CN113933194A - 在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及蒸汽管道焊接检测领域，具体涉及一种在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，包括如下步骤：标记熔合线位置、测试维氏硬度、测试抗拉强度、提取有效数据、取最终值。本发明的优点在于：可用来准确监督焊接接头软化区的硬度和强度变化，为评估焊接接头安全性提供依据，本发明解决了传统里氏硬度和布氏硬度测试方法无法准确测试接头软化区硬度的问题和无法直接测试接头软化区抗拉强度的问题，具有在线测试、无需破坏性取样和无需准确定位软化区等优点，非常适合于蒸汽管道焊接接头软化区的硬度和抗拉强度测试，为接头整体性能评估提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及蒸汽管道焊接检测领域，具体涉及一种在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法。
背景技术
火力发电机组高温部件大量使用焊接的方式进行连接，焊接接头的安全性成为重中之重。然而，焊接接头经焊后热处理后，热影响区会形成一定范围的软化区(硬度和强度低于母材的区域)。尤其是9％Cr耐热钢，其焊接接头的软化区在高温服役过程中，组织和性能会发生加速劣化，成为接头的薄弱位置，导致早期失效。研究发现，9％Cr钢经过焊接和焊后热处理后，焊接接头的细晶区硬度偏低，低于两侧的母材、焊缝及其他热影响区。但是在未服役时，硬度偏低不显著。服役过程中，母材、焊缝和热影响区的硬度均会降低，但细晶区的硬度下降更快，导致软化区性能急剧恶化，造成接头整体性能的下降。
焊接接头热影响区依焊接时所经历的峰值温度高低分为：粗晶区、细晶区、临界区和过回火区四个亚区。常规的焊接方法形成的热影响区宽度为5～10mm，而细晶区的宽度仅有1～3mm。常规的金属监督过程中使用里氏硬度计或布氏硬度计测试热影响区的硬度，存在几个方面的问题：(1)测试位置难以准确定位；(2)测试压痕较大，往往超出细晶区的范围；(3)里氏硬度计测试存在较大的偏差。因此，以常规的里氏硬度和布氏硬度试验方法难以准确测量出软化区的硬度。
传统的强度测试方法需要取样进行拉伸试验，由于焊接接头的焊缝和热影响区连成一个整体且各部分的尺寸相对较小，无法对焊接接头的焊缝和热影响区单独取样进行拉伸试验。且对焊接接头的取样测试会破坏接头的完整性，属于破坏性取样。因此，现有的方法无法准确测试焊接接头软化区的强度。
现有技术中，例如公开号为CN110052732A的中国发明专利公开了一种精确定位焊接热影响区软化区的方法，按以下步骤进行：(1)将热模拟试验机的S型热电偶焊接在待焊接样品上；(2)进行焊接模拟加热；(3)将模拟焊接样品切割制成待测试样品；待测试样品从轴线到两边依次排列有粗晶区、细晶区、临界区和母材；(4)热处理；(5)根据硬度测试标准进行硬度测试；测得的各组硬度值中的分别取平均值；(6)母材中最小平均硬度值作为标准硬度值；低于标准硬度值的各测试点所在区域，确定为软化区。但是该方法是基于热模拟试验对小试样进行测试以确定热影响区软化区的位置。不涉及大管道上软化区的性能检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：
传统方法无法测试在役管道焊接接头软化区强度，硬度和强度检测结果不精确，以及传统方法无法在线检测、具有破坏性、需要精确定位软化区等技术问题。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，包括如下步骤：
s1、标记熔合线位置
打磨管道焊接接头，利用腐蚀剂腐蚀管道焊接接头，显示出熔合线，标记熔合线位置，需进行硬度和强度检测的区域为待测区域，打磨待测区域，消除表面的腐蚀层；
s2、测试维氏硬度
测试焊接接头热影响区及母材的维氏硬度，热影响区为熔合线到母材10mm宽度范围，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成20-45°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距为1-1.5mm，测试8-12个点之后，沿平行于管道轴向方向测试3-5个点，上述沿平行于管道轴向方向测试的结果为母材硬度值的第一组数据，与第一组数据测点平行地再测2-3组数据，相邻两组之间间隔10-15mm；
s3、测试抗拉强度
测试焊接接头热影响区及母材的抗拉强度，热影响区为熔合线到母材10mm宽度范围，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成20-45°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距为1.5-2mm，测试6-10个点之后，沿平行于管道轴向方向测试3-5个点，上述沿平行于管道轴向方向测试的结果为母材抗拉强度值的第一组数据，与第一组数据测点平行地再测2-3组数据，相邻两组之间间隔10-15mm；
s4、提取有效数据
计算每一组数据中母材的平均硬度、抗拉强度，对比每组热影响区硬度、抗拉强度和母材平均硬度、抗拉强度，同一组数据中热影响区硬度、抗拉强度至少存在两个低于母材平均硬度、抗拉强度98％的测点，表示该组测试结果有效；
