电站高温紧固螺栓现场检测误差研究

电站高温紧固螺栓现场检测误差研究李小龙1，12，陈国宏1，王若民12，王勇1，邢明军1，

，

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥230601；2.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，安徽合肥230000）摘要：针对三种不同材质的高温螺栓紧固件，测试在抛光态与打磨态下螺栓端部、腰部的HBW及HB-HLD硬度值。结合显微组织结构分析，研究螺栓在不同测试条件下不同部位的HB及HB-HLD硬度的差异。结果表明，螺栓同一部位抛光态的硬度均略大于打磨态，同一测试条件下，螺栓端部的硬度均大于腰部。通过误差计算得出，转换误差和腰/端部差异造成的误差较大，而抛光态与打磨态的差异相对较小。随后建立了新型高温螺栓材料里氏硬度与布氏硬度换算关系曲线，即y=0.0003x3－0.311x2+101.27x－10807，为生产现场提供里氏硬度判定依据。关键词：电站；高温螺栓；里氏硬度；布氏硬度中图分类号：TG142.11引言高温螺栓作为火力发电机组的重要连接部件，一旦发生断裂，就会导致发电机组运行故障，特别是汽轮机螺栓的断裂，可能会导致设备损坏甚至人身伤亡事故的发生，威胁到整个机组的安全运行。《火力发电厂金属技术监督规程》规测，大修时需按一定的比例进行硬度抽检，控制高温螺栓的硬度成为评估其安全性，进而提高机组安全稳定运行的监督手段之一。目前现有的标准规程中对高温螺栓材料硬度的控制均采用布氏硬度，但布氏硬度计一般适用于实验室检验，而里氏硬度计因具有易携带、效率高、操作方便等优点，目前已经在电厂的高温螺栓现场硬度检测中普遍使用[1-4]，且广泛采用的是D形冲头的里氏硬度计。硬度是指材料抵抗塑性变形的能力，它不是确定的物理量，没有一致的量纲，不能应用数学方法对不同硬度值进行换算，因此里氏硬度与布氏硬度的换算主要依据经验数据。GB/T17394虽然提供了D形冲头材料弹性模量约等于210GPa时的里氏硬度/布氏硬度换算表格，但是目前大参数发电机组高温紧固螺栓广泛采用的是高温合金和高合金钢锻件，弹性模量与此数值存在差异，并不完全适用该表格。现场使用里氏硬度计测量后自动换算的布氏硬度值往往存在较大误差[5-7]。王智春[9]等人通过对2Cr11NiMoVNbNB螺栓的检测发现，其里氏硬度计的换算值低于布氏硬度计测值。赖福建[10]的研究成果则指出，在319HWB以下里氏硬度计的换算值低于布氏硬度计测值，而且提出硬度范围在248~331HB的螺栓可以采用公式HBW=－278.72+0.996HLD进行修正，但是该公式是基于248~331HB范围内的不同材质螺栓硬度对比试验得出，不符合里氏硬度与材质相关的特性，使用上有一定的局限性[11-12]。文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.012这将影响检测结果的评判，威胁机组的安全稳定运行，也可能因一些分散性或争议性的检测数据，造成不必要的复检成本。因此，如何降低螺栓现场硬度测量数据偏差，提高螺栓硬度检测准确性，减少争议性检测数据，避免采用破坏取样的布氏硬度检测，是现场螺栓检测迫切需要解决的重要课题，也正是本文的主要研究内容。2试验材料与方法采用三种材质的螺栓，分别是2Cr12NiW1Mo1V（简写为CNWMV）、20Cr1Mo1VTiB（简写为CMVTB）和In783，共分为3组，每组每种材质10个，共30个样品。将每个试样的端部和腰部打磨、抛光，分别采用THB-3000MDX型自动布氏硬度计测定其布氏硬度（HBW），采用瑞士EquvtipBambino硬度计测量其里氏硬度换算值（HB-HLD），再将该抛光试样用GWS8-100CE型磨光机打磨处理，模拟电厂现场硬度检测，分别测量其里氏硬度换算值（HB-HLD）及布氏硬度值（HBW）。抛光后的试样经腐蚀后，采用蔡司金相显微镜进行显微组织结构观察。3试验结果及讨论3.1金相检验3.1.12Cr12NiW1Mo1V螺栓试样1材质为2Cr12NiW1Mo1V，直径为26.8mm。2Cr12NiW1Mo1V钢是高碳高铬型冷作模具钢的代表钢号之一，含有极高量（质量分数）的C2.00%~2.30%和Cr11.00%~13.00%，是12%Cr型不锈耐热钢，主要用于制造大型汽轮机高温紧固件，所以有很高的淬透性、淬硬性和耐磨性，淬火变形小，但当碳化物不均匀时，变形量多向性且不规则，组织不良是其主要缺点。2Cr12NiW1Mo1V钢的化学成分如表1所示。服役态20Cr1Mo1VTiB钢螺栓的显微组织结构如图1所示。定，规格大于等于M32的高温螺栓安装前必须进行硬度检.com.cn. All Rights Reserved.·36·2019年第15期

