垃圾發(fā)電廠鍋爐受熱面CMT堆焊Inconel625鎳基材料技術分析

邊浩疆 邱留良

摘 要：垃圾焚燒發(fā)電是當前處理生活垃圾的有效辦法，它具有減容化、無害化和資源化特點。針對余熱鍋爐受熱面管的腐蝕問題，通常采用在鍋爐管外壁堆焊耐高溫腐蝕鎳基合金材料的方法，但傳統(tǒng)的堆焊方法對鍋爐管基材損傷嚴重，難以滿足使用要求。采用CMT焊接系統(tǒng)，在鍋爐受熱面堆焊一層高溫耐腐蝕鎳基Inconel625材料，可有效解決受熱面管的腐蝕問題，延長鍋爐的使用壽命。

關鍵詞：鍋爐受熱面；CMT；堆焊；Inconel625鎳基材料；防腐蝕

中圖分類號：TG455 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0141-02

Abstract： Waste incineration power generation is an effective method for the treatment of domestic waste. It has the characteristics of volume reduction， harmlessness and resource utilization. For the corrosion problem of the heating surface of the waste heat boiler， the method of surfacing the high temperature and corrosion nickel base alloy material on the outer wall of the boiler tube is usually adopted. However， the traditional surfacing welding method has serious damage to the base material of the boiler tube and it is difficult to meet the use requirements. Using the CMT welding system， a layer of high-temperature corrosion-resistant nickel-base Inconel625 material is deposited on the heating surface of the boiler， which can effectively solve the corrosion problem of the heated surface tube and prolong the service life of the boiler.

Keywords： boiler heating surface； CMT； surfacing welding； Inconel625 nickel base material； corrosion resistance

1 垃圾發(fā)電廠余熱鍋爐受熱面管腐蝕機理

由于垃圾成分的復雜性和不均一性，在焚燒過程中會產生各種強腐蝕性介質，主要為氯化物、硫化物。經分析垃圾爐焚燒煙氣中的HCl和SO2含量，發(fā)現(xiàn)HCl含量明顯高于SO2含量，所以主要以氯腐蝕為主。

Cl往往以氣態(tài)HCl、Cl2和金屬氯化物KCl、NaCl、ZnCl2、PbCl2等沉積物出現(xiàn)在焚燒環(huán)境中，在焚燒爐的高溫含氯氣氛中，除直接氣相腐蝕外，這些金屬氯化物低熔點灰分沉積鹽與金屬表層的氧化膜發(fā)生氧化還原反應腐蝕基體；另外還會與煙氣中其他無機鹽共同沉積在金屬表面，形成低熔點共晶體，大大降低積灰的熔點，在高溫的管壁上產生熔融性的腐蝕性鹽，在積灰-金屬交界面就會形成局部液相，形成電化學腐蝕氛圍，基體金屬發(fā)生陽極溶解，相應地氣氛中的兩種氧化劑O2和Cl2被還原，基體金屬進一步被氧化并結合成疏松的氧化物粒子形式沉積，或與Cl-結合生成氯化物，這樣隨著腐蝕的進行，就在熔融氯化物的外表面形成一層疏松的外氧化膜，由于金屬離子在熔融鹽中的擴散速度較大，因此這一電化學過程嚴重侵蝕鍋爐的水冷壁、過熱器等部位的金屬構件，導致其性能提前退化。

垃圾爐中硫對換熱面的腐蝕也是不容忽視的，硫的腐蝕主要是堿金屬鹽的熱腐蝕，即Na3Fe（SO4）3及K3 Fe（SO4）3的腐蝕。

綜上所述，垃圾爐受熱面管在腐蝕環(huán)境中逐漸被侵蝕、消耗。同時，垃圾燃燒時產生的大量灰粉沖刷受熱面管，對受熱面管外表面造成不同程度的磨損。在上述多重因素共同作用下，受熱面管從外向內不斷地被氧化、腐蝕和磨損，使之逐漸減薄，當局部承受不了管內水汽壓力時發(fā)生爆管。

