陶瓷衬垫在压力容器焊接中的应用研究

郭柏言

（大庆石油化工机械厂有限公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

大尺寸金属结构件通常采取焊接的方式制造，但受空间的限制，多数情况下只能采取单面焊接的方法，这也使金属结构件经常出现焊不透、焊瘤大等缺陷。为避免单面焊接的缺陷，技术人员开发了焊接衬板，具有单面焊接双面成型的效果，已经被普遍应用于造船等领域。

焊接衬板主要分为金属与非金属两类，金属类焊接衬板通常采用合金钢制成，非金属类焊接衬板通常采用陶瓷材料。陶瓷具有低成本、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性高等优点，衬板上的焊渣也很方便被清理，逐渐成为焊接衬板材料的第一选择。

1 陶瓷衬垫的焊接工艺

为了检验黄土陶制焊接衬垫的性能，在压力容器制造过程中进行焊接试验，焊接方法选择CO2气体保护焊，压力容器的焊接材料为10 mm 厚Q245R 钢板，焊丝选择1.5 mm 的THY-51B 药芯。

在焊接试验开始前在10 mm 厚Q245R 钢板开V 形60°坡口，采取点焊的形式进行钢板拼接，拼接后在钢板背侧粘结陶瓷衬垫，衬垫置于钢板背部，用铝箔胶带固定，要注意衬板中心凹槽与焊缝对中。按照先打底后盖焊的顺序进行焊接，打底焊与盖面焊分别重复两次，焊接完成后，清除钢板背面衬垫。拆除黄土陶瓷衬垫后，钢板背面的焊缝形状完整，未发现焊接缺陷，焊瘤过大与未焊透等现象均未发生。陶瓷衬垫拆除时较为顺利，没有与焊缝粘连在一起，拆除钢板背面胶带后陶瓷衬垫自行脱落，衬垫外形完整，无明显破裂，至此可以证明黄土陶瓷衬垫性能完全达到了替代高岭土陶瓷衬垫的能力。

2 陶瓷衬垫在压力容器上的应用

2.1 原材料配制与衬垫毛坯预制

我国拥有丰富的黄土资源，并且黄土的主要成分与高岭土十分接近，具备替代高岭土制造陶瓷焊接衬垫的潜力，假如能找到一种合适的工艺，实现黄土制造陶瓷焊接衬垫，就能使陶制焊接衬垫的制造成本大幅降低。本文通过试验来证实黄土可以替代高岭土，作为制造陶制焊接衬垫的主要原料（图1）。

图1 黄土原材料的初步制备

在黄土中添加10%～30%的石英石，1%～5%的冰晶石，0.5%～3%的ZrO2和TiO2，使黄土成分更接近高岭土，并且加入一定的烧结剂，烧结效果更好。

上述材料粉化后加入适量的纯净水搅拌均匀，再用模具压制成特定形状的毛坯，毛坯尺寸为30 mm×30 mm×8 mm（图2）。

图2 压制好的陶瓷衬垫毛坯

在石油化工行业中，压力容器制造历来是难点内容，焊接是压力容器制造的主要手段，焊接衬板由于其优良的工艺性，已应用在压力容器制造中。其中，又以大口径高压管道施工中应用得较多，一般采取同质衬垫。早期的压力容器制造大多采取钢质衬垫，但焊接后难以清除残留，近年来逐渐改用陶瓷衬垫。陶瓷衬垫的成本更高，限制了陶瓷衬垫在压力容器制造中的使用，只有一些成本较高的高压容器使用陶瓷衬垫，在其他受成本限制的压力容器制造中无法广泛使用。

导致陶瓷衬垫成本居高不下的原因有很多，主要是材料与工艺两个因素。我国制造陶制焊接衬垫的主要原料是高岭土，这种土壤仅在我国东南地区有少量分布，资源非常稀少。陶瓷衬垫的烧制温度需要1300 ℃以上，如此高的温度对加热设备有较高的要求，耗能巨大。

为了降低陶瓷焊接衬垫的成本，首先要从材料与工艺两方面出发，探索资源更加丰富的替代材料与低温烧结工艺是最有效的办法，进而使陶制焊接衬垫在压力容器制造中得到更多应用。

2.2 衬垫毛坯烧制成型

毛坯制作成型后进入电炉加热煅烧，在煅烧过程中按时检查烧结情况，采取多次试验的方法逐渐降低毛坯的烧结温度，并对烧结温度做好详细记录，直至找到毛坯良好烧结的最低温度。接下来采取不同的原料成分配比制作毛坯并烧结，对毛坯原料配比做详细记录，直至找到烧制质量最佳陶瓷衬垫的毛坯原材料配比。

通过反复试验，最终确定该配比为：88%黄土＋8%石英石＋2.3%冰晶石＋1.2%ZrO2＋0.5%TiO2。按照这一比例，毛坯烧制成型后能够得到质量优良的陶瓷衬垫，这种由黄土作为主要原料的陶瓷衬垫不仅形状保持性良好，而且表面光滑致密，与某厂家以高岭土作为主要原料制作的陶瓷衬垫性能十分接近，只是颜色略有不同（图3）。

图3 陶瓷衬垫

通过对比可以看出，以黄土为主要原材料的陶瓷衬垫，除颜色略深于高岭土制作的陶瓷衬垫外，性能无明显不同，而颜色差异并不影响陶瓷衬垫的使用。通过多次试验还发现以黄土为主要原材料的陶瓷衬垫的烧结温度只需1050 ℃，这与高岭土陶瓷衬垫的烧结温度相比降低了250 ℃，大大降低了陶瓷衬垫烧结过程的能耗，有效降低烧制成本。

2.3 衬垫性能检测分析

为了进一步验证以黄土为主要原材料的陶瓷衬垫的性能可以替代高岭土陶瓷衬垫，依据国家标准《陶瓷焊接衬垫》与《陶瓷和玻璃绝缘材料第2 部分：试验方法》对烧制成型的陶瓷衬垫进行性能测试。试验采取对比法进行，选取某厂家的高岭土陶瓷衬垫与本文所烧制的黄土陶瓷衬垫进行对比试验（表1）。

表1 陶瓷衬垫的性能检测结果

从表1 的数据可以看出，两种陶瓷衬垫的性能十分接近，没有明显区别，均达到或超过国家标准的相关要求。

3 陶瓷衬垫焊接的优势

（1）新型陶瓷焊接衬垫选择我国丰富的黄土资源做原料，大大降低了焊接衬垫的材料成本，其烧制温度与高岭土陶瓷焊接衬垫相比，降低了250 ℃，不但降低了对高温炉的要求，还降低了烧结过程的能源消耗。

（2）黄土陶瓷焊接衬垫具备更优良的工艺性，工艺成本也大大低于高岭土陶瓷焊接衬垫，解决了高岭土陶瓷焊接衬垫因成本过高难以在压力容器制造中广泛使用的难题，为进一步在压力容器制造业中推广陶瓷焊接衬垫提供了有力支撑，具有广阔的应用前景。

4 结论

本文采取试验法开发了黄土陶瓷焊接衬垫，通过反复试验最终确定黄土陶瓷焊接衬垫的最低烧结温度为1050 ℃，最佳原料配比为：88%黄土＋8%石英石＋2.3%冰晶石＋1.2%ZrO2＋0.5%TiO2。经试验测定，黄土陶瓷焊接衬垫的各项性能指标与高岭土陶瓷焊接衬垫十分接近，均达到或超过国家标准的要求。在实际焊接试验中，黄土陶瓷焊接衬垫表现出了优良的焊接工艺性能，可以替代现有焊接衬垫。