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新表12Cr12NiW1Mo1V钢的化学成分的质量百分比（单位：%）

元素GB/T20410—2006

检测值

C020~0.250.21

Si≤0.500.42

Cr11.0~12.5011.12

Mo0.90~1.250.99

V0.20~0.300.25

Ti≤0.300.22

B≤0.0050.002

1~2级。3.1.220Cr1Mo1VTiB螺栓试样2材质为20Cr1Mo1VTiB，直径为65.5mm。20Cr1Mo1VTiB钢是中国自行研制的高温螺栓用珠光体/贝氏体钢，具有良好的综合力学性能。热加工性能良好，570℃下具有较高的抗松弛性能，缺口敏感性较小，高温持久塑性（a）端部

（b）腰部

较高，淬透性较好，用于制造570℃以下高温螺栓以及阀杆材料。20Cr1Mo1VTiB钢的化学成分如表2所示。服役态20Cr1Mo1VTiB钢螺栓的显微组织结构如图2所示。Mo0.75~1.000.94

V0.45~0.650.52

Ti0.16~0.280.23

B≤0.0050.002

图1服役态2Cr12NiW1Mo1VTiB钢螺栓的显微组织

由图1可见，该螺栓材料金相组织为马氏体型耐热钢，渗碳体分布于晶界上，提高了该钢种的硬度，老化等级为元素GB/T20410—2006

检测值

C0.17~0.230.19

Si0.4~0.60.46

Cr0.90~1.301.03

表220Cr1Mo1VTiB钢的化学成分的质量百分比（单位：%）

由图2可见，该螺栓材料已经严重老化，珠光体团几乎完全分解，碳化物长大，部分沿铁素体晶界半连续分布，球化老化等级4.5～5级。此外，组织中有一些冶金时未完全溶入钢基体中的TiC或Ti（C，N）颗粒，可能导致铁素体基体贫碳，这些都会导致20Cr1Mo1VTiB的硬度降低。3.1.3（a）端部

（b）腰部

图2服役态20Cr1Mo1VTiB钢螺栓的显微组织

.com.cn. All Rights Reserved.In783该螺栓的材质为In783合金，直径67.5mm。In783合金为Ni-Fe-Co基低膨胀合金，其化学成分如表3所示。Ni26~3027

Fe24~2725

Nb2.5~3.52.8

Al4.8~6.25.3

表3In783合金的化学成分的质量百分比（单位：%）

元素GB/T20410—2006

检测值

Cr2.5~3.53.1

Co24~4525

In783合金中的铝含量高，可促使In783合金中析出β（NiAl）相，同时，在In783合金中加入少量铬，虽然合金的热膨胀系数无明显提高，但铬与铝元素一起使合金的抗氧化性能提高，使合金在800℃高温下仍具有完全抗氧化的能力。服役态In783合金螺栓的显微组织结构如图3所示。度计测量其里氏硬度换算值（HLD→B）；将另一组试样抛光后再用GWS8-100CE型磨光机砂轮片打磨处理，模拟电厂现场硬度检测，采用瑞士EquvtipBambino硬度计测量其里氏硬度换算值（HLD→B），再用THB-3000MDX型自动布氏硬度计测定其布氏硬度（HBW）。每个点检测5次，取平均值，检测数据如表4、表5所示。表4不同材质不同表面状态的螺栓腰部检测硬度值材质

