P91钢管道已广泛应用于火电厂主蒸汽管道等高温高压管道上，一些标准只规定了P91钢管道硬度不超过250HB，但在安装测试过程中频繁发现一些管道硬度低，即部分管道硬度远低于250HB，甚至小于150HB。

在某火电厂1号机本体疏水管道安装过程中，金属检测人员在安装前检测中发现部分小口径P91钢管道硬度远低于标准值，经第三方检测公司、厂家确认后，进行换管处理。笔者采用一系列理化检验方法分析了硬度偏低的原因，避免了安装后发现不合格造成的返工损失，以及造成安全隐患。

 

01理化检验

1.1 化学成分分析

 P91钢疏水管规格（外径×壁厚，下同）分别为76mm×8mm、60mm×7mm、48mm×5mm、48mm×6mm、21mm×4.5mm、60mm×5.5mm、34mm×4.5mm，所提供的质量证明书中显示钢管的各项性能均符合要求。按照DL/T 991—2006《电力设备金属光谱分析技术导则》，安装前对这些钢管进行光谱分析，符合性检测只分析标志性元素，结果如表1所示。由表1可知：其合金成分符合产品标准ASME SA-335/335M—2017《高温用无缝铁素体合金钢管规范》的要求。

 

 

1.2 硬度测试

安装前按照GB/T 17394.1—2014《金属材料 里氏硬度测试 第1部分：试验方法》，用便携式里氏硬度计进行硬度测试，结果显示：除规格为48mm×5mm的管子外，其余管子硬度均满足标准要求190~250HBW。该管子的硬度均为131~142HBHLD，远低于美标要求。根据DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》的要求，扩大检验范围、增加打磨深度后，复测结果与原数据接近。按照GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用便携式布氏硬度计复核，抽检的4根钢管硬度分别为159，162，166，171HB，结果依然低于美标要求。

将上述结果反馈给该批钢管供应商后，从现场截取1段规格为48mm×5mm的管子，拿到供应商理化检验部门进行复核，供应商给出的硬度为215 HV10，该值符合ASME SA-335/335M—2017的要求，据此供应商认为该批管子无问题。

为了进一步确认，另取一段管子送至第三方检测单位进行检测。第三方检测单位采用AT250DR-NX型布氏硬度计，按照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1 部分：试验方法》，用维氏硬度计进行硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：试样硬度不符合ASME SA-335/335M—2017的要求。

 

 

1.3 金相检验

按照DL/T 884—2019《火电厂金相检验与评定技术导则》，用光学显微镜对钢管试样进行金相检验，结果发现除外壁有轻微的脱碳层外，靠近内壁侧组织为铁素体+粒状贝氏体+相变组织 ( 见图1)，靠近外壁侧组织为铁素体+ 相变组织（见图2）。根据GB 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》，10Cr9Mo1VNbN（相当于ASME SA-335 P91）钢管的显微组织应为回火马氏体或保持马氏体位相的回火索氏体，该试样显微组织显然不符合标准要求。

 

 

02综合分析

2.1 便携式里氏硬度计测试硬度偏差较大原因

现场用里氏硬度计测试规格为48mm×5mm的P91钢管，硬度均为131~142HBHLD，与第三方检测单位所测的162HB偏差较大，认为第三方检测单位的检测结果更接近真实值，造成这一偏差的原因为管子的尺寸。

由于该管曲率半径较小、管壁较薄，结合里氏硬度测试原理，测试结果会出现偏差。根据TIME5300型里氏硬度计使用说明书，在里氏硬度测试时，当试件曲率小于一定值时，冲头落在试件曲面较落在平面会产生距离偏差。测试薄壁试件时，会出现试件变形或移动的情况。为解决曲率和壁厚引起的偏差，当测试表面曲率半径小于30mm时，应使用随机配带的小支承环测试，以保持杆状硬度计稳定。

根据材料的弹性模量、合金类型、热处理状态等对各种材料进行分类，材料不同，里氏硬度换算为布氏、洛氏、维氏硬度的值也不同。依据GB/T 17394.4—2014《金属材料 里氏硬度试验 第4部分：硬度值换算表》及里氏硬度计内部设置均可进行换算，但二者仅有碳钢、低合金钢、铸钢的换算关系，并无针对P91钢的换算方法，所以换算值实质是依据低合金钢换算表得到的。P91钢管布氏硬度小于180HB，用便携式里氏硬度计测量里氏硬度，然后经换算表换算出的里氏硬度值或者仪器直读的里氏硬度值要比台式布氏硬度计测量值小20HB左右，即里氏硬度为140 HBHLD（425 HLD）左右换算为布氏硬度，值为160 HB。相较于美标和硬度合格的P91钢管，低硬度P91钢管因马氏体板条消失和碳化物析出导致位错强化及固溶强化效果的减弱，使其屈强比降低，因此现场用里氏硬度计测得的里氏硬度比实际布氏硬度低。另外，虽然现场用便携式布氏硬度计测得的布氏硬度与第三方检测单位的检测结果接近，但是也不能完全相信，因为该仪器在现有压头条件下，要求被测试件厚度不小于8mm，故其测试值仅可供参考。

2.2 测试结果不同原因

经了解，供应商只在试样管上测试了1个点的硬度（硬度为215 HV10）就判定试样符合要求。首先只取1 点的测试结果不具有代表性，维氏硬度测试压痕直径仅约为0.3mm，从现场及第三方检测单位的测试结果看，该批管子组织、硬度不均匀分布，不排除出现个别点硬度不符合标准的情况。其次，仅测试维氏硬度的说服力不强，第三方检测单位增加了布氏硬度测试、金相检验，得出的结果更为可靠。

2.3 管道硬度、显微组织异常原因

由第三方检测单位的测试结果可知，该管硬度低主要是因为显微组织异常，其中的铁素体硬度远低于正常组织中的回火马氏体硬度。P91钢管显微组织产生异常的原因主要是热处理过程控制不当，以及切削加工余量不足，使表面脱碳层残留。在所取试样中，外壁有轻微的脱碳层，主要的异常组织在内部，其靠近外壁侧组织与低硬度P91 钢组织相似，研究人员发现试样组织基体为等轴状铁素体+碳化物，弥散分布的为M23C6 型碳化物颗粒、Laves相和少量的Z相。这一结论相当于第三方检测单位显微组织判定的深化，M23C6型碳化物、Laves 相、Z相就是相变组织。靠管内壁侧显微组织含有粒状贝氏体是就其形态而言的，粒状贝氏体的特征是大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛样的复相组织（相变组织），故靠管内壁侧组织也可称为铁素体+相变组织。形成上述异常组织的可能原因为：①正火时冷却速率慢，冷却速率低于9℃/min就有先共析铁素体产生，冷却速率慢到一定程度没有马氏体产生；② 回火温度过高，随着温度的升高，马氏体再结晶形成铁素体。

 

03结论

（1）1号机本体疏水管道中P91钢、规格为48mm×5mm管子的显微组织、硬度均未达到标准要求，属于不合格产品。

（2）便携式里氏硬度计检测结果出现差异的原因为：试样曲率和壁厚太小，且未使用支撑环；硬度换算方式不正确，应根据DL/T 1845—2018《电力设备高合金钢里氏硬度试验方法》表A.1推荐的换算值进行换算。

（3）鉴于P91钢管道易产生制造缺陷，在安装前应综合采用硬度测试、金相检验等多种手段对P91钢管道进行检验，以避免不合格管道用于机组设备中。

 

来源：理化检验物理分册

关键词： P91钢管道