超（超）臨界機(jī)組是國(guó)際上成熟、高效、先進(jìn)的火力發(fā)電技術(shù)，有利于能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。T91（9Cr1Mo）鋼為馬氏體耐熱鋼，是超（超）臨界發(fā)電機(jī)組高溫承壓部件（如過(guò)熱器、再熱器等）的主要使用材料。獲取T91鋼準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)可確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。硬度測(cè)試是火電廠鍋爐管道安全檢驗(yàn)的一種常用評(píng)定手段，提高硬度測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)火電廠鍋爐管道的安全評(píng)定有重要作用。DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》和DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定電站鍋爐用鋼硬度以布氏硬度為標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際工況中，布氏硬度測(cè)試存在一定的局限性，而里氏硬度計(jì)具有體積小、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電站工程現(xiàn)場(chǎng)已被廣泛使用。然而，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)對(duì)于T91鋼小徑薄壁管（直徑為25~89mm，厚度為4~6mm），里氏硬度計(jì)測(cè)得的布氏硬度換算值與材料的實(shí)際布氏硬度之間存在較大的差距，現(xiàn)有的里氏硬度與布氏硬度之間的換算關(guān)系缺乏材料針對(duì)性，因此，需要針對(duì)T91鋼小徑薄壁管建立新的里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
目前，針對(duì)降低耐熱鋼里氏硬度與布氏硬度之間的轉(zhuǎn)換誤差已有不少研究。GOGOLINSKII等發(fā)現(xiàn)利用里氏硬度計(jì)測(cè)量時(shí)，試樣的厚度或質(zhì)量的減小可導(dǎo)致沖擊吸收能量減小，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。SYASKO等提出了一種里氏硬度校準(zhǔn)的方法。UMANSKII等通過(guò)更換感應(yīng)線圈優(yōu)化了里氏硬度計(jì)的沖擊裝置，以提升其測(cè)量精度。LI等分析了P91耐熱鋼管里氏硬度與布氏硬度之間的差值，發(fā)現(xiàn)里氏硬度計(jì)測(cè)量的結(jié)果比實(shí)際布氏硬度低40HB左右。張啟禮等對(duì)頂端淬火和整體熱處理后的P91鋼建立了值為475~750HL里氏硬度與布氏硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系。李慧平等對(duì)不同壁厚T91鋼小徑管的里氏硬度與布氏硬度之間的差異進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兩者差值與壁厚之間存在一定的規(guī)律，即壁厚越薄，差值越大。然而，截至目前，很少有學(xué)者建立T91鋼小徑薄壁管里氏硬度與布氏硬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
研究人員選用不同壁厚的T91鋼小徑管，測(cè)試了其里氏硬度轉(zhuǎn)換的布氏硬度和實(shí)際布氏硬度，分析了T91鋼小徑管母材和焊縫兩種硬度之間的誤差，研究了誤差隨壁厚變化的規(guī)律，建立了里氏硬度與布氏硬度新的換算關(guān)系。研究成果可以有效降低電站鍋爐管道硬度測(cè)試誤差，提高管道強(qiáng)度評(píng)定的準(zhǔn)確性。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料選用管徑為60mm的T91鋼小徑管，壁厚為4，8，10mm，熱處理工藝為正火+回火，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。T91鋼小徑管母材及焊縫熱處理后的顯微組織均為回火馬氏體，顯微組織形貌如圖1所示。
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)選用的里氏硬度計(jì)和布氏硬度計(jì)如圖2所示，采用該設(shè)備分別對(duì)不同壁厚的T91鋼小徑管母材及焊縫進(jìn)行硬度測(cè)試。
在進(jìn)行硬度測(cè)試前，需要將T91鋼小徑管母材及焊縫打磨光滑。硬度試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，根據(jù)GB/T 17394—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，用D型沖擊裝置的HT-1000A型里氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的里氏硬度，并將其轉(zhuǎn)換成布氏硬度，即直讀值；用THBC-3000DB型布氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的布氏硬度，即實(shí)測(cè)值。碳化鎢球壓頭直徑為2.5mm，加載試驗(yàn)力為1838.7N，試驗(yàn)力保載時(shí)間為10s。圖3為T(mén)91鋼管硬度測(cè)試區(qū)域，對(duì)單個(gè)T91鋼小徑管母材及焊縫分別選取10個(gè)位置進(jìn)行里氏硬度與布氏硬度測(cè)試。
2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 T91鋼小徑管母材里氏硬度與布氏硬度測(cè)試結(jié)果
表2為不同壁厚T91鋼小徑管母材直讀值與實(shí)測(cè)值的測(cè)試結(jié)果及相對(duì)誤差。由表2可知：當(dāng)壁厚為4mm時(shí)，T91鋼小徑管里氏硬度與布氏硬度存在較大偏差，且直讀值低于實(shí)測(cè)值，誤差超過(guò)15%，差值為35~42HB；當(dāng)壁厚為8mm和10mm時(shí)，T91鋼小徑管里氏硬度與布氏硬度的偏差較小，直讀值略高于實(shí)測(cè)值，誤差均不大于5%，差值為3~9HB。這說(shuō)明對(duì)于壁厚小于6mm的T91鋼薄壁管，采用里氏硬度計(jì)測(cè)量時(shí)易產(chǎn)生較大的偏差。
