压力容器焊接用陶质衬垫的开发研制

魏春涛 宋世强 任海涛 闫有刚

摘要：为了满足成本低廉的压力容器焊接所需的陶质衬垫的需求量，本文将会对毛坯烧制和陶质衬垫性能进行不同温度的检验和剖析。通过对比出来的结果，顺利研究出新型的陶质衬垫，它的烧结温度最低有1050℃，而且它的性能优秀，焊接工艺性优良，可代替现如今常使用的高温烧制陶质衬垫。

关键词：压力容器;焊接;陶质衬垫;开发研制

前言：在焊接制造金属结构件的时候，因为操作空间有限，再加上结构布局等其它因素的影响，通常情况下，只能对单面进行焊接，这很可能造成焊瘤过大或者没有焊透等问题。确保单面焊接能够双面成型，是焊接衬垫的作用，现如今已在大型船只制造领域取得了广阔的天地。焊接用的衬垫按材质分有两类，分别是金属与非金属，金属衬垫一般是钢质和铜质合金，而非金属衬垫则是以陶质类材质为主。陶质类衬垫在焊接技术中具有无可比拟的优点，它制造成本比较低，耐高温、耐热冲击、耐酸碱腐蚀、与焊缝金属不会发生理化反应、焊接后易清理，现如今已逐渐代替其它材质的衬垫，，在大范围内被广泛使用。

一、衬垫在压力容器上的应用

在石油和化工领域，焊接衬垫也逐渐开始得到了应用，尤其是在大口径管道施工上，焊接管道所用的对口器一般都带有铜质衬垫。在制造压力容器上，焊接衬垫也有着不可替代的作用，早期的焊接衬垫大多数是钢制衬垫，与容器同材质，并在一些文献中作了相关的说明。但制造压力容器过后，钢质衬垫较难清除，近些年来，已逐渐被陶質衬垫所代替。不过，比起钢制衬垫，陶质衬垫的成本较高，这就决定了陶质衬垫只能在一些重要的高压容器焊接技术上才能得以使用，在压力容器制造领域大范围内难以推广。

陶质衬垫的制造成本比较高，高就高在原材料和烧制技术两方面。现阶段，国内陶质衬垫原料的组成部分主要是高岭土和少量的助熔剂。高岭土主要分布在中国的东南部地区，资源十分有限，而且陶质衬垫要想烧制成型，必须要用专用的高温加热炉，一定要在很高的温度下，至少是1300℃以上。可这样一来，能源耗损就会较大。相关单位在经过无数的实验后，终于在原材料和烧制温度上作出了文章，开发出了一种新型的陶质衬垫，这种衬垫制造成本较低，可以有效解决现阶段高温烧制陶质衬垫制造成本过高的问题，还提升了我国陶质衬垫在压力容器制造领域的地位。

二、原材料与衬垫毛坯

中国的黄土资源比较丰富，储量大，成本也低廉。黄土的成分比较复杂，包含了石英、方解石、白云石、水云母等多种矿物质，主要成分与高岭土相似。那就是说，以黄土为主要配料，将会大大降低衬垫在原材料上的制造成本。这种新型陶质衬垫的原材料以黄色粘土为主，黄土原材料取材后，两到三天风干，破碎成小块，100℃烘干5h，粉碎成颗粒，50目粗筛分，研磨成粉末，然后再150目细筛分。

为了调节配比、提升衬垫强度，要在黄土原材料中加入少量石英石粉末，助熔剂和烧结剂要选用少量冰晶石、ZrO2和TiO2粉末，石英石的添加量范围是10%-30%，冰晶石的添加量范围是1%- 5%，Zr02和TiO2的添加量范围是0.5%-3%。陶质衬垫的毛坯的成型方式要用湿法混料和干法压制。第一步，将衬垫原材料粉末按比例配后好，加入少量清水，搅拌混料，搅拌到均匀即可。第二步，将混好的湿料放在烘干箱中烘干，用电动磨将其磨碎成粉末。最后一步，使用压制磨具，将原材料粉末压制成衬垫毛坯，毛坯的尺寸是30 mm× 30 mm× 8mm，正面凹槽宽度是8mm，深度是1mm。

三、衬垫毛坯烧制成型

将压制好的衬垫毛坯置于加热炉中，根据不同的升温阶段来进行加热煅烧。在高温加热阶段，要定时检查毛坯的成型状况，以便实践出可烧制成功的最高温度的底限。通过无数的实验和艰难的探究，最后探索出的衬垫质量最好的原材料配比为：88%黄土+8%石英石+2.3%冰晶石+1.2%Zr02+0.5%Ti02。烧制出来的陶质衬垫表面光滑无孔洞，不收缩，不变形，质量良好。研究发现，在此配方下的陶质衬垫的最高温度的底限也降低到1050℃，也就是说，这种烧制方法降低了对高温加热炉的要求，并且节省了能源能耗，降低了陶质衬垫的制造成本。

四、衬垫焊接工艺试验

为了检测这种新的陶质衬垫工艺的性能，要进行CO2气体保护焊接工艺的实验。首先，要选用在制造压力容器时经常使用的厚度为10 mm的Q245R材质的钢板，焊接设备要用NBC-350J1601型逆变直流CO2气体保护电焊机，焊材要用直径为1.5 mm的THY一51B药芯焊丝。

焊接工艺实验的流程是：首先，钢板先开坡口，要开V型600坡口，然后，将钢板对接，坡口根部间隙3-4 mm，点焊固定，之后，在钢板背面，用带胶铝箔将衬垫粘贴在坡口处，衬垫凹槽的中心线要对正坡口的中线，接着，依次进行打底和盖面的焊接，最后，将钢板背面的衬垫清除干净。

在焊接完成过后，钢板背面的焊缝成型较好，在衬垫凹槽的约束下，焊缝微凸，没有出现焊瘤过大、未焊透、裂纹等一些常见的问题。焊接后钢板背面的衬垫和焊缝并不粘贴，将铝箔取下后就会自行脱落，脱落后衬垫依旧完好，没有出现开裂破碎的情况。这可以证明这种新型的陶质衬垫的焊接工艺性能较好，代替现如今的陶质衬垫的说法也更加具有说服力。

五、新型陶制衬垫的前景

这种新型的陶质衬垫焊接工艺以黄色粘土为主要原料，这种原料资源丰富，价格低廉，降低了陶制衬垫的原材料成本，也使得高岭土资源能够用在更重要的位置上。一般衬垫的最低烧制温度是1300℃，而新型陶质衬垫的烧制温度降低到1050 ℃，不仅降低了对高温加热炉的要求，而且节省了能源能耗，降低了陶质衬垫的烧制技术的成本。因此，新型陶质衬垫将会渐渐取代现阶段的常规衬垫，这将会提升焊接制造的质量，并且还会使新型陶制衬垫在压力容器制造领域上得到大量应用。

结语：这种新型的陶质衬垫表面光滑无孔洞，质量良好，对吸潮率，体积密度，抗折强度进行检测，都能满足相关的要求，并且原先高岭土烧制出来的陶制衬垫没有明显的区别，所以，这种新型陶制衬垫将完全可以取代原先常规的衬垫。

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