否则，测试结果无效；
需保证有效数据不低于两组，若有效数据低于两组则需增加测试数据；
s5、取最终值
取各组有效测试数据中热影响区的最低硬度的平均值作为软化区硬度，取各组有效测试数据中热影响区的最低抗拉强度的平均值作为软化区抗拉强度。
本发明公开的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法在实际应用中，可用来准确监督焊接接头软化区的硬度和强度变化，为评估焊接接头安全性提供依据，本发明解决了传统里氏硬度和布氏硬度测量方法无法准确测试在役焊接接头软化区硬度的问题和无法直接测试接头软化区抗拉强度的问题，具有在线测试、无需破坏性取样和无需准确定位软化区等优点，非常适合于蒸汽管道焊接接头软化区的硬度和抗拉强度测试，为接头整体性能评估提供依据。
优化的，步骤s1中，打磨范围为从焊缝到母材45-55mm。
优化的，步骤s1中，利用100#、200#、300#、400#、600#和1000#砂纸依次打磨，然后利用金刚石研磨膏对表面进行抛光。
优化的，步骤s1中，针对低合金耐热钢，采用硝酸酒精溶液进行腐蚀；
针对9-12％Cr马氏体耐热钢利用三氯化铁盐酸溶液进行腐蚀。
优化的，步骤s1中利用1000#砂纸打磨消除表面的腐蚀层。
优化的，所述步骤s2、s3中，利用便携式压痕力学性能检测仪测试焊接接头热影响区及母材的维氏硬度和抗拉强度。
优化的，不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试顺序交叉进行。
优化的，不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试位置交叉间隔布置。
优化的，所有组硬度测试完成后，再进行抗拉强度测试；
或者，所有组抗拉强度测试完成后，再进行硬度测试。
优化的，硬度测试3组数据，相邻两组之间间隔10mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成30°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1mm，测试10个点之后，沿平行于管道轴向方向测试5个点；
抗拉强度测试3组数据，相邻两组之间间隔10mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成30°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1.5mm，测试8个点之后，沿平行于管道轴向方向测试5个点。
本发明的优点在于：
本发明公开的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法在实际应用中，可用来准确监督焊接接头软化区的硬度和强度变化，为评估焊接接头安全性提供依据，具有以下优点：
(1)本发明针对传统里氏硬度和布氏硬度测试方法压痕尺寸较大，而热影响区软化区宽度较窄难以定位的问题，提出基于压痕尺寸更小的便携力学性能检测仪进行热影响区软化区硬度测试的方法，通过采用与管道轴向成一定角度的测试点位布置，增加了热影响区测试的空间，提高了测试到软化区位置的几率。通过合理的测试点位布置，建立了测试结果的判断准则，无需准确定位接头软化区的位置即可测得软化区的硬度。
(2)本发明针对传统力学性能测试方法需要破坏性取样，且无法测试热影响区微区的力行性能的问题，提出基于便携式力学性能检测仪在线检测焊接接头软化区的抗拉强度的方法。采用与管道轴向一定角度的测试点位布置，增加了热影响区测试的空间，提高了测试到软化区位置的几率。通过合理的测试点位布置，建立测试结果的判断准则，无需准确定位接头软化区的位置即可获得软化区的抗拉强度。
(3)本发明的检测方法具有在线测试、无需破坏性取样和无需准确定位软化区等优点，非常适合于蒸汽管道焊接接头软化区的硬度和抗拉强度测试，为接头整体性能评估提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例中焊接接头纵截面示意图；
图2为本发明实施例中硬度和强度测试点分布示意图(管道外壁俯视图)；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
某电厂主蒸汽管道材质为P92钢，规格为φ550×90mm，运行温度为601℃，运行时间约7万小时。现对其某一弯头出口侧焊接接头进行检测，测试其软化区的硬度和强度，图2所示的为本实施例中焊接接头测试点位示意图，具体检测方法如下：
一种在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，包括如下步骤：
s1、标记熔合线位置
打磨管道焊接接头以去除氧化皮，打磨范围为从焊缝到母材，打磨宽度为50mm，利用100#、200#、300#、400#、600#和1000#砂纸依次打磨，然后利用金刚石研磨膏对表面进行抛光。
然后利用腐蚀剂腐蚀抛光后的焊接接头表面，具体是利用三氯化铁盐酸溶液进行腐蚀，显示出熔合线，标记熔合线位置，需进行硬度和强度检测的区域为待测区域，打磨待测区域，消除表面的腐蚀层，具体是利用1000#砂纸打磨消除表面的腐蚀层；
s2、测试维氏硬度
