作为火电厂锅炉钢管用钢，P91钢管具有良好的高温持久性、抗蠕变性和冲击韧性，焊接性能和工艺性能优良，抗氧化性、抗高温蒸汽腐蚀性强，且热膨胀系数低、导热性和组织稳定性好，综合性能优良^[1]。若P91钢管硬度低，会导致其持久强度不足，直接影响管道使用寿命及机组运行的安全性。在现场检验过程中，发现P91钢管外表面存在脱碳层，导致硬度测试值偏低，若不进行正确的综合检验而直接判废，易导致误判，带来较大的经济损失。本文结合近2 a检测中硬度偏低的P91钢管的检测结果，对某电厂超临界机组检修过程中发现的P91钢管表面硬度偏低现象进行分析，以防发生检验误判，造成不必要的经济损失。

在某超临界机组检修过程中，对主蒸汽管道进行硬度检测时，发现1根内径273 mm，壁厚30 mm的P91直管硬度值低于《DL/T 438—2009 火力发电厂金属技术监督规程》^[2]要求值。检验依照《GB/T17394—1998 金属里氏硬度试验方法》^[3]进行，分别使用3种不同型号的里氏硬度计对该钢管3个截面不同方向进行测试，测试数值见表 1。表 1中数据显示，不同硬度计对钢管不同截面、不同方向测试所得数据，数值均匀，离散性较小。根据DL/T 438—2009，P91钢管布氏硬度值范围应为180~250^[2]，因此初步判定此根钢管硬度值低于标准值。

表1(Table 1)

表 1 P91主汽直管3个截面不同方向布氏硬度值（平均值）

表 1 P91主汽直管3个截面不同方向布氏硬度值（平均值）

对上述硬度值偏低管道取样进行化学成分分析，分析数据见表 2。由表中数据可知，该钢管化学成分中各化学元素质量分数均符合《ASTM 335/335M—2010 Standard Specification for SeamlessFerritic Alloy-Steel Pipe For High-TemperatureService》^[4]标准要求，未见异常。

表2(Table 2)

表 2 钢管各化学元素质量分数检测数据

表 2 钢管各化学元素质量分数检测数据

对该钢管切管制样，纵向和横向分别取3个拉伸和冲击试样，进行室温力学试验（结果见表 3），管道的室温力学性能皆符合标准^[4]，冲击韧性良好。

表3(Table 3)

表 3 室温力学性能（平均值）

表 3 室温力学性能（平均值）

将钢管沿横截面取样，抛光并腐蚀，使用Wilson TUKON2500型自动维氏硬度计沿径向从外表面向内测试，试验数据见图 1。

图1(Figure 1)

图1 试样截面维氏硬度分布图

图 1显示，试样外表面维氏硬度约为150，随着由表及里深度的增加，硬度值增大，当深度大于1.72 mm 时，硬度值趋于稳定，为255。根据标准ASTM A335/335M要求，P91钢管维氏硬度值范围应为196~265^[4]，结合现场检验数据，可以判定钢管基体硬度符合标准要求，但外表面硬度偏低。

对管道横截面和外表面进行金相分析，结果如图 2，其靠近外表面的组织为铁素体加回火马氏体，属于外表面脱碳现象。

图2(Figure 2)

图2 管道横截面及外表面金相组织

（1） 钢在加热或保温过程中，由于周围氧化气氛的作用，钢材表面会发生脱碳，造成表面碳质量分数降低，其化学反应式如下：

2Fe₃C+O₂⇌6Fe+2CO，

Fe₃C+2H₂⇌3Fe+CH₄，

Fe₃C+H₂O⇌3Fe+CO+H₂，

Fe₃C+CO₂⇌3Fe+2CO。

（2） 影响钢脱碳的因素有钢料的化学成分、加热温度、保温时间和煤气成分等。钢表层脱碳将大大降低材料的表面硬度^{[5, 6]}。

（3） 在钢管的生产加工过程中，脱碳层会作为表面缺陷以切削加工余量的方法去除。但若加工余量设计不足，可能会使表面脱碳层残留，影响表面力学性能。结合维氏硬度测试数据，确定该钢管的脱碳层深度约为1.7 mm。

综上所述，此P91钢管基体硬度符合标准，但由于表面存在脱碳层，造成检测结果低于标准值。

在近2 a的检验过程中，硬度值低于标准值的P91钢管共19根，具体如表 4。对每根钢管都做了金相检验，发现均存在铁素体组织。对每根钢管重新打磨，根据不同的钢管壁厚打磨厚度为1.5~2.2mm，分数次打磨，每次打磨0.5 mm左右；每打磨1次，进行1次硬度检验。结果为管道硬度值随打磨深度增加而增大，打磨至一定深度后硬度值符合标准要求，铁素体组织消失。

表4(Table 4)

表 4 硬度值低于标准值的P91钢管检测结果

表 4 硬度值低于标准值的P91钢管检测结果

通过表 4，可以推断P91钢管因表面脱碳导致硬度偏低的现象比较普遍，将表面脱碳层打磨掉，硬度值一般会符合标准要求。

P91钢管因表面存在脱碳层而导致硬度降低的现象较普遍，现场检验过程中如发现钢管硬度低于标准值要求时，不可急于下结论，应先做金相检验，判别表面是否存在脱碳铁素体，以防发生误判，造成不必要的经济损失。检测时若钢管不存在脱碳现象，可判定检测结果为管道基体的真实测试值。若存在铁素体，应在不影响钢管使用寿命的情况下向深处打磨：若随深度增加硬度值增大，且显微镜下观察铁素体区域减小，则此钢管存在表面脱碳层，除掉脱碳层后硬度可能会符合标准要求；若随深度增加钢管硬度值和铁素体区域变化不大，则此根钢管可能是由于热处理不当导致硬度偏低。