离心压缩机用低温超厚板焊接工艺研究

张思宇，胡冰，张江楠，任鹤

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110021）

近年来，为了适应现代化工业生产要求，大型离心压缩机的需求越来越明显，如在石油化工行业大型乙烯机已经达到年产100 万吨的常用水平，空分压缩机达到10 万Nm3/h 的水平及以上，压缩机用于深海海洋炼油、最近几年，美国发展的大型页岩油用压缩机等。在一般情况下，厚度达到40mm厚的钢板就已经算是钢板了，在厚度进一步提升到60mm 厚的钢板就可以算得上是超厚板，本可以研究的材料（09MnNiDR的实件厚度都达到350mm 厚）。在本人查阅的相关文献中都尚属首次。为了进军现在的国际市场，满足API 的相关国际标准对我厂离心压缩机焊接机壳的制造相关要求，其中MCL机壳中分面法兰材料，在满足API 体系及ASME 标准的前提下，完成焊接工艺评定。

1 研究内容

针对MCL 机壳中分面法兰材料，09MnNiD 材料焊缝厚度400mm，焊接试件厚度要达到300mm 以上。

（1）研究方法：依据ASME 中关于第IX 卷焊接工艺评定的标准要求，对09MnNiD、材料进行分析与研究。

（2）试验方案：通过查阅相关的资料结合对于以前相关工艺的借鉴，制定合理的焊接参数，通过过程控制完成完整合理的焊接工艺评定，得到符合要求的试验结果，输出相关文件，实现各项技术指标。

（3）实施方案：首先，阅读ASME 关于焊接接头要求的标准制定焊接工艺实施评定指导书，考虑后续发展及生产现状，合理制定各项参数。其次，利用中分面法兰锻件余料下料准备焊接试板，焊后根据不同母材的不同材料进行焊后热处理。通过采用UT 无损检测，最后进行力学性能的相关实验。

（4）可行性分析：各项焊接工艺评定在焊接操作、焊后的热处理、焊后无损探伤、性能试件的理化试验过程中，需要工艺人员按照ASME 标准控制各工序进行。

（5）结果分析：从焊缝的性能和组织两个方面进行分析。性能根据试验的结果，找到超厚焊缝性能的变化规律。组织分析通过体式金相显微镜观察受多次焊接热循环作用的焊缝微观组织，研究相关组织对于材料力学性能的影响。

（6）结果输出：根据试验结果输出满足API 体系ASME标准的PQR 及WPS。提交相关的焊接工艺评定资料及实验结果数据分析、总结报告并存档应用于生产实际。

超厚09MnNiDR 焊接试验板的焊接接头性能分析，母材的化学成分，见表1。

焊接试板的热处理：焊接实验板在焊后尚有余温的情况下，利用燃气消应力炉进行消应力处理。消应力工艺见图1。

图1 09MnNiDR 焊后消应力退火热处理工艺曲线

2 性能试验

（1）09MnNiDR 材料焊接工艺评定取样为14 层，每层厚度均为20mm，力学性能试验结果分别材料焊接接头拉伸力学性能，共有试件14 组，28 件，最小的屈服强度在300MPa，抗拉强度515MPa，完全满足材料的性能要求。

（2）09MnNiDR 材料的弯曲性能，同样是14 组共28 件，试验侧弯180°，弯轴直径38mm，所有侧弯试件均为出现裂纹，全部合格。

（3）09MnNiDR 材料的焊缝及热影响区-70℃冲击韧试验，V 口，共28 组共84 个试件，最低的冲击韧性在68J，完全满足了对材料低温韧性的要求。

表1 09MnNiD 钢的化学成分(质量分数，%)

（4）金相分析，选取不同层次进行金相分析焊缝热影响区母材不同位置的金相照片如图2。

图2 不同位置组织结构

3 结果分析

实际生产中，材料的低温冲击性能往往是最被关注的，往往热影响区是焊缝的最薄弱环节，图3 为09MnNiD 与压缩机常用材料的材料热影响区冲击功对比图，可以看出，09MnNiD 焊接热影响区的冲击功都远大于标准值，甚至高于最常用的Q345R，热影响区的性能能满足要求。

图3 09MnNiD 与常用材料热影响区冲击功对比图

4 结语

（1）试验选取的材料超大厚度焊接试板经焊接工艺评定均合格，在满足ASME IV 卷要求下，产品焊缝所能覆盖的厚度为：09MnNiD 400mm。

（2）形成了09MnNiD 的焊接工艺评定报告（PQR）及焊接工艺文件焊接工艺指导书（WPS），此WPS 已在120 万吨乙烯产品中应用，该产品已经于交付客户使用。

（3）通过对焊接不同层数下，焊接热输入及对力学性能及金相组织的对比分析，得出采用混合气体保护焊的过程中必须严格控制热输入量，才能获得更好的焊接接头性能。

（4）通过本项目输出的焊接工艺评定报告已经过API年审验证通过，试验所选方案及结果符合API 要求，为集团公司后续发展做了重要的技术储备。