测试焊接接头热影响区及母材的维氏硬度，热影响区为熔合线到母材10mm宽度范围，如图2所示，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成30°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1mm，测试10个点之后，沿与轴向平行方向测试5个点(以此5点测试结果作为母材硬度)。以同样的方式间隔10mm再测2组数据，测试后记录检测数据；
三组硬度数据测试完成后，再进行抗拉强度测试：
s3、测试抗拉强度
测试焊接接头热影响区及母材的抗拉强度，热影响区为熔合线到母材10mm宽度范围，如图2所示，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成30°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1.5mm，测试8个点之后，沿与管道轴向平行方向测试5个点(以此5点测试结果作为母材抗拉强度)。以同样的方式间隔10mm再测2组数据，测试后记录检测数据；
如图2所示，本实施例中，不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试位置交叉布置。
所述步骤s2、s3中，利用便携式压痕力学性能检测仪测试焊接接头热影响区及母材的维氏硬度和抗拉强度，便携式压痕力学性能检测仪具体采用AIS 3000 Compact压痕力学性能检测仪。
s4、提取有效数据
计算每一组数据中母材的平均硬度、抗拉强度，对比每组热影响区硬度、抗拉强度和母材平均硬度、抗拉强度，同一组数据中热影响区硬度、抗拉强度至少存在两个低于母材平均硬度、抗拉强度98％的测点，表示该组测试结果有效；
否则，测试结果无效；
需保证有效数据不低于两组，若有效数据低于两组则需增加测试数据；
s5、取最终值
取各组有效测试数据中热影响区的最低硬度的平均值作为软化区硬度，取各组有效测试数据中热影响区的最低抗拉强度的平均值作为软化区抗拉强度。
本实施例中硬度的测试结果如表1所示。由表可见，三组数据中热影响区硬度测试结果均存在两个以上测点硬度值低于同一组母材硬度平均值98％的测点，表明热影响区软化区硬度测试有效，计算得到P92接头软化区的硬度为195HV。
表1硬度测试结果
本实施例中的抗拉强度测试结果如表2所示。由表可见，第2组数据热影响区抗拉强度测试结果均高于母材抗拉强度平均值的98％，说明热影响区测试点未落在软化区，因此，第二组数据无效。取第1组和第3组有效数据计算得到P92接头软化区的抗拉强度为618MPa。
表2抗拉强度测试结果
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：
本实施例中，不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试顺序交叉进行；即测试一组硬度数据后，紧接着进行一组抗拉强度测试，随后再测试第二组硬度数据，然后进行第二组抗拉强度测试。
其中，打磨宽度为45mm，硬度测试2组数据，相邻两组之间间隔12mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成20°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1.5mm，测试8个点之后，沿与管道轴向平行方向测试3个点；抗拉强度测试2组数据，相邻两组之间间隔12mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成20°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距2mm，测试6个点之后，沿与管道轴向平行方向测试3个点。
实施例三：
本实施例与实施例一的区别在于：
本实施例中，不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试顺序交叉进行；即测试一组抗拉强度数据后，紧接着进行一组硬度测试，随后再测试第二组抗拉强度数据，然后进行第二组硬度测试。
其中，打磨宽度为55mm，硬度测试2组数据，相邻两组之间间隔15mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成45°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1.5mm，测试12个点之后，沿与管道轴向平行方向测试4个点；抗拉强度测试2组数据，相邻两组之间间隔15mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成45°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距2mm，测试10个点之后，沿与管道轴向平行方向测试4个点。
