorethan４０HBW．
Keywords:１０Cr９Mo１VNbN steel;large diameterteeforging;hardness;specified value;uniformity
deviation
我國材料牌號１０Cr９Mo１VNbN 在美國材料與試驗學會標準 ASTM A１８２－２０１６[１]中的對應牌號為 F９１,在 ASTM A３３５－２０１５[２]中的牌號為 P９１,在歐 洲 標 準 EN １０２１６Ｇ２:２０１３[３]和 EN １０２２２Ｇ２:
２０００[４]中的對應牌號為 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、聯箱部件等廣泛應用的馬氏體耐熱鋼.新修訂的電力行業標準 DL/T４７３(現 行 標 準 是 DL/T４７３－１９９２«大直徑三通鍛件技術條件»)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、以 有 限 的 損 傷 提供材料力學 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性能的一種方便快捷的檢驗方法.對于國產鉻 含 量 在 ９％ ~１２％(質 量 分 數,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,標準中如何規定該鍛件材料的硬度,對鍛件 質量驗收以及通過硬度試驗結果表征鍛件材料的 力 學 性 能 而 言 至 關 重 要. 為 此,筆 者 基 于 對 １０Cr９Mo１VNbN 鋼同種材料鍛件的硬度與抗拉強 度的統計、國 內 外 相 關 標 準 對 同 類 材 料 硬 度 的 規 定以及現場 測 試 結 果 的 分 析,給 出 了 布 氏 硬 度 與 抗拉強度的 關 系 公 式,科 學 規 定 了 大 直 徑 三 通 鍛 件材料１０Cr９Mo１VNbN 鋼的硬度數值,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 鋼的化學成分和力學性能是在參照 ASTM A１８２－２０１６和EN１０２２２Ｇ２:２０００的基礎上確定的,分別見表１和表２.
２ 硬度標準取值及硬度均勻性問題分析
２．１ 相關標準對硬度的規定
現 行 電 力 行 業 標 準 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,其標準硬度下限值應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,未規定硬度下限值;ASTM A３３５－２００９a及 其 以 后 的 版 本 規 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定了硬度下限值,即１９０~２４８HBW,其拉伸性能的其他指標如屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率保持不變,且一直沿用至今.
在現 行 歐 洲 標 準 EN １０２１６Ｇ２:２０１３ 和 EN１０２２２Ｇ２:２０００中,未對 X１０CrMoVNb９Ｇ１鋼的硬度進行要求.
２．２ 硬度與抗拉強度的對應關系探討
２．２．１ 硬度與抗拉強度的試驗數據統計分析
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關系[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據進行統計分析,可得出其硬度與抗拉強度的關系,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 關系的直線方程如下Rm ＝２．８６HBW ＋１０１．９ (１)按 照 式 (１)推 算,當 F９１ 鋼 鍛 件 硬 度 分 別 為１７５,１９０,２４８HBW３個典型數值時,對應的抗拉強度分別為６０２,６４５,８１１MPa.
２．２．２ 標準與文獻資料提供的數據
國 際 標 準 ISO １８２６５:２０１３ 未 提 供 ９％ ~１２％Cr耐熱鋼硬度與強度轉換的數據,但其提供的非合金與低合金鋼硬度與強度轉換數據(部分數據見表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 時所對應的抗拉強度分別為５９１,６４０,８３８MPa.
文 獻 [６]給 出 的 數 據 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]還得出如下結論:P９１鋼管件的硬度應控制在１７５~２５０HBW.若按線性關系推算,在硬度為１７５HBW 時,其抗拉強度Rm ≈５９７MPa.
２．３ 硬度規定值的確定
對比式(１)推算值和ISO１８２６５:２０１３提供的數據可以發現,由式(１)推算的抗拉強度數值與ISO１８２６５:２０１３ 提 供 的 數 值 相 差 較 小,１７５,１９０,２４８HBW３個典型硬度所對應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]給出的數據,還是筆者對 F９１鋼鍛件的硬度與對應抗拉強度的統計數據,都充分說明該鋼在布氏硬度為１７５HBW 時,其抗拉強度可滿足標準規定的不小于５８５MPa的要求.考慮到鍛件的后續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定硬度應高于１７５HB,參照 ASTM A１８２－２０１６規定,最終將１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的規定硬度確定為１９０~２４８HBW.
２．４ 表面硬度均勻性問題探討
２．４．１ 相關標準規定
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)有明確規定,按照４級工件品質等級(最低級)要求,同一工件的硬度偏差應不超過４０HBW.DL/T４３８－２０１６雖然規定了鍛造管件的硬度應均勻,但取消了之前版本中的硬
度均勻性規定,即取消了同一管件的硬度偏差應不大于５０HBW 的要求.
２．４．２ 實測結果分析
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件鍛制三通的規格參數如表４所示.由于成品鍛制三通配管后經過整體回火熱處理,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規定的４級工件品質等級要求.因此,新修訂的 DL/T４７３規定１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度均勻性偏差應不大于４０HBW.
３ 結論
(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
標準規定的抗拉強度Rm ≥５８５MPa的要求.
(２)考慮到大直徑三通鍛件的后續機加工及配管焊后熱處理對硬度的影響,應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計分析及成品鍛制三通的現場表面硬度測試,參考 ASTM A１８２－２０１６等標準的規定,確定了１０Cr９Mo１VNbN 鋼大直徑三通鍛件的硬度及均勻性偏差要求,即硬度應控制在１９０~２４８HBW,同一鍛件的硬度均勻性偏差應不大于４０HBW.
(３)按照該文給出的布氏硬度與抗拉強度的關系公式 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)的應用軟件,然后借助手機或電腦設備,實現強大的運算功能及通信功能.
３．４ 依托大行業的定制里氏硬度計
里氏硬度計必將打破一臺標準機檢測天下硬度的“萬金油”形象,將來會依托大行業,針對具體大行業的實際生產流程,制定適合行業的檢測方法,生成更準確的硬度轉換關系.時代 TIME５３０３型軋輥專用硬度計即是對軋輥生產行業的一種定制機型.通過對大量的軋輥試樣進行對比試驗[８],用試驗數據對某通用轉換表進行修正,提高了軋輥工件的肖氏硬度轉換精度(里氏硬度轉換為肖氏硬度),已經在軋輥生產行業獲得了更加廣泛的應用.另外,里氏硬度計在功能上如何適應大行業也需要給予充分考慮.
３．５ 用于自動化生產線的里氏硬度測試單元
自動化生產線具備提高勞動生產率、提高產品質量、改善勞動條件等優勢,在機械制造業中就有鑄造、鍛造、沖壓、熱處理、焊接、切削加工、機械裝配等諸多生產線,自動化生產線是現代化生產的必然趨勢.對于自動化生產線上工件的質量控制也必然要求自動化,因此無人值守、可實現自動測試的里氏硬度測試
裝備會大有作為,將來可作為標準“里氏硬度測試單元”,集成到自動化生產線上,成為生產大系統的眾多感知器官之一,大大提高檢測效率和生產效率.
４ 結束語
里氏硬度計問世近４０a(年)來,因其不可替代的優勢,在金屬材料的硬度檢測領域得到了廣泛的應用.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展,各種新思維和新技術在里氏硬度計上的應用,必將使里氏硬度計能夠更加適應現代化生產過程,并發揮出更大的作用。