陶瓷襯墊在壓力容器焊接中的應(yīng)用研究

郭柏言

（大慶石油化工機(jī)械廠有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

大尺寸金屬結(jié)構(gòu)件通常采取焊接的方式制造，但受空間的限制，多數(shù)情況下只能采取單面焊接的方法，這也使金屬結(jié)構(gòu)件經(jīng)常出現(xiàn)焊不透、焊瘤大等缺陷。為避免單面焊接的缺陷，技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了焊接襯板，具有單面焊接雙面成型的效果，已經(jīng)被普遍應(yīng)用于造船等領(lǐng)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(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，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(yàn)黃土陶制焊接襯墊的性能，在壓力容器制造過(guò)程中進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接方法選擇CO2氣體保護(hù)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(yàn)開(kāi)始前在10 mm 厚Q245R 鋼板開(kāi)V 形60°坡口，采取點(diǎn)焊的形式進(jìn)行鋼板拼接，拼接后在鋼板背側(cè)粘結(jié)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(duì)中。按照先打底后蓋焊的順序進(jìn)行焊接，打底焊與蓋面焊分別重復(fù)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(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊瘤過(guò)大與未焊透等現(xiàn)象均未發(fā)生。陶瓷襯墊拆除時(shí)較為順利，沒(méi)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(wú)明顯破裂，至此可以證明黃土陶瓷襯墊性能完全達(dá)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(yīng)用

2.1 原材料配制與襯墊毛坯預(yù)制

我國(guó)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(shí)現(xiàn)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(guò)試驗(yàn)來(lái)證實(shí)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(jié)劑，燒結(jié)效果更好。

上述材料粉化后加入適量的純凈水?dāng)嚢杈鶆?，再用模具壓制成特定形狀的毛坯，毛坯尺寸?0 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(yè)中，壓力容器制造歷來(lái)是難點(diǎn)內(nèi)容，焊接是壓力容器制造的主要手段，焊接襯板由于其優(yōu)良的工藝性，已應(yīng)用在壓力容器制造中。其中，又以大口徑高壓管道施工中應(yīng)用得較多，一般采取同質(zhì)襯墊。早期的壓力容器制造大多采取鋼質(zhì)襯墊，但焊接后難以清除殘留，近年來(lái)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(wú)法廣泛使用。

導(dǎo)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(gè)因素。我國(guó)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(guó)東南地區(qū)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(duì)加熱設(shè)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(fā)，探索資源更加豐富的替代材料與低溫?zé)Y(jié)工藝是最有效的辦法，進(jìn)而使陶制焊接襯墊在壓力容器制造中得到更多應(yīng)用。

2.2 襯墊毛坯燒制成型

毛坯制作成型后進(jìn)入電爐加熱煅燒，在煅燒過(guò)程中按時(shí)檢查燒結(jié)情況，采取多次試驗(yàn)的方法逐漸降低毛坯的燒結(jié)溫度，并對(duì)燒結(jié)溫度做好詳細(xì)記錄，直至找到毛坯良好燒結(jié)的最低溫度。接下來(lái)采取不同的原料成分配比制作毛坯并燒結(jié)，對(duì)毛坯原料配比做詳細(xì)記錄，直至找到燒制質(zhì)量最佳陶瓷襯墊的毛坯原材料配比。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，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(zhì)量?jī)?yōu)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(guò)對(duì)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(wú)明顯不同，而顏色差異并不影響陶瓷襯墊的使用。通過(guò)多次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)以黃土為主要原材料的陶瓷襯墊的燒結(jié)溫度只需1050 ℃，這與高嶺土陶瓷襯墊的燒結(jié)溫度相比降低了250 ℃，大大降低了陶瓷襯墊燒結(jié)過(guò)程的能耗，有效降低燒制成本。

2.3 襯墊性能檢測(cè)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《陶瓷焊接襯墊》與《陶瓷和玻璃絕緣材料第2 部分：試驗(yàn)方法》對(duì)燒制成型的陶瓷襯墊進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)采取對(duì)比法進(jìn)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)（表1）。

表1 陶瓷襯墊的性能檢測(cè)結(jié)果

從表1 的數(shù)據(jù)可以看出，兩種陶瓷襯墊的性能十分接近，沒(méi)有明顯區(qū)別，均達(dá)到或超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

3 陶瓷襯墊焊接的優(yōu)勢(shì)

（1）新型陶瓷焊接襯墊選擇我國(guó)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(duì)高溫爐的要求，還降低了燒結(jié)過(guò)程的能源消耗。

（2）黃土陶瓷焊接襯墊具備更優(yōu)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(guò)高難以在壓力容器制造中廣泛使用的難題，為進(jìn)一步在壓力容器制造業(yè)中推廣陶瓷焊接襯墊提供了有力支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文采取試驗(yàn)法開(kāi)發(fā)了黃土陶瓷焊接襯墊，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)最終確定黃土陶瓷焊接襯墊的最低燒結(jié)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(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，黃土陶瓷焊接襯墊的各項(xiàng)性能指標(biāo)與高嶺土陶瓷焊接襯墊十分接近，均達(dá)到或超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。在實(shí)際焊接試驗(yàn)中，黃土陶瓷焊接襯墊表現(xiàn)出了優(yōu)良的焊接工藝性能，可以替代現(xiàn)有焊接襯墊。