堆焊工艺技术在垃圾焚烧电厂的应用分析

广州环投福山环保能源有限公司 胡泽荣

我国从2015年开始寻求解决垃圾焚烧发电厂余热锅炉腐蚀问题的各种有效办法，同时寻求提高垃圾焚烧余热锅炉的蒸汽参数的途径，以获得更高的发电收益。在提高锅炉蒸汽参数时，遇到的主要问题就是腐蚀问题。其中，以设计参数为中温次高压（6.4MPa，450℃）的垃圾焚烧发电厂，余热锅炉腐蚀情况最为严重，如我国第一座中温次高压电厂广州市李坑垃圾焚烧发电厂，在没有采用堆焊防护之前，每年都需检查更换第一烟道上部及二烟道顶棚水冷壁管。在2016年之前，因余热锅炉水冷壁腐蚀问题导致国内垃圾发电行业向更高参数发展的方向一直处于观望的局面。因此，垃圾焚烧发电厂余热锅炉采取水冷壁保护措施，焚烧线就无法保证长周期运行，而不能有效提高余热锅炉蒸汽设计参数指标，投产运营的垃圾焚烧发电厂就缺乏市场竞争力。

1 垃圾焚烧锅炉防腐方案的选择

1.1 余热锅炉防腐方案选择

解决余热锅炉腐蚀问题目前主要有两种途径。一是使用浇筑料将炉膛浇筑成一个绝热炉膛，使用浇筑料的防腐方法，是当前国内极为普遍的做法。二是在炉膛堆焊一层高抗腐蚀合金，使用堆焊防腐方法在国外极为普遍，特别是欧美国家，堆焊防腐几乎是一个标配的方案，一般在设计建造时已经完成堆焊。

两种防腐方法相比，浇筑料防腐会极大降低炉膛水冷壁换热效率，导致烟气吸热区间后移，造成过热器高温腐蚀严重，因水冷壁有效吸热面积减少、换热效率降低，导致锅炉蒸发量减小，蒸汽参数降低。而堆焊高抗腐蚀合金防腐的方法，几乎不存在换热效率降低的问题，水冷壁换热面积也能得到有效利用，这样炉膛热效率高，二、三通道以及水平烟道烟温较低、可控，有效避免过热器高温腐蚀问题，同时在相同的受热面面积设计的情况下，锅炉蒸发量可以提升，可提升蒸汽参数。

1.2 国内余热锅炉堆焊工艺的现状

目前，国内电厂余热锅炉受热面采用的堆焊工艺主要有冷金属过渡（CMT）焊接技术和脉冲MIG高频振荡堆焊技术。

冷金属过渡焊接技术，最初应用于薄板焊接工艺，后来逐渐发展应用于堆焊工艺。其工艺主要是在MIG短路过渡的基础上，采用机械回抽焊丝的方式，机械斩弧来控制热输入量，通过控制熔滴过渡中的输入，降低热输入，从而消除飞溅，提高堆焊的表面质量。实质上是短路过渡的一种反复起弧、熄弧的交替过程。由于短路过渡的本质，过渡颗粒大，通过冷金属过渡焊接形成的堆焊层组织较为粗大，外观堆焊层表面纹理较粗。（如图1所示）且控制堆焊厚度时难以形成2mm以下的均匀堆焊层。该技术能控制热输入量从而控制低稀释率，同时也极容易发生因热输入量控制不足造成堆焊层与基材未熔合，也可能导致堆焊焊道间未能有效熔合[1]。

图1 典型的CMT堆焊层表面

脉冲MIG高频振荡堆焊技术是采用自动MIG将工件堆焊面直接一次堆焊成型，该技术对设备的要求较高。该技术的核心在于MIG电弧控制上，随着现代电子技术的持续发展，脉冲电弧控制更加精确稳定。根据不同合金材料的特性来设定熔滴过渡，并通过脉冲MIG获得脉冲过渡电弧，形成的复合高频振荡使电弧高速摆动来控制热输入量，最终获得稳定的低热输入量及低稀释率，从而形成效果较好的一次成型对焊焊缝。应用于工件堆焊，则可形成表面波纹细腻的堆焊层（如图2所示）。另一方面，脉冲MIG高频振荡堆焊的效率也更高。下文重点针对脉冲MIG高频振荡堆焊技术的应用进行分析。

图2 典型的脉冲MIG高频振荡堆焊层表面

1.3 堆焊工艺高抗腐蚀合金的选择

在垃圾焚烧余热锅炉防腐合金材料的探索研究过程中，欧美国家起步较早，经过长期的对比、研究、试验，最终确定选用Alloy625镍基合金作为防腐合金材料。局部实体试验以及后续欧美垃圾焚烧余热锅炉逐渐普及使用堆焊Alloy625合金的大面积堆焊应用实例，同样证明了采用Alloy625镍基合金作为堆焊层的防腐效果（如图3所示）及综合效益最佳。我国近年来也有尝试使用C276、622、686等合金，但是其使用时间不长，目前获得的经验数据并不多。因此，垃圾焚烧余热锅炉受热面防腐堆焊合金材料使用625合金防腐仍是首选。