HB

CNWMVCMVTBIn783

2.5236350.3

抛光态HB

CNWMVCMVTBIn783

311.6247.4380.3

HLD→B244.6233368

HB305.7236.1374.3

抛光态

HLD→B209.5208.4348.3

HB281.1232.3335.4

打磨态

HLD→B228.8219.6365.2

打磨态

HLD→B214.7211336

（a）端部（b）腰部

图3服役态In783合金螺栓的显微组织

表5不同材质不同表面状态的螺栓端部检测硬度值材质

3.2硬度检验将每组试样的端部和腰部分别用砂轮片打磨、抛光处理，磨抛好的试样分别采用THB-3000MDX型自动布氏硬度计测定其布氏硬度（HBW），采用瑞士EquvtipBambino硬·37·科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation根据表4、表5中的数据，通过以下公式，可以计算出里氏/布氏硬度转换误差、螺栓的不同部位造成的误差以及不同的表面状态的误差值：误差=（HBW－HLD→B）/HBW将计算得出的误差值的占比绘制成柱状图，如图4所示。电厂螺栓硬度现场检测腰部与端部差异值统计如图5所示。电厂螺栓硬度现场检测抛光态与打磨态差异值统计如图6所示。从图4～图6中可以看出，转换误差和腰/端部差异造成的误差较大，而抛光态与打磨态差异相对较小。将三组结果整合计算，得到这三种原因对螺栓硬度测定误差的平均影响占比，如图7所示。图4电厂螺栓硬度现场检测里氏/布氏转化误差值统计图

图5电厂螺栓硬度现场检测腰部与端部差异值统计图

图6电厂螺栓硬度现场检测抛光态与打磨态差异值统计图

图7电厂螺栓硬度现场检测各误差占比统计图

由此可知，转换误差和腰/端部差异对最终结果影响类·38·2019年第15期

似，均在40%左右，研究发现腰端部差异变化大，不定因素多，应通过选择固定部位测定（按标准要求）来解决，而里氏/布氏硬度转换误差有一定规律性，因此根据上述数据，将里氏硬度与布氏硬度换算的关系通过建立模型来预测螺栓现场检测的真实值，为生产现场提供可靠的里氏硬度判定依据，转换模型如图8所示。图8电厂螺栓硬度现场检测里氏/布氏转换模型

4结论本文通过对三种不同材质的螺栓进行了金相检验和硬度检验，包括不同服役态螺栓端部、腰部两个部位在抛光态与打磨态测试条件下的HBW及HB-HLD硬度值，并进行了硬度检测误差数值的对比，确定不同状态下试样HBW及HB-HLD硬度间的关系，建立了新型高温螺栓材料里氏硬度与布氏硬度换算关系曲线，为生产现场提供了可靠的里氏硬度判定依据，得到的主要结论如下：①对于新型高温紧固螺栓，不论是抛光态还是打磨态，其端部的硬度均大于腰部，抛光态硬度略大于打磨态值；②建立新型高温螺栓材料里氏硬度与布氏硬度换算关系曲线，即y=0.0003x3－0.311x2+101.27x－10807，为生产现场提供了可靠的里氏硬度判定依据；③转换误差和腰/端部差异造成的误差较大，而抛光态与打磨态差异相对较小。三组将结果整合计算，得到这三种原因对螺栓硬度测定误差的平均影响占比，转换误差和腰/端部差异对最终结果影响类似，均在40%左右。参考文献：1］，王若民，汤文明，等.螺栓紧固件里氏硬度现场检测误差研究［J］.理化检验（物理分册），2017，53（6）：387-390.2］王勇，董国政，王庆军，等.600MW超临界机组高温螺栓的检验［J］.热加工工艺，2012（41）：78-81.3］齐向前.不同热处理状态下P92钢里氏硬度值与布氏硬度值的对比［J］.理化检验（物理分册），2015（9）：612-614，8.4］杨莉，俄馨，赵江涛，等.里氏硬度计HBS值的测量不确定度评定［J］.计量与测试技术，2013（6）：70-71.5］郑晓凯，夏玉峰，陈勇锋.热锻模具的硬度研究［J］.热加工工艺，2014（8）：106-110.（下转第41页）.com.cn. All Rights Reserved.［［［［［2019年第15期

