陶瓷襯墊在壓力容器焊接中的應用研究

郭柏言

（大慶石油化工機械廠有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

大尺寸金屬結構件通常采取焊接的方式制造，但受空間的限制，多數情況下只能采取單面焊接的方法，這也使金屬結構件經常出現焊不透、焊瘤大等缺陷。為避免單面焊接的缺陷，技術人員開發了焊接襯板，具有單面焊接雙面成型的效果，已經被普遍應用于造船等領域。

焊接襯板主要分為金屬與非金屬兩類，金屬類焊接襯板通常采用合金鋼制成，非金屬類焊接襯板通常采用陶瓷材料。陶瓷具有低成本、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性高等優點，襯板上的焊渣也很方便被清理，逐漸成為焊接襯板材料的第一選擇。

1 陶瓷襯墊的焊接工藝

為了檢驗黃土陶制焊接襯墊的性能，在壓力容器制造過程中進行焊接試驗，焊接方法選擇CO2氣體保護焊，壓力容器的焊接材料為10 mm 厚Q245R 鋼板，焊絲選擇1.5 mm 的THY-51B 藥芯。

在焊接試驗開始前在10 mm 厚Q245R 鋼板開V 形60°坡口，采取點焊的形式進行鋼板拼接，拼接后在鋼板背側粘結陶瓷襯墊，襯墊置于鋼板背部，用鋁箔膠帶固定，要注意襯板中心凹槽與焊縫對中。按照先打底后蓋焊的順序進行焊接，打底焊與蓋面焊分別重復兩次，焊接完成后，清除鋼板背面襯墊。拆除黃土陶瓷襯墊后，鋼板背面的焊縫形狀完整，未發現焊接缺陷，焊瘤過大與未焊透等現象均未發生。陶瓷襯墊拆除時較為順利，沒有與焊縫粘連在一起，拆除鋼板背面膠帶后陶瓷襯墊自行脫落，襯墊外形完整，無明顯破裂，至此可以證明黃土陶瓷襯墊性能完全達到了替代高嶺土陶瓷襯墊的能力。

2 陶瓷襯墊在壓力容器上的應用

2.1 原材料配制與襯墊毛坯預制

我國擁有豐富的黃土資源，并且黃土的主要成分與高嶺土十分接近，具備替代高嶺土制造陶瓷焊接襯墊的潛力，假如能找到一種合適的工藝，實現黃土制造陶瓷焊接襯墊，就能使陶制焊接襯墊的制造成本大幅降低。本文通過試驗來證實黃土可以替代高嶺土，作為制造陶制焊接襯墊的主要原料（圖1）。

圖1 黃土原材料的初步制備

在黃土中添加10%～30%的石英石，1%～5%的冰晶石，0.5%～3%的ZrO2和TiO2，使黃土成分更接近高嶺土，并且加入一定的燒結劑，燒結效果更好。

上述材料粉化后加入適量的純凈水攪拌均勻，再用模具壓制成特定形狀的毛坯，毛坯尺寸為30 mm×30 mm×8 mm（圖2）。

圖2 壓制好的陶瓷襯墊毛坯

在石油化工行業中，壓力容器制造歷來是難點內容，焊接是壓力容器制造的主要手段，焊接襯板由于其優良的工藝性，已應用在壓力容器制造中。其中，又以大口徑高壓管道施工中應用得較多，一般采取同質襯墊。早期的壓力容器制造大多采取鋼質襯墊，但焊接后難以清除殘留，近年來逐漸改用陶瓷襯墊。陶瓷襯墊的成本更高，限制了陶瓷襯墊在壓力容器制造中的使用，只有一些成本較高的高壓容器使用陶瓷襯墊，在其他受成本限制的壓力容器制造中無法廣泛使用。

導致陶瓷襯墊成本居高不下的原因有很多，主要是材料與工藝兩個因素。我國制造陶制焊接襯墊的主要原料是高嶺土，這種土壤僅在我國東南地區有少量分布，資源非常稀少。陶瓷襯墊的燒制溫度需要1300 ℃以上，如此高的溫度對加熱設備有較高的要求，耗能巨大。

