堆焊工藝技術(shù)在垃圾焚燒電廠的應(yīng)用分析

廣州環(huán)投福山環(huán)保能源有限公司 胡澤榮

我國從2015年開始尋求解決垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐腐蝕問題的各種有效辦法，同時尋求提高垃圾焚燒余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)的途徑，以獲得更高的發(fā)電收益。在提高鍋爐蒸汽參數(shù)時，遇到的主要問題就是腐蝕問題。其中，以設(shè)計參數(shù)為中溫次高壓（6.4MPa，450℃）的垃圾焚燒發(fā)電廠，余熱鍋爐腐蝕情況最為嚴重，如我國第一座中溫次高壓電廠廣州市李坑垃圾焚燒發(fā)電廠，在沒有采用堆焊防護之前，每年都需檢查更換第一煙道上部及二煙道頂棚水冷壁管。在2016年之前，因余熱鍋爐水冷壁腐蝕問題導(dǎo)致國內(nèi)垃圾發(fā)電行業(yè)向更高參數(shù)發(fā)展的方向一直處于觀望的局面。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐采取水冷壁保護措施，焚燒線就無法保證長周期運行，而不能有效提高余熱鍋爐蒸汽設(shè)計參數(shù)指標(biāo)，投產(chǎn)運營的垃圾焚燒發(fā)電廠就缺乏市場競爭力。

1 垃圾焚燒鍋爐防腐方案的選擇

1.1 余熱鍋爐防腐方案選擇

解決余熱鍋爐腐蝕問題目前主要有兩種途徑。一是使用澆筑料將爐膛澆筑成一個絕熱爐膛，使用澆筑料的防腐方法，是當(dāng)前國內(nèi)極為普遍的做法。二是在爐膛堆焊一層高抗腐蝕合金，使用堆焊防腐方法在國外極為普遍，特別是歐美國家，堆焊防腐幾乎是一個標(biāo)配的方案，一般在設(shè)計建造時已經(jīng)完成堆焊。

兩種防腐方法相比，澆筑料防腐會極大降低爐膛水冷壁換熱效率，導(dǎo)致煙氣吸熱區(qū)間后移，造成過熱器高溫腐蝕嚴重，因水冷壁有效吸熱面積減少、換熱效率降低，導(dǎo)致鍋爐蒸發(fā)量減小，蒸汽參數(shù)降低。而堆焊高抗腐蝕合金防腐的方法，幾乎不存在換熱效率降低的問題，水冷壁換熱面積也能得到有效利用，這樣爐膛熱效率高，二、三通道以及水平煙道煙溫較低、可控，有效避免過熱器高溫腐蝕問題，同時在相同的受熱面面積設(shè)計的情況下，鍋爐蒸發(fā)量可以提升，可提升蒸汽參數(shù)。

1.2 國內(nèi)余熱鍋爐堆焊工藝的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)電廠余熱鍋爐受熱面采用的堆焊工藝主要有冷金屬過渡（CMT）焊接技術(shù)和脈沖MIG高頻振蕩堆焊技術(shù)。

冷金屬過渡焊接技術(shù)，最初應(yīng)用于薄板焊接工藝，后來逐漸發(fā)展應(yīng)用于堆焊工藝。其工藝主要是在MIG短路過渡的基礎(chǔ)上，采用機械回抽焊絲的方式，機械斬弧來控制熱輸入量，通過控制熔滴過渡中的輸入，降低熱輸入，從而消除飛濺，提高堆焊的表面質(zhì)量。實質(zhì)上是短路過渡的一種反復(fù)起弧、熄弧的交替過程。由于短路過渡的本質(zhì)，過渡顆粒大，通過冷金屬過渡焊接形成的堆焊層組織較為粗大，外觀堆焊層表面紋理較粗。（如圖1所示）且控制堆焊厚度時難以形成2mm以下的均勻堆焊層。該技術(shù)能控制熱輸入量從而控制低稀釋率，同時也極容易發(fā)生因熱輸入量控制不足造成堆焊層與基材未熔合，也可能導(dǎo)致堆焊焊道間未能有效熔合[1]。

圖1 典型的CMT堆焊層表面

脈沖MIG高頻振蕩堆焊技術(shù)是采用自動MIG將工件堆焊面直接一次堆焊成型，該技術(shù)對設(shè)備的要求較高。該技術(shù)的核心在于MIG電弧控制上，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，脈沖電弧控制更加精確穩(wěn)定。根據(jù)不同合金材料的特性來設(shè)定熔滴過渡，并通過脈沖MIG獲得脈沖過渡電弧，形成的復(fù)合高頻振蕩使電弧高速擺動來控制熱輸入量，最終獲得穩(wěn)定的低熱輸入量及低稀釋率，從而形成效果較好的一次成型對焊焊縫。應(yīng)用于工件堆焊，則可形成表面波紋細膩的堆焊層（如圖2所示）。另一方面，脈沖MIG高頻振蕩堆焊的效率也更高。下文重點針對脈沖MIG高頻振蕩堆焊技術(shù)的應(yīng)用進行分析。

圖2 典型的脈沖MIG高頻振蕩堆焊層表面

1.3 堆焊工藝高抗腐蝕合金的選擇

在垃圾焚燒余熱鍋爐防腐合金材料的探索研究過程中，歐美國家起步較早，經(jīng)過長期的對比、研究、試驗，最終確定選用Alloy625鎳基合金作為防腐合金材料。局部實體試驗以及后續(xù)歐美垃圾焚燒余熱鍋爐逐漸普及使用堆焊Alloy625合金的大面積堆焊應(yīng)用實例，同樣證明了采用Alloy625鎳基合金作為堆焊層的防腐效果（如圖3所示）及綜合效益最佳。我國近年來也有嘗試使用C276、622、686等合金，但是其使用時間不長，目前獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)并不多。因此，垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面防腐堆焊合金材料使用625合金防腐仍是首選。