2.2 T91鋼小徑管焊縫里氏硬度與布氏硬度測(cè)試結(jié)果
表3為不同壁厚T91鋼小徑管焊縫測(cè)得的直讀值與實(shí)測(cè)值及相對(duì)誤差。由表3可知：當(dāng)壁厚為4mm和8mm時(shí)，T91鋼小徑管焊縫直讀值與實(shí)測(cè)值的誤差分別為7%~14%和10%~13%，差值分別為17~35HB 和35~43HB；當(dāng)壁厚為10mm時(shí)，T91鋼小徑管焊縫直讀值與實(shí)測(cè)值的誤差降到了7%，差值為12~16HB。這說(shuō)明壁厚對(duì)T91鋼小徑管焊縫里氏硬度計(jì)測(cè)得的布氏硬度影響很大，且壁厚增大時(shí)，影響有所降低。與母材相比，當(dāng)壁厚為4mm和8mm時(shí)，焊縫直讀值高于實(shí)測(cè)值，而當(dāng)壁厚為10mm時(shí)，卻呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，且焊縫的硬度均偏高，這是因?yàn)榫植繜崽幚頃r(shí)，有效加熱區(qū)的溫度偏差太大，不能保證鍋爐受熱面焊縫的熱處理效果，引起了焊縫硬度偏高。
2.3 T91鋼小徑管里氏硬度與布氏硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系
2.3.1 線性回歸關(guān)系
不同壁厚T91鋼小徑管母材及焊縫的直讀值與實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：不同壁厚的T91鋼小徑管母材里氏硬度與布氏硬度之間均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且隨著壁厚的增大，通過(guò)換算公式得出的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差減小。與母材不同，不同壁厚T91鋼小徑管焊縫里氏硬度與布氏硬度之間的線性關(guān)系較差，當(dāng)壁厚為10mm時(shí)，里氏硬度與布氏硬度相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)基本在回歸線上，這說(shuō)明隨著壁厚的增大，焊縫的里氏硬度與布氏硬度兩者之間的換算誤差呈減小趨勢(shì)。值得注意的是，當(dāng)壁厚為4mm時(shí)，T91鋼小徑管母材和焊縫的擬合系數(shù)R均是最小，但母材的擬合系數(shù)卻高于焊縫的擬合系數(shù)，說(shuō)明利用里氏硬度計(jì)測(cè)量薄壁T91鋼小徑管母材的布氏硬度與實(shí)測(cè)值之間的誤差小于焊縫，這是由于母材處理后的表面狀態(tài)要優(yōu)于焊縫，在用里氏硬度計(jì)測(cè)量時(shí)，焊縫余高會(huì)影響里氏硬度計(jì)沖擊體的回彈性，導(dǎo)致測(cè)量的誤差極大。
不同壁厚T91鋼小徑管母材及焊縫的線性方程如表4所示。由表4可知：不同壁厚T91鋼管母材的線性方程斜率隨著壁厚的增大而降低，其中壁厚為4mm時(shí)，里氏硬度與布氏硬度關(guān)系的斜率最大，說(shuō)明此時(shí)兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系較差；對(duì)于焊縫而言，里氏硬度與布氏硬度兩者誤差與壁厚并無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)壁厚大于4mm時(shí)，T91鋼管焊縫的里氏硬度與布氏硬度之間的誤差趨于穩(wěn)定，無(wú)明顯變化；當(dāng)壁厚為4mm 時(shí)，母材和焊縫里氏硬度與布氏硬度之間的誤差均是最大，這是因?yàn)槔锸嫌捕扔?jì)對(duì)厚壁管件的測(cè)量影響較小，薄壁管件的剛性較小，使沖擊體回彈速率變慢，從而造成測(cè)量值偏低。
將測(cè)量的原始數(shù)據(jù)代入線性方程計(jì)算得到計(jì)算值，表5為不同壁厚T91鋼小徑管計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差。由表5可知：原始數(shù)據(jù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差基本為0~6HB。
2.3.2 換算關(guān)系驗(yàn)證
為了驗(yàn)證上述線性方程的可靠性，另外選取了相同規(guī)格的3個(gè)T91鋼小徑管進(jìn)行里氏硬度測(cè)試，測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算。表6為不同壁厚T91鋼小徑管驗(yàn)證后計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差。由表6可知：計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差為1~13HB。說(shuō)明新的換算關(guān)系可以有效解決T91鋼小徑管里氏硬度計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，研究結(jié)果可為今后電站鍋爐管道強(qiáng)度合格性的評(píng)定提供可靠依據(jù)。
3 結(jié)論
（1）不同壁厚T91 鋼小徑管母材直讀值與實(shí)測(cè)值之間的誤差隨壁厚的增大而減小。當(dāng)壁厚從4mm增大到8mm時(shí)，誤差減小趨勢(shì)增大，隨后趨于平穩(wěn)。當(dāng)壁厚為4mm時(shí)，兩者之間的誤差大于15%，差值為35~42HB。壁厚為8mm和10mmT91鋼小徑管的誤差均不大于5%，差值為3~9HB。
（2）不同壁厚T91鋼小徑管焊縫直讀值與實(shí)測(cè)值之間的誤差隨壁厚的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)壁厚從4mm增大到8mm時(shí)，誤差增大趨勢(shì)很小，誤差為7%~13%，差值為17~43HB。當(dāng)壁厚增大到10mm時(shí)，誤差減小明顯，值為7%，差值為12~16HB。
（3）建立了不同壁厚T91鋼小徑管母材及焊縫里氏硬度與布氏硬度之間新的換算關(guān)系，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差為0~6HB。
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