2 CMT堆焊Inconel625鎳基材料技術原理及特點

針對垃圾焚燒電廠余熱鍋爐等的腐蝕問題，國際上通常采用在鍋爐管外壁堆焊耐高溫腐蝕鎳基合金材料的方法，但傳統(tǒng)的堆焊方法對鍋爐管基材損傷嚴重，且稀釋率在10%～20%之間，難以滿足使用要求。本文介紹的CMT技術（Cold Metal Transfer）是在短路過渡基礎上開發(fā)的，在CMT焊接工藝中，焊絲不僅有向前送絲的運動，而且還有來回抽送的動作，這種送絲、回抽運動的頻率高達70Hz。因為CMT設備需要快速檢測到熔滴的短路，并快速控制焊絲反抽，同各部件（送絲機、焊槍等）交換數(shù)據非?？?，所以系統(tǒng)是全數(shù)字化控制的；并且，同傳統(tǒng)的MIG/MAG等氣體保護焊相比熱輸出量更小。在此先進技術的基礎上，結合Inconel625鎳基焊接材料，已然成為目前國內應對垃圾鍋爐受熱面管高溫腐蝕問題的最佳技術選擇。

與普通的MIG、MAG焊接相比，CMT有其獨特優(yōu)勢：（1）普通MIG、MAG焊接過程的送絲速度是事先設定好且固定不變的，電弧弧長調整通過電壓的反饋來實現(xiàn)，即保證電弧電壓恒定，然而弧長不僅受電壓影響，工件表面的氧化物、油污情況也會很大程度的影響電弧弧長，這些都是影響焊接質量的重要因素。在CMT焊接過程中，焊絲的送絲、回絲速度取決于熔滴過渡過程，會根據具體情況即時調整，無需按事先預先設定。焊接弧長控制不依據電壓調整，是通過焊絲回抽的機械方式來設定的，每次焊絲回抽速度和時間都固定，因而電弧弧長能保持絕對的恒定。正是由于這種獨特的方式，必然導致系統(tǒng)各部件（焊槍、送絲機構、滾動拖車等）需要大量而迅速的數(shù)據交換，因此CMT系統(tǒng)只有采用全數(shù)字化控制來幫助其實現(xiàn)。（2）在相同的送絲速度（如12m/min）下，MAG需要 300A電流，CMT僅需180A電流，相應地熱輸入量也較小。CMT焊接是通過焊絲回抽運動促進熔滴過渡，短路電流非常低，整個焊接過程是高頻率的“熱-冷-熱”轉換過程，能大幅降低熱量的產生，這也是CMT焊接較之其他焊接溫度要低的重要原因。在低碳鋼或合金鋼等鍋爐管表面堆焊鎳基高溫耐腐蝕合金層，主要需要考慮焊接工藝對基材機械性能和稀釋率的影響。焊接過程熱輸入量，易使奧氏體晶粒粗大，產生粗大魏氏體組織，從而使金屬材料沖擊韌性下降，綜合機械性能降低；為了保證鎳基高溫合金的耐腐蝕性能，需要淺熔深，稀釋率控制在5%以下。此外，為了進一步控制焊接過程中產生的溫度，防止母材晶相改變，在CMT系統(tǒng)中，加入可由數(shù)字系統(tǒng)控制的強制水冷系統(tǒng)，為進一步提高焊接性能提供保證。（3）在防止焊接飛濺方面，由于CMT焊接短路電流非常低，而且熔滴過渡到工件上是通過焊絲的回抽來完成的，因而在此過程中較之傳統(tǒng)的短路過渡，CMT焊接能做到無飛濺的焊接，減少了焊后處理的麻煩。（4）Inconel625是一種對各種腐蝕介質都具有優(yōu)良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金，但要保證其抗腐蝕性能，對鉬、鎳、鉻、鐵等金屬材料的含量都有嚴格要求，因此選擇合適的工藝參數(shù)是發(fā)揮其作用的關鍵，CMT焊接模式很好的解決了以上難題。