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新将Li3V1-xCrxO4（x=0.00，0.03）电池在0.1～3V电压范围内采用不同的电流密度进行测试。如图3和图4所示，尽管Cr掺杂Li3VO4样品的首次比容量有所下降，并且在小电流（＜300mA/g）的充放电电流下，Li3V0.97Cr0.03O4的放电比容量都较无掺杂的Li3VO4的低，这可能与Cr较低的电化学活性有关。但当充放电电流增大至600mA/g和1200mA/g时，Li3V0.97Cr0.03O4样品表现出更好的倍率性能和循环性能，在600mA/g的电流下，放电比容量为281mAh/g，20次循环后未见衰减；在1200mA/g的电流下，放电比容量为248mAh/g，20次循环后比容量未见衰减。而未掺杂的样品，在600mA/g的电流下，放电比容量为265mAh/g，20次循环后衰减为259mAh/g，衰减了3%；在1200mA/g的电流下，放电比容量为201mAh/g，20次循环后衰减了8%。类似Ti4+掺杂Li3VO4的情况[7]，掺杂的样品优异的倍率性能和循环性能可能归因于掺杂对颗粒尺寸的细化，同时Cr取代部分的V，导致缺陷增多，晶格畸变，有利于锂离子在晶体结构的快速传导，提高了材料的离子扩散系数。4结论通过溶胶-凝胶法制备了Cr掺杂Li3V0.97Cr0.03O4材料，结果表明，单位掺杂量为0.03时，掺杂样品Li3V0.97Cr0.03O4仍然保持Li3VO4的正交晶系结构。Cr掺杂能细化材料颗粒放电条件下，掺杂样品具有更好的循环稳定性和倍率性能。参考文献：［1］邵高琦.锂离子电池负极材料Li3VO4的制备、改性及其电化学性能研究［D］.武汉：华中科技大学，2016.［2］REDDYMV，SUBBARGV，CHOWDARIBVR.MetaloxidesandoxysaltsasanodematerialsforLiionbatteries［J］.ChemicalReviews，2013，113（7）：53-5457.［3］KAZAKOPOULOSA，KALOGIROUO.EffectofhumidityontheconductionprocessesofLi3VO4［J］.Journalof：4987-4992.MaterialsScience，2009，44（18）［4］SONGXQ，JIAMY，CHENRF.SynthesisofLi3VO4bythecitratesol-gelmethodanditsionicconductivity［J］.JournalofMaterialsProcessingTechnology，2002，120（1）：21-25.［5］梁志勇.新型V-基锂离子电池电极材料的制备及性能研究［D］.广州：华南理工大学，2015.［6］ZHOUJ，ZHAOB，SONGJ，etal.OptimizationofratecapabilityandcyclabilityperformanceinLi3VO4anodematerialthroughcadoping［J］.Chemistry-AEuropeanJournal，2017，23（）：16338-16345.［7］DONGY，DUANH，PARKK，etal.Mo6+dopinginLi3VO4

anodeforli-ionbatteries：significantlyimprovethereversiblecapacityandrateperformance［J］.ACSapplied：27688-27696.materials&interfaces，2017，9（33）［8］MUC，LEIK，LIH，etal.EnhancedconductivityandstructurestabilityofTi4+dopedLi3VO4asanodesforlithium-ionbatteries［J］.TheJournalofPhysical：26196-26201.ChemistryC，2017，121（47）————————，女，广西贵港人，博士研究作者简介：严丹林（1988—）生，讲师，主要研究方向为锂离子电池电极材料。〔编辑：严丽琴〕.com.cn. All Rights Reserved.尺寸，缩短Li离子扩散路径。在大电流（＞300mA/g）充（上接第38页）［6］杨淑荣，郑伟，张利.里氏硬度与洛氏硬度的数值关系［J］.烟台师范学院学报，2002（18）：175-178.［7］张雪峰.应用化学抛光进行大型工件的现场金相检测［J］.热加工工艺，1985（6）：146-152.［8］李久林，尹凯.里氏硬度与其他硬度换算关系的分析与评价［J］.物理测试，1998（4）：12-17.［9］王智春，蔡文河，吴勇，等.便携式里氏硬度计检测紧固件硬度偏差原因分析［J］.华北电力技术，2009（1）：26-29.［10］赖福建.里氏、布氏硬度计测量高温螺栓布氏硬度的对比分析［J］.东方汽轮机，2006（2）：51-55.［11］单晓凤，司春杰.里氏硬度值与布氏硬度值、洛氏硬度值的关系［J］.山东冶金，1999（21）：141-143.［12］丁海东，李付生，张绪平，等.曲率半径对里氏硬度影响的研究［J］.计量与测试技术，2005（32）：19-21.————————作者简介：李小龙（19—），男，安徽合肥人，学士。，男，安徽合肥人，硕士，主要通讯作者：（1991—）研究方向为电厂金属材料失效分析。〔编辑：王霞〕·41·