图3 垃圾焚烧烟气工况下625合金与其他材料抗腐蚀性能比较

2 堆焊工艺关键技术指标

脉冲MIG高频振荡堆焊技术应用不仅要克服625镍基合金焊接性差、成型差、易产生裂纹等问题，在应用于锅炉受热面堆焊上还有两个指标非常重要，即焊接稀释率、堆焊层厚度均匀程度。控制好这两个指标有利于提升抗腐蚀性能。

2.1 稀释率

稀释率是指焊缝横截面积中，母材熔入的金属面积与焊缝横截面积之百分比。通常，填充金属的成分同母材成分往往并不相同，特别是异质金属相焊或合金堆焊时。当堆焊金属的合金成分主要来自填充金属时，局部熔化了的母材在焊缝中的效果可以认为是稀释。稀释率就是在金属熔焊或堆焊中，熔敷金属被稀释的程度。母材熔入焊缝越小，对堆焊层成分的稀释越少，堆焊层的成分越接近原材料成分，其抗腐蚀性能越优异，反之，则相反。所以，稀释率是堆焊层寿命最为关键性的指标[2-3]。

在堆焊INCO625（与Alloy625同材质）合金时， Fe、Cr、Mo、Nb元素含量，特别是Fe、 Cr元素的含量是稀释率控制核心部分，极大的影响成型后堆焊层的抗腐蚀性能。其中， Fe元素含量越高，导致成型后堆焊层抗腐蚀性能越差。有鉴于此，国内某知名堆焊厂家制定厂家标准规定，工件堆焊完成质量采用表面直读式光谱仪（PMI）进行光谱分析，检测其主要控制元素含量数据应符合以下要求：Fe ≤5%（95%以上的检测点会在1%～3%）；Cr ≥20.5%；Nb ≥3.2%；Mo ≥8%。

图4 直读式光谱仪分析堆焊层元素含量

2.2 堆焊层厚度均匀程度

在相同的厚度要求下，不同的堆焊工件的堆焊层寿命取决于该堆焊层厚度的最薄弱的地方。相同的条件下，抗腐蚀性能与投入经济性最优化就是在堆焊作业过程中将堆焊层厚度控制均匀。在锅炉实际运行时，均匀的堆焊层表面所受的应力较为均衡，抗冲刷、抗腐蚀性能也会增强。（如图4所示）堆焊层厚度的均匀程度是堆焊工艺过程中的基础指标，对于锅炉受热面系统泄漏即需停炉的特性，防止局部薄弱引起故障停炉尤为重要。实际堆焊过程中，应采用测厚仪器进行厚度检测，确保堆焊厚度均匀。

图5 测厚仪检验堆焊层厚度

提升抗腐蚀性能除了控制好焊接稀释率、堆焊层厚度均匀程度这两个指标，国内厂家还自主研发堆焊工艺技术方式，利用脉冲MIG高频振荡堆焊技术、INCO625焊条的设备及耗材特性，从控制堆焊的层叠、焊道宽度的方向进行创新工艺，一方面提升了抗腐蚀性能，另一方面，有效地延迟了625合金堆焊层在长周期运行中出现裂纹的时间，保证了堆焊层的使用寿命。

3 堆焊工艺技术在垃圾焚烧电厂应用分析

以一台日处理900t/d的中温次高压炉为例，选择第一通道水冷壁上部最容易出现问题的区域进行堆焊防腐处理（约240㎡，堆焊价格约410万元）。

按照堆焊层运行15年寿命计算，每年平均节省检修时间4天计，共可节省15×4=60天检修时间。

按照两炉一机运行方式，配套50 M W汽轮发电机组的模式，额定负荷运行的前提下，每吨垃圾发电量按540kWh计算，15年可多发电：60×900×540=29160000kWh，按每kWh电0.46元价计，可多收益：29160000×0.46=13413600元≈1341万元。每吨垃圾处理费以120元/吨计算，15年节省垃圾处理费为：60×900 ×120=6480000元=648万元。不计算堆焊层维护修补成本的前提下，15年间堆焊防护带来的直接经济效益为1341+648=1989万元。余热锅炉受热面的堆焊防护保证了锅炉的长周期稳定运行，所带来的经济效益也是显而易见的。

4 总结

近年来，国内垃圾焚烧发电厂项目的布局开发如火如荼开展中，如何保证垃圾焚烧电厂长周期运行，是涉及民生保障的课题。随着堆焊工艺技术的发展成熟，应用在垃圾焚烧发电厂锅炉上所带来的长周期运行保障及所产生的经济效益是直接、客观，同时也可减少由于爆管等故障所导致的大量检维修工作[4]。新建项目可根据生活垃圾处理设施实际运行需求考虑采用堆焊防腐工艺，减少锅炉腐蚀爆管概率和停运风险。