壓力容器焊接用陶質襯墊的開發研制

魏春濤 宋世強 任海濤 閆有剛

摘要：為了滿足成本低廉的壓力容器焊接所需的陶質襯墊的需求量，本文將會對毛坯燒制和陶質襯墊性能進行不同溫度的檢驗和剖析。通過對比出來的結果，順利研究出新型的陶質襯墊，它的燒結溫度最低有1050℃，而且它的性能優秀，焊接工藝性優良，可代替現如今常使用的高溫燒制陶質襯墊。

關鍵詞：壓力容器;焊接;陶質襯墊;開發研制

前言：在焊接制造金屬結構件的時候，因為操作空間有限，再加上結構布局等其它因素的影響，通常情況下，只能對單面進行焊接，這很可能造成焊瘤過大或者沒有焊透等問題。確保單面焊接能夠雙面成型，是焊接襯墊的作用，現如今已在大型船只制造領域取得了廣闊的天地。焊接用的襯墊按材質分有兩類，分別是金屬與非金屬，金屬襯墊一般是鋼質和銅質合金，而非金屬襯墊則是以陶質類材質為主。陶質類襯墊在焊接技術中具有無可比擬的優點，它制造成本比較低，耐高溫、耐熱沖擊、耐酸堿腐蝕、與焊縫金屬不會發生理化反應、焊接后易清理，現如今已逐漸代替其它材質的襯墊，，在大范圍內被廣泛使用。

一、襯墊在壓力容器上的應用

在石油和化工領域，焊接襯墊也逐漸開始得到了應用，尤其是在大口徑管道施工上，焊接管道所用的對口器一般都帶有銅質襯墊。在制造壓力容器上，焊接襯墊也有著不可替代的作用，早期的焊接襯墊大多數是鋼制襯墊，與容器同材質，并在一些文獻中作了相關的說明。但制造壓力容器過后，鋼質襯墊較難清除，近些年來，已逐漸被陶質襯墊所代替。不過，比起鋼制襯墊，陶質襯墊的成本較高，這就決定了陶質襯墊只能在一些重要的高壓容器焊接技術上才能得以使用，在壓力容器制造領域大范圍內難以推廣。

陶質襯墊的制造成本比較高，高就高在原材料和燒制技術兩方面。現階段，國內陶質襯墊原料的組成部分主要是高嶺土和少量的助熔劑。高嶺土主要分布在中國的東南部地區，資源十分有限，而且陶質襯墊要想燒制成型，必須要用專用的高溫加熱爐，一定要在很高的溫度下，至少是1300℃以上。可這樣一來，能源耗損就會較大。相關單位在經過無數的實驗后，終于在原材料和燒制溫度上作出了文章，開發出了一種新型的陶質襯墊，這種襯墊制造成本較低，可以有效解決現階段高溫燒制陶質襯墊制造成本過高的問題，還提升了我國陶質襯墊在壓力容器制造領域的地位。

二、原材料與襯墊毛坯

中國的黃土資源比較豐富，儲量大，成本也低廉。黃土的成分比較復雜，包含了石英、方解石、白云石、水云母等多種礦物質，主要成分與高嶺土相似。那就是說，以黃土為主要配料，將會大大降低襯墊在原材料上的制造成本。這種新型陶質襯墊的原材料以黃色粘土為主，黃土原材料取材后，兩到三天風干，破碎成小塊，100℃烘干5h，粉碎成顆粒，50目粗篩分，研磨成粉末，然后再150目細篩分。

為了調節配比、提升襯墊強度，要在黃土原材料中加入少量石英石粉末，助熔劑和燒結劑要選用少量冰晶石、ZrO2和TiO2粉末，石英石的添加量范圍是10%-30%，冰晶石的添加量范圍是1%- 5%，Zr02和TiO2的添加量范圍是0.5%-3%。陶質襯墊的毛坯的成型方式要用濕法混料和干法壓制。第一步，將襯墊原材料粉末按比例配后好，加入少量清水，攪拌混料，攪拌到均勻即可。第二步，將混好的濕料放在烘干箱中烘干，用電動磨將其磨碎成粉末。最后一步，使用壓制磨具，將原材料粉末壓制成襯墊毛坯，毛坯的尺寸是30 mm× 30 mm× 8mm，正面凹槽寬度是8mm，深度是1mm。

三、襯墊毛坯燒制成型

將壓制好的襯墊毛坯置于加熱爐中，根據不同的升溫階段來進行加熱煅燒。在高溫加熱階段，要定時檢查毛坯的成型狀況，以便實踐出可燒制成功的最高溫度的底限。通過無數的實驗和艱難的探究，最后探索出的襯墊質量最好的原材料配比為：88%黃土+8%石英石+2.3%冰晶石+1.2%Zr02+0.5%Ti02。燒制出來的陶質襯墊表面光滑無孔洞，不收縮，不變形，質量良好。研究發現，在此配方下的陶質襯墊的最高溫度的底限也降低到1050℃，也就是說，這種燒制方法降低了對高溫加熱爐的要求，并且節省了能源能耗，降低了陶質襯墊的制造成本。

四、襯墊焊接工藝試驗

為了檢測這種新的陶質襯墊工藝的性能，要進行CO2氣體保護焊接工藝的實驗。首先，要選用在制造壓力容器時經常使用的厚度為10 mm的Q245R材質的鋼板，焊接設備要用NBC-350J1601型逆變直流CO2氣體保護電焊機，焊材要用直徑為1.5 mm的THY一51B藥芯焊絲。

焊接工藝實驗的流程是：首先，鋼板先開坡口，要開V型600坡口，然后，將鋼板對接，坡口根部間隙3-4 mm，點焊固定，之后，在鋼板背面，用帶膠鋁箔將襯墊粘貼在坡口處，襯墊凹槽的中心線要對正坡口的中線，接著，依次進行打底和蓋面的焊接，最后，將鋼板背面的襯墊清除干凈。

在焊接完成過后，鋼板背面的焊縫成型較好，在襯墊凹槽的約束下，焊縫微凸，沒有出現焊瘤過大、未焊透、裂紋等一些常見的問題。焊接后鋼板背面的襯墊和焊縫并不粘貼，將鋁箔取下后就會自行脫落，脫落后襯墊依舊完好，沒有出現開裂破碎的情況。這可以證明這種新型的陶質襯墊的焊接工藝性能較好，代替現如今的陶質襯墊的說法也更加具有說服力。

五、新型陶制襯墊的前景

這種新型的陶質襯墊焊接工藝以黃色粘土為主要原料，這種原料資源豐富，價格低廉，降低了陶制襯墊的原材料成本，也使得高嶺土資源能夠用在更重要的位置上。一般襯墊的最低燒制溫度是1300℃，而新型陶質襯墊的燒制溫度降低到1050 ℃，不僅降低了對高溫加熱爐的要求，而且節省了能源能耗，降低了陶質襯墊的燒制技術的成本。因此，新型陶質襯墊將會漸漸取代現階段的常規襯墊，這將會提升焊接制造的質量，并且還會使新型陶制襯墊在壓力容器制造領域上得到大量應用。

結語：這種新型的陶質襯墊表面光滑無孔洞，質量良好，對吸潮率，體積密度，抗折強度進行檢測，都能滿足相關的要求，并且原先高嶺土燒制出來的陶制襯墊沒有明顯的區別，所以，這種新型陶制襯墊將完全可以取代原先常規的襯墊。

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