3 堆焊工序及質量要求

3.1 焊前處理

堆焊前必須清除工件表面的油污、泥砂、鐵銹等骯物，存在凹凸不平的受熱面應打磨光滑平整并噴砂處理，表面清潔度達到Sa3.0級，即完全去除鋼材表面的銹、氧化皮、油污等附著物，其粗糙度達到RZ25-50μm。

3.2 堆焊施工

（1）施工前準備：根據工件具體尺寸、材質、表面情況確定所需焊接電流電壓、系統(tǒng)行程回抽頻率等參數(shù)、工裝、主要絲材、備品備件等。（2）裝夾工件找正：大塊膜式水冷壁進行工裝裝夾并安裝導軌車，在表面預處理后進行找正工作，要求工件安放平穩(wěn)可靠，工件裝夾水平度或垂直度滿足工藝要求，水冷裝置安裝安全合理，加工行程內機械手臂運行通暢線路合理。（3）調試、引弧調整基本參數(shù)：通電前調試預定機械手臂運行軌跡及行程，確認運行過程平穩(wěn)可靠安全。待行程確認完成后對系統(tǒng)進行引弧調試，根據具體情況初步確定電弧電壓、電流、送絲速度、冷卻送水流速等重要參數(shù)。（4）堆焊施工：待上述工作完成，進入自動堆焊模式。堆焊采用疊層方式進行，焊層厚度控制在2.0-2.5mm左右，焊道寬度約10-12mm，兩道焊道相互搭邊約3-4mm，確保焊層均勻細致，不存在氣孔夾渣等缺陷。如此循環(huán)，層層搭邊，直至完成所有工作。（5）焊中調整：在焊接過程中，適時觀察堆焊過程及表面質量，出現(xiàn)明顯缺陷或偏離，通過調節(jié)參數(shù)，改變冷卻水流量溫度等方式及時進行調整。

3.3 焊后修補與整形

自動焊接完成后，對焊道未成形及露出母材部分采用手工氬弧焊的方式進行修補，修補后采用機械、熱整形相結合的方式對水冷壁進行矯直。

3.4 質量控制要求

（1）水冷壁管屏安裝后，選取等距離均勻分布點做好標識記錄，記錄測厚數(shù)據，以此數(shù)據為基準，測量每半年的堆焊層減薄速率。所有堆焊層的平均減薄速率不能大于0.1mm/半年，同時不能出現(xiàn)堆焊層測厚點的減薄率大于0.2mm/半年的點，并且隨機對其它位置管屏進行抽測，要求每平方米的檢測點不少于5點，如任意抽查100點，不能有超過10%的點大于0.15mm/半年。（2）水冷壁堆焊部位管屏不能出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象，堆焊區(qū)域不能多于2處脫落，每處脫落面積不能大于0.01平方米。

4 效果分析

垃圾電廠采用CMT堆焊Inconel625鎳基材料防護措施后，取得的效果如下：（1）在高負荷運行情況下，通常運行1年左右就要因為高溫腐蝕爆管而進行換管，而采取該防護后，防護層使用壽命可達5年以上，實現(xiàn)了垃圾發(fā)電廠的安全生產穩(wěn)定運行。（2）解決了受熱面腐蝕問題，其鍋爐受熱面的承受極限溫度有明顯提升，日處理垃圾量增加可達30%，取得了良好的社會效益。（3）管壁積灰問題也得到了很好的改善，提高了熱轉換效率，從而提高了垃圾發(fā)電廠的發(fā)電量，經濟效益顯著。

5 結束語

針對垃圾焚燒鍋爐的特殊作業(yè)環(huán)境，結合Inconel625鎳基焊接材料，采用CMT堆焊工藝技術，能有效地防腐蝕防積灰，延長垃圾焚燒爐運行周期，提高鍋爐使用壽命，產生一定的社會效益和經濟效益。對推動節(jié)能減排，發(fā)展綠色經濟和循環(huán)經濟具有積極的帶動作用，有助于進一步提升我國垃圾焚燒處理技術的水平，實現(xiàn)垃圾焚燒真正意義上的節(jié)能環(huán)保。

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