壓力容器焊接用陶質(zhì)襯墊的開發(fā)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(zhì)襯墊的需求量，本文將會對毛坯燒制和陶質(zhì)襯墊性能進行不同溫度的檢驗和剖析。通過對比出來的結(jié)果，順利研究出新型的陶質(zhì)襯墊，它的燒結(jié)溫度最低有1050℃，而且它的性能優(yōu)秀，焊接工藝性優(yōu)良，可代替現(xiàn)如今常使用的高溫?zé)铺召|(zhì)襯墊。

關(guān)鍵詞：壓力容器;焊接;陶質(zhì)襯墊;開發(fā)研制

前言：在焊接制造金屬結(jié)構(gòu)件的時候，因為操作空間有限，再加上結(jié)構(gòu)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(xiàn)如今已在大型船只制造領(lǐng)域取得了廣闊的天地。焊接用的襯墊按材質(zhì)分有兩類，分別是金屬與非金屬，金屬襯墊一般是鋼質(zhì)和銅質(zhì)合金，而非金屬襯墊則是以陶質(zhì)類材質(zhì)為主。陶質(zhì)類襯墊在焊接技術(shù)中具有無可比擬的優(yōu)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(fā)生理化反應(yīng)、焊接后易清理，現(xiàn)如今已逐漸代替其它材質(zhì)的襯墊，，在大范圍內(nèi)被廣泛使用。

一、襯墊在壓力容器上的應(yīng)用

在石油和化工領(lǐng)域，焊接襯墊也逐漸開始得到了應(yīng)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(zhì)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(shù)是鋼制襯墊，與容器同材質(zhì)，并在一些文獻中作了相關(guān)的說明。但制造壓力容器過后，鋼質(zhì)襯墊較難清除，近些年來，已逐漸被陶質(zhì)襯墊所代替。不過，比起鋼制襯墊，陶質(zhì)襯墊的成本較高，這就決定了陶質(zhì)襯墊只能在一些重要的高壓容器焊接技術(shù)上才能得以使用，在壓力容器制造領(lǐng)域大范圍內(nèi)難以推廣。

陶質(zhì)襯墊的制造成本比較高，高就高在原材料和燒制技術(shù)兩方面?，F(xiàn)階段，國內(nèi)陶質(zhì)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(qū)，資源十分有限，而且陶質(zhì)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(guān)單位在經(jīng)過無數(shù)的實驗后，終于在原材料和燒制溫度上作出了文章，開發(fā)出了一種新型的陶質(zhì)襯墊，這種襯墊制造成本較低，可以有效解決現(xiàn)階段高溫?zé)铺召|(zhì)襯墊制造成本過高的問題，還提升了我國陶質(zhì)襯墊在壓力容器制造領(lǐng)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(fù)雜，包含了石英、方解石、白云石、水云母等多種礦物質(zhì)，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(zhì)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(fēng)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(diào)節(jié)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(jié)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(zhì)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(jù)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(shù)的實驗和艱難的探究，最后探索出的襯墊質(zhì)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(zhì)襯墊表面光滑無孔洞，不收縮，不變形，質(zhì)量良好。研究發(fā)現(xiàn)，在此配方下的陶質(zhì)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(jié)省了能源能耗，降低了陶質(zhì)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(zhì)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(jīng)常使用的厚度為10 mm的Q245R材質(zhì)的鋼板，焊接設(shè)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(xiàn)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(xiàn)開裂破碎的情況。這可以證明這種新型的陶質(zhì)襯墊的焊接工藝性能較好，代替現(xiàn)如今的陶質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)省了能源能耗，降低了陶質(zhì)襯墊的燒制技術(shù)的成本。因此，新型陶質(zhì)襯墊將會漸漸取代現(xiàn)階段的常規(guī)襯墊，這將會提升焊接制造的質(zhì)量，并且還會使新型陶制襯墊在壓力容器制造領(lǐng)域上得到大量應(yīng)用。

結(jié)語：這種新型的陶質(zhì)襯墊表面光滑無孔洞，質(zhì)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(guān)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(qū)別，所以，這種新型陶制襯墊將完全可以取代原先常規(guī)的襯墊。

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