垃圾发电厂锅炉受热面CMT堆焊Inconel625镍基材料技术分析

边浩疆 邱留良

摘 要：垃圾焚烧发电是当前处理生活垃圾的有效办法，它具有减容化、无害化和资源化特点。针对余热锅炉受热面管的腐蚀问题，通常采用在锅炉管外壁堆焊耐高温腐蚀镍基合金材料的方法，但传统的堆焊方法对锅炉管基材损伤严重，难以满足使用要求。采用CMT焊接系统，在锅炉受热面堆焊一层高温耐腐蚀镍基Inconel625材料，可有效解决受热面管的腐蚀问题，延长锅炉的使用寿命。

关键词：锅炉受热面；CMT；堆焊；Inconel625镍基材料；防腐蚀

中图分类号：TG455 文献标志码：A 文章编号：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 垃圾發电厂余热锅炉受热面管腐蚀机理

由于垃圾成分的复杂性和不均一性，在焚烧过程中会产生各种强腐蚀性介质，主要为氯化物、硫化物。经分析垃圾炉焚烧烟气中的HCl和SO2含量，发现HCl含量明显高于SO2含量，所以主要以氯腐蚀为主。

Cl往往以气态HCl、Cl2和金属氯化物KCl、NaCl、ZnCl2、PbCl2等沉积物出现在焚烧环境中，在焚烧炉的高温含氯气氛中，除直接气相腐蚀外，这些金属氯化物低熔点灰分沉积盐与金属表层的氧化膜发生氧化还原反应腐蚀基体；另外还会与烟气中其他无机盐共同沉积在金属表面，形成低熔点共晶体，大大降低积灰的熔点，在高温的管壁上产生熔融性的腐蚀性盐，在积灰-金属交界面就会形成局部液相，形成电化学腐蚀氛围，基体金属发生阳极溶解，相应地气氛中的两种氧化剂O2和Cl2被还原，基体金属进一步被氧化并结合成疏松的氧化物粒子形式沉积，或与Cl-结合生成氯化物，这样随着腐蚀的进行，就在熔融氯化物的外表面形成一层疏松的外氧化膜，由于金属离子在熔融盐中的扩散速度较大，因此这一电化学过程严重侵蚀锅炉的水冷壁、过热器等部位的金属构件，导致其性能提前退化。

垃圾炉中硫对换热面的腐蚀也是不容忽视的，硫的腐蚀主要是碱金属盐的热腐蚀，即Na3Fe（SO4）3及K3 Fe（SO4）3的腐蚀。

综上所述，垃圾炉受热面管在腐蚀环境中逐渐被侵蚀、消耗。同时，垃圾燃烧时产生的大量灰粉冲刷受热面管，对受热面管外表面造成不同程度的磨损。在上述多重因素共同作用下，受热面管从外向内不断地被氧化、腐蚀和磨损，使之逐渐减薄，当局部承受不了管内水汽压力时发生爆管。

2 CMT堆焊Inconel625镍基材料技术原理及特点

针对垃圾焚烧电厂余热锅炉等的腐蚀问题，国际上通常采用在锅炉管外壁堆焊耐高温腐蚀镍基合金材料的方法，但传统的堆焊方法对锅炉管基材损伤严重，且稀释率在10%～20%之间，难以满足使用要求。本文介绍的CMT技术（Cold Metal Transfer）是在短路过渡基础上开发的，在CMT焊接工艺中，焊丝不仅有向前送丝的运动，而且还有来回抽送的动作，这种送丝、回抽运动的频率高达70Hz。因为CMT设备需要快速检测到熔滴的短路，并快速控制焊丝反抽，同各部件（送丝机、焊枪等）交换数据非常快，所以系统是全数字化控制的；并且，同传统的MIG/MAG等气体保护焊相比热输出量更小。在此先进技术的基础上，结合Inconel625镍基焊接材料，已然成为目前国内应对垃圾锅炉受热面管高温腐蚀问题的最佳技术选择。

