離心壓縮機用低溫超厚板焊接工藝研究

張思宇，胡冰，張江楠，任鶴

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110021）

近年來，為了適應現代化工業生產要求，大型離心壓縮機的需求越來越明顯，如在石油化工行業大型乙烯機已經達到年產100 萬噸的常用水平，空分壓縮機達到10 萬Nm3/h 的水平及以上，壓縮機用于深海海洋煉油、最近幾年，美國發展的大型頁巖油用壓縮機等。在一般情況下，厚度達到40mm厚的鋼板就已經算是鋼板了，在厚度進一步提升到60mm 厚的鋼板就可以算得上是超厚板，本可以研究的材料（09MnNiDR的實件厚度都達到350mm 厚）。在本人查閱的相關文獻中都尚屬首次。為了進軍現在的國際市場，滿足API 的相關國際標準對我廠離心壓縮機焊接機殼的制造相關要求，其中MCL機殼中分面法蘭材料，在滿足API 體系及ASME 標準的前提下，完成焊接工藝評定。

1 研究內容

針對MCL 機殼中分面法蘭材料，09MnNiD 材料焊縫厚度400mm，焊接試件厚度要達到300mm 以上。

（1）研究方法：依據ASME 中關于第IX 卷焊接工藝評定的標準要求，對09MnNiD、材料進行分析與研究。

（2）試驗方案：通過查閱相關的資料結合對于以前相關工藝的借鑒，制定合理的焊接參數，通過過程控制完成完整合理的焊接工藝評定，得到符合要求的試驗結果，輸出相關文件，實現各項技術指標。

（3）實施方案：首先，閱讀ASME 關于焊接接頭要求的標準制定焊接工藝實施評定指導書，考慮后續發展及生產現狀，合理制定各項參數。其次，利用中分面法蘭鍛件余料下料準備焊接試板，焊后根據不同母材的不同材料進行焊后熱處理。通過采用UT 無損檢測，最后進行力學性能的相關實驗。

（4）可行性分析：各項焊接工藝評定在焊接操作、焊后的熱處理、焊后無損探傷、性能試件的理化試驗過程中，需要工藝人員按照ASME 標準控制各工序進行。

（5）結果分析：從焊縫的性能和組織兩個方面進行分析。性能根據試驗的結果，找到超厚焊縫性能的變化規律。組織分析通過體式金相顯微鏡觀察受多次焊接熱循環作用的焊縫微觀組織，研究相關組織對于材料力學性能的影響。

（6）結果輸出：根據試驗結果輸出滿足API 體系ASME標準的PQR 及WPS。提交相關的焊接工藝評定資料及實驗結果數據分析、總結報告并存檔應用于生產實際。

超厚09MnNiDR 焊接試驗板的焊接接頭性能分析，母材的化學成分，見表1。

焊接試板的熱處理：焊接實驗板在焊后尚有余溫的情況下，利用燃氣消應力爐進行消應力處理。消應力工藝見圖1。

圖1 09MnNiDR 焊后消應力退火熱處理工藝曲線

2 性能試驗

（1）09MnNiDR 材料焊接工藝評定取樣為14 層，每層厚度均為20mm，力學性能試驗結果分別材料焊接接頭拉伸力學性能，共有試件14 組，28 件，最小的屈服強度在300MPa，抗拉強度515MPa，完全滿足材料的性能要求。

（2）09MnNiDR 材料的彎曲性能，同樣是14 組共28 件，試驗側彎180°，彎軸直徑38mm，所有側彎試件均為出現裂紋，全部合格。

（3）09MnNiDR 材料的焊縫及熱影響區-70℃沖擊韌試驗，V 口，共28 組共84 個試件，最低的沖擊韌性在68J，完全滿足了對材料低溫韌性的要求。

表1 09MnNiD 鋼的化學成分(質量分數，%)

（4）金相分析，選取不同層次進行金相分析焊縫熱影響區母材不同位置的金相照片如圖2。

圖2 不同位置組織結構

3 結果分析

實際生產中，材料的低溫沖擊性能往往是最被關注的，往往熱影響區是焊縫的最薄弱環節，圖3 為09MnNiD 與壓縮機常用材料的材料熱影響區沖擊功對比圖，可以看出，09MnNiD 焊接熱影響區的沖擊功都遠大于標準值，甚至高于最常用的Q345R，熱影響區的性能能滿足要求。

圖3 09MnNiD 與常用材料熱影響區沖擊功對比圖

4 結語

（1）試驗選取的材料超大厚度焊接試板經焊接工藝評定均合格，在滿足ASME IV 卷要求下，產品焊縫所能覆蓋的厚度為：09MnNiD 400mm。

（2）形成了09MnNiD 的焊接工藝評定報告（PQR）及焊接工藝文件焊接工藝指導書（WPS），此WPS 已在120 萬噸乙烯產品中應用，該產品已經于交付客戶使用。

（3）通過對焊接不同層數下，焊接熱輸入及對力學性能及金相組織的對比分析，得出采用混合氣體保護焊的過程中必須嚴格控制熱輸入量，才能獲得更好的焊接接頭性能。

（4）通過本項目輸出的焊接工藝評定報告已經過API年審驗證通過，試驗所選方案及結果符合API 要求，為集團公司后續發展做了重要的技術儲備。