压痕法力学性能检测仪可用于在线检测微区的力学性能。通常，测维氏硬度的压痕对角线宽度约为0.56mm，变形区宽度约1mm；测试抗拉强度的压痕直径约0.5mm，变形区约1.5mm。热影响区的宽度约5～10mm，而软化区的宽度约为2～3mm。因此，以压痕法测试时，即使定位非常精确，在其宽度方向一条线上也只能测试1～2个点。因此，以与管道轴向成一定角度方向进行测试可以增加热影响区的测点数量，提高测试点位覆盖软化区的几率。在役管道焊接接头软化区的位置难以精确定位。本发明分析了大量试验数据，焊接接头软化区的硬度和强度通常低于母材硬度的98％，以此可以判断热影响区测试结果是否覆盖到软化区，避免了软化区定位的难题。本发明公开的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法在实际应用中，可用来准确监督焊接接头软化区的硬度和强度变化，为评估焊接接头安全性提供依据，本发明解决了传统里氏硬度和布氏硬度测试方法无法准确测试接头软化区硬度的问题和无法直接测试接头软化区抗拉强度的问题，具有在线测试、无需破坏性取样和无需准确定位软化区等优点，非常适合于蒸汽管道焊接接头软化区的硬度和抗拉强度测试，为接头整体性能评估提供依据。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
s1、标记熔合线位置
打磨管道焊接接头，利用腐蚀剂腐蚀管道焊接接头，显示出熔合线，标记熔合线位置，需进行硬度和强度检测的区域为待测区域，打磨待测区域，消除表面的腐蚀层；
s2、测试维氏硬度
测试焊接接头热影响区及母材的维氏硬度，热影响区为熔合线到母材10mm宽度范围，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成20-45°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距为1-1.5mm，测试8-12个点之后，沿平行于管道轴向方向测试3-5个点，上述沿平行于管道轴向方向测试的结果为母材硬度值的第一组数据，与第一组数据测点平行地再测2-3组数据，相邻两组之间间隔10-15mm；
s3、测试抗拉强度
测试焊接接头热影响区及母材的抗拉强度，热影响区为熔合线到母材10mm宽度范围，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成20-45°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距为1.5-2mm，测试6-10个点之后，沿平行于管道轴向方向测试3-5个点，上述沿平行于管道轴向方向测试的结果为母材抗拉强度值的第一组数据，与第一组数据测点平行地再测2-3组数据，相邻两组之间间隔10-15mm；
s4、提取有效数据
计算每一组数据中母材的平均硬度、抗拉强度，对比每组热影响区硬度、抗拉强度和母材平均硬度、抗拉强度，同一组数据中热影响区硬度、抗拉强度至少存在两个低于母材平均硬度、抗拉强度98％的测点，表示该组测试结果有效；
否则，测试结果无效；
需保证有效数据不低于两组，若有效数据低于两组则需增加测试数据；
s5、取最终值
取各组有效测试数据中热影响区的最低硬度的平均值作为软化区硬度，取各组有效测试数据中热影响区的最低抗拉强度的平均值作为软化区抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：步骤s1中，打磨范围为从焊缝到母材45-55mm。
3.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：步骤s1中，利用100#、200#、300#、400#、600#和1000#砂纸依次打磨，然后利用金刚石研磨膏对表面进行抛光。
4.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：步骤s1中，针对低合金耐热钢，采用硝酸酒精溶液进行腐蚀；
针对9-12％Cr马氏体耐热钢利用三氯化铁盐酸溶液进行腐蚀。
5.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：步骤s1中利用1000#砂纸打磨消除表面的腐蚀层。
6.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：所述步骤s2、s3中，利用便携式压痕力学性能检测仪测试焊接接头热影响区及母材的维氏硬度和抗拉强度。
7.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试顺序交叉进行。
8.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：不同组的硬度测试和抗拉强度测试的测试位置交叉间隔布置。
9.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：所有组硬度测试完成后，再进行抗拉强度测试；
或者，所有组抗拉强度测试完成后，再进行硬度测试。
10.根据权利要求1所述的在役蒸汽管道焊接接头软化区硬度和强度检测方法，其特征在于：
硬度测试3组数据，相邻两组之间间隔10mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成30°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1mm，测试10个点之后，沿平行于管道轴向方向测试5个点；
抗拉强度测试3组数据，相邻两组之间间隔10mm，测试时从熔合线开始，沿与管道轴向成30°角直线向母材侧逐点进行测试，测点间距1.5mm，测试8个点之后，沿平行于管道轴向方向测试5个点。
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