為了降低陶瓷焊接襯墊的成本，首先要從材料與工藝兩方面出發，探索資源更加豐富的替代材料與低溫燒結工藝是最有效的辦法，進而使陶制焊接襯墊在壓力容器制造中得到更多應用。

2.2 襯墊毛坯燒制成型

毛坯制作成型后進入電爐加熱煅燒，在煅燒過程中按時檢查燒結情況，采取多次試驗的方法逐漸降低毛坯的燒結溫度，并對燒結溫度做好詳細記錄，直至找到毛坯良好燒結的最低溫度。接下來采取不同的原料成分配比制作毛坯并燒結，對毛坯原料配比做詳細記錄，直至找到燒制質量最佳陶瓷襯墊的毛坯原材料配比。

通過反復試驗，最終確定該配比為：88%黃土＋8%石英石＋2.3%冰晶石＋1.2%ZrO2＋0.5%TiO2。按照這一比例，毛坯燒制成型后能夠得到質量優良的陶瓷襯墊，這種由黃土作為主要原料的陶瓷襯墊不僅形狀保持性良好，而且表面光滑致密，與某廠家以高嶺土作為主要原料制作的陶瓷襯墊性能十分接近，只是顏色略有不同（圖3）。

圖3 陶瓷襯墊

通過對比可以看出，以黃土為主要原材料的陶瓷襯墊，除顏色略深于高嶺土制作的陶瓷襯墊外，性能無明顯不同，而顏色差異并不影響陶瓷襯墊的使用。通過多次試驗還發現以黃土為主要原材料的陶瓷襯墊的燒結溫度只需1050 ℃，這與高嶺土陶瓷襯墊的燒結溫度相比降低了250 ℃，大大降低了陶瓷襯墊燒結過程的能耗，有效降低燒制成本。

2.3 襯墊性能檢測分析

為了進一步驗證以黃土為主要原材料的陶瓷襯墊的性能可以替代高嶺土陶瓷襯墊，依據國家標準《陶瓷焊接襯墊》與《陶瓷和玻璃絕緣材料第2 部分：試驗方法》對燒制成型的陶瓷襯墊進行性能測試。試驗采取對比法進行，選取某廠家的高嶺土陶瓷襯墊與本文所燒制的黃土陶瓷襯墊進行對比試驗（表1）。

表1 陶瓷襯墊的性能檢測結果

從表1 的數據可以看出，兩種陶瓷襯墊的性能十分接近，沒有明顯區別，均達到或超過國家標準的相關要求。

3 陶瓷襯墊焊接的優勢

（1）新型陶瓷焊接襯墊選擇我國豐富的黃土資源做原料，大大降低了焊接襯墊的材料成本，其燒制溫度與高嶺土陶瓷焊接襯墊相比，降低了250 ℃，不但降低了對高溫爐的要求，還降低了燒結過程的能源消耗。

（2）黃土陶瓷焊接襯墊具備更優良的工藝性，工藝成本也大大低于高嶺土陶瓷焊接襯墊，解決了高嶺土陶瓷焊接襯墊因成本過高難以在壓力容器制造中廣泛使用的難題，為進一步在壓力容器制造業中推廣陶瓷焊接襯墊提供了有力支撐，具有廣闊的應用前景。

4 結論

本文采取試驗法開發了黃土陶瓷焊接襯墊，通過反復試驗最終確定黃土陶瓷焊接襯墊的最低燒結溫度為1050 ℃，最佳原料配比為：88%黃土＋8%石英石＋2.3%冰晶石＋1.2%ZrO2＋0.5%TiO2。經試驗測定，黃土陶瓷焊接襯墊的各項性能指標與高嶺土陶瓷焊接襯墊十分接近，均達到或超過國家標準的要求。在實際焊接試驗中，黃土陶瓷焊接襯墊表現出了優良的焊接工藝性能，可以替代現有焊接襯墊。