与普通的MIG、MAG焊接相比，CMT有其独特优势：（1）普通MIG、MAG焊接过程的送丝速度是事先设定好且固定不变的，电弧弧长调整通过电压的反馈来实现，即保证电弧电压恒定，然而弧长不仅受电压影响，工件表面的氧化物、油污情况也会很大程度的影响电弧弧长，这些都是影响焊接质量的重要因素。在CMT焊接过程中，焊丝的送丝、回丝速度取决于熔滴过渡过程，会根据具体情况即时调整，无需按事先预先设定。焊接弧长控制不依据电压调整，是通过焊丝回抽的机械方式来设定的，每次焊丝回抽速度和时间都固定，因而电弧弧长能保持绝对的恒定。正是由于这种独特的方式，必然导致系统各部件（焊枪、送丝机构、滚动拖车等）需要大量而迅速的数据交换，因此CMT系统只有采用全数字化控制来帮助其实现。（2）在相同的送丝速度（如12m/min）下，MAG需要 300A电流，CMT仅需180A电流，相应地热输入量也较小。CMT焊接是通过焊丝回抽运动促进熔滴过渡，短路电流非常低，整个焊接过程是高频率的“热-冷-热”转换过程，能大幅降低热量的产生，这也是CMT焊接较之其他焊接温度要低的重要原因。在低碳钢或合金钢等锅炉管表面堆焊镍基高温耐腐蚀合金层，主要需要考虑焊接工艺对基材机械性能和稀释率的影响。焊接过程热输入量，易使奥氏体晶粒粗大，产生粗大魏氏体组织，从而使金属材料冲击韧性下降，综合机械性能降低；为了保证镍基高温合金的耐腐蚀性能，需要浅熔深，稀释率控制在5%以下。此外，为了进一步控制焊接过程中产生的温度，防止母材晶相改变，在CMT系统中，加入可由数字系统控制的强制水冷系统，为进一步提高焊接性能提供保证。（3）在防止焊接飞溅方面，由于CMT焊接短路电流非常低，而且熔滴过渡到工件上是通过焊丝的回抽来完成的，因而在此过程中较之传统的短路过渡，CMT焊接能做到无飞溅的焊接，减少了焊后处理的麻烦。（4）Inconel625是一种对各种腐蚀介质都具有优良耐蚀性的低碳镍铬钼铌合金，但要保证其抗腐蚀性能，对钼、镍、铬、铁等金属材料的含量都有严格要求，因此选择合适的工艺参数是发挥其作用的关键，CMT焊接模式很好的解决了以上难题。

3 堆焊工序及质量要求

3.1 焊前处理

堆焊前必须清除工件表面的油污、泥砂、铁锈等肮物，存在凹凸不平的受热面应打磨光滑平整并喷砂处理，表面清洁度达到Sa3.0级，即完全去除钢材表面的锈、氧化皮、油污等附着物，其粗糙度达到RZ25-50μm。

3.2 堆焊施工

（1）施工前准备：根据工件具体尺寸、材质、表面情况确定所需焊接电流电压、系统行程回抽频率等参数、工装、主要丝材、备品备件等。（2）装夹工件找正：大块膜式水冷壁进行工装装夹并安装导轨车，在表面预处理后进行找正工作，要求工件安放平稳可靠，工件装夹水平度或垂直度满足工艺要求，水冷装置安装安全合理，加工行程内机械手臂运行通畅线路合理。（3）调试、引弧调整基本参数：通电前调试预定机械手臂运行轨迹及行程，确认运行过程平稳可靠安全。待行程确认完成后对系统进行引弧调试，根据具体情况初步确定电弧电压、电流、送丝速度、冷却送水流速等重要参数。（4）堆焊施工：待上述工作完成，进入自动堆焊模式。堆焊采用叠层方式进行，焊层厚度控制在2.0-2.5mm左右，焊道宽度约10-12mm，两道焊道相互搭边约3-4mm，确保焊层均匀细致，不存在气孔夹渣等缺陷。如此循环，层层搭边，直至完成所有工作。（5）焊中调整：在焊接过程中，适时观察堆焊过程及表面质量，出现明显缺陷或偏离，通过调节参数，改变冷却水流量温度等方式及时进行调整。

3.3 焊后修补与整形

自动焊接完成后，对焊道未成形及露出母材部分采用手工氩弧焊的方式进行修补，修补后采用机械、热整形相结合的方式对水冷壁进行矫直。

3.4 质量控制要求

（1）水冷壁管屏安装后，选取等距离均匀分布点做好标识记录，记录测厚数据，以此数据为基准，测量每半年的堆焊层减薄速率。所有堆焊层的平均减薄速率不能大于0.1mm/半年，同时不能出现堆焊层测厚点的减薄率大于0.2mm/半年的点，并且随机对其它位置管屏进行抽测，要求每平方米的检测点不少于5点，如任意抽查100点，不能有超过10%的点大于0.15mm/半年。（2）水冷壁堆焊部位管屏不能出现大面积脱落现象，堆焊区域不能多于2处脱落，每处脱落面积不能大于0.01平方米。

4 效果分析

垃圾电厂采用CMT堆焊Inconel625镍基材料防护措施后，取得的效果如下：（1）在高负荷運行情况下，通常运行1年左右就要因为高温腐蚀爆管而进行换管，而采取该防护后，防护层使用寿命可达5年以上，实现了垃圾发电厂的安全生产稳定运行。（2）解决了受热面腐蚀问题，其锅炉受热面的承受极限温度有明显提升，日处理垃圾量增加可达30%，取得了良好的社会效益。（3）管壁积灰问题也得到了很好的改善，提高了热转换效率，从而提高了垃圾发电厂的发电量，经济效益显著。

5 结束语

针对垃圾焚烧锅炉的特殊作业环境，结合Inconel625镍基焊接材料，采用CMT堆焊工艺技术，能有效地防腐蚀防积灰，延长垃圾焚烧炉运行周期，提高锅炉使用寿命，产生一定的社会效益和经济效益。对推动节能减排，发展绿色经济和循环经济具有积极的带动作用，有助于进一步提升我国垃圾焚烧处理技术的水平，实现垃圾焚烧真正意义上的节能环保。

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