圖3 垃圾焚燒煙氣工況下625合金與其他材料抗腐蝕性能比較

2 堆焊工藝關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

脈沖MIG高頻振蕩堆焊技術(shù)應(yīng)用不僅要克服625鎳基合金焊接性差、成型差、易產(chǎn)生裂紋等問題，在應(yīng)用于鍋爐受熱面堆焊上還有兩個指標(biāo)非常重要，即焊接稀釋率、堆焊層厚度均勻程度。控制好這兩個指標(biāo)有利于提升抗腐蝕性能。

2.1 稀釋率

稀釋率是指焊縫橫截面積中，母材熔入的金屬面積與焊縫橫截面積之百分比。通常，填充金屬的成分同母材成分往往并不相同，特別是異質(zhì)金屬相焊或合金堆焊時。當(dāng)堆焊金屬的合金成分主要來自填充金屬時，局部熔化了的母材在焊縫中的效果可以認為是稀釋。稀釋率就是在金屬熔焊或堆焊中，熔敷金屬被稀釋的程度。母材熔入焊縫越小，對堆焊層成分的稀釋越少，堆焊層的成分越接近原材料成分，其抗腐蝕性能越優(yōu)異，反之，則相反。所以，稀釋率是堆焊層壽命最為關(guān)鍵性的指標(biāo)[2-3]。

在堆焊INCO625（與Alloy625同材質(zhì)）合金時， Fe、Cr、Mo、Nb元素含量，特別是Fe、 Cr元素的含量是稀釋率控制核心部分，極大的影響成型后堆焊層的抗腐蝕性能。其中， Fe元素含量越高，導(dǎo)致成型后堆焊層抗腐蝕性能越差。有鑒于此，國內(nèi)某知名堆焊廠家制定廠家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工件堆焊完成質(zhì)量采用表面直讀式光譜儀（PMI）進行光譜分析，檢測其主要控制元素含量數(shù)據(jù)應(yīng)符合以下要求：Fe ≤5%（95%以上的檢測點會在1%～3%）；Cr ≥20.5%；Nb ≥3.2%；Mo ≥8%。

圖4 直讀式光譜儀分析堆焊層元素含量

2.2 堆焊層厚度均勻程度

在相同的厚度要求下，不同的堆焊工件的堆焊層壽命取決于該堆焊層厚度的最薄弱的地方。相同的條件下，抗腐蝕性能與投入經(jīng)濟性最優(yōu)化就是在堆焊作業(yè)過程中將堆焊層厚度控制均勻。在鍋爐實際運行時，均勻的堆焊層表面所受的應(yīng)力較為均衡，抗沖刷、抗腐蝕性能也會增強。（如圖4所示）堆焊層厚度的均勻程度是堆焊工藝過程中的基礎(chǔ)指標(biāo)，對于鍋爐受熱面系統(tǒng)泄漏即需停爐的特性，防止局部薄弱引起故障停爐尤為重要。實際堆焊過程中，應(yīng)采用測厚儀器進行厚度檢測，確保堆焊厚度均勻。

圖5 測厚儀檢驗堆焊層厚度

提升抗腐蝕性能除了控制好焊接稀釋率、堆焊層厚度均勻程度這兩個指標(biāo)，國內(nèi)廠家還自主研發(fā)堆焊工藝技術(shù)方式，利用脈沖MIG高頻振蕩堆焊技術(shù)、INCO625焊條的設(shè)備及耗材特性，從控制堆焊的層疊、焊道寬度的方向進行創(chuàng)新工藝，一方面提升了抗腐蝕性能，另一方面，有效地延遲了625合金堆焊層在長周期運行中出現(xiàn)裂紋的時間，保證了堆焊層的使用壽命。

3 堆焊工藝技術(shù)在垃圾焚燒電廠應(yīng)用分析

以一臺日處理900t/d的中溫次高壓爐為例，選擇第一通道水冷壁上部最容易出現(xiàn)問題的區(qū)域進行堆焊防腐處理（約240㎡，堆焊價格約410萬元）。

按照堆焊層運行15年壽命計算，每年平均節(jié)省檢修時間4天計，共可節(jié)省15×4=60天檢修時間。

按照兩爐一機運行方式，配套50 M W汽輪發(fā)電機組的模式，額定負荷運行的前提下，每噸垃圾發(fā)電量按540kWh計算，15年可多發(fā)電：60×900×540=29160000kWh，按每kWh電0.46元價計，可多收益：29160000×0.46=13413600元≈1341萬元。每噸垃圾處理費以120元/噸計算，15年節(jié)省垃圾處理費為：60×900 ×120=6480000元=648萬元。不計算堆焊層維護修補成本的前提下，15年間堆焊防護帶來的直接經(jīng)濟效益為1341+648=1989萬元。余熱鍋爐受熱面的堆焊防護保證了鍋爐的長周期穩(wěn)定運行，所帶來的經(jīng)濟效益也是顯而易見的。

4 總結(jié)

近年來，國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠項目的布局開發(fā)如火如荼開展中，如何保證垃圾焚燒電廠長周期運行，是涉及民生保障的課題。隨著堆焊工藝技術(shù)的發(fā)展成熟，應(yīng)用在垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐上所帶來的長周期運行保障及所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是直接、客觀，同時也可減少由于爆管等故障所導(dǎo)致的大量檢維修工作[4]。新建項目可根據(jù)生活垃圾處理設(shè)施實際運行需求考慮采用堆焊防腐工藝，減少鍋爐腐蝕爆管概率和停運風(fēng)險。