葉冬挺，鄭維棟，李芳芽，郭洪辛，曾 鑫，蔡 君

（1.上海電氣電站工程公司，上海 201199；2.華東理工大學(xué)，上海 200237）

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)能源需求的增加，太陽(yáng)能作為可再生的清潔能源備受關(guān)注。在太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中，光熱發(fā)電由于配備獨(dú)特的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)穩(wěn)定輸出，在太陽(yáng)能利用方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)[1-2]。其中，高溫熔鹽儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)整個(gè)光熱電站的安全運(yùn)行有重要影響。近年來(lái)，高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏事故時(shí)有發(fā)生，但相關(guān)泄漏失效的案例報(bào)道較少且真實(shí)泄漏原因仍存在爭(zhēng)議，尤其缺少針對(duì)性的預(yù)防措施。泛化分析作為一種技術(shù)分析方法，可對(duì)具體的高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏失效案例進(jìn)行多層次多角度分析，進(jìn)而挖掘出普遍性的規(guī)律。因此，本文采用泛化分析的手段對(duì)現(xiàn)有高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏案例進(jìn)行分析，歸納總結(jié)得出可能的泄漏原因，并提出預(yù)防措施，以期為高溫熔鹽儲(chǔ)罐的工程設(shè)計(jì)和設(shè)備運(yùn)維提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏案例

目前，兩起公開(kāi)報(bào)道的熔鹽儲(chǔ)罐泄漏事故使人們認(rèn)識(shí)到高溫熔鹽儲(chǔ)罐是故障率較高的設(shè)備。其中美國(guó)新月沙丘110 MW塔式光熱電站中的高溫熔鹽儲(chǔ)罐在建成后的數(shù)年內(nèi)多次出現(xiàn)底板開(kāi)裂導(dǎo)致熔鹽泄漏的情況，且開(kāi)裂呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，但泄漏的具體原因尚未明確，僅有相關(guān)業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的推測(cè)結(jié)論[3]。此外，西班牙Gemasolar 的19.9 MW 塔式光熱電站中的高溫熔鹽儲(chǔ)罐在2011—2017 年先后發(fā)生了3 次儲(chǔ)罐開(kāi)裂、熔鹽泄漏的事故，失效形式同樣為罐底破裂，據(jù)報(bào)道，儲(chǔ)罐內(nèi)部局部熱應(yīng)力集中以及地基沉降不均可能是Gemasolar 電站泄漏事故的原因[4]。

2 高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏原因

通過(guò)上述案例背景分析可知，高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏事故的共同特點(diǎn)是：①泄漏位置發(fā)生在罐底；②泄漏原因不明且多種原因耦合導(dǎo)致。為避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，亟需明確導(dǎo)致儲(chǔ)罐泄漏的原因。因此，在案例背景分析的基礎(chǔ)之上，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研以及工程經(jīng)驗(yàn)圍繞儲(chǔ)罐泄漏問(wèn)題進(jìn)行泛化分析，總結(jié)得到泄漏原因主要有以下6 種。

2.1 熔鹽腐蝕失效

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外光熱電站常采用的儲(chǔ)熱介質(zhì)為二元硝酸鹽或三元硝酸鹽。其腐蝕機(jī)理為在高溫環(huán)境下，熔鹽分解產(chǎn)生的含氧陰離子或鹵化物陰離子與金屬材料發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致腐蝕。針對(duì)儲(chǔ)罐常用鋼材316#不銹鋼的腐蝕研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作溫度低于600 ℃且儲(chǔ)熱介質(zhì)為二元硝酸鹽時(shí)，316#不銹鋼腐蝕表面較為平整[5-6]。當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)為三元硝酸鹽時(shí)，雖然加入一定量的氯化鹽可以降低三元硝酸鹽在高溫下的劣化現(xiàn)象，但隨著溫度升高，氯離子與氧氣加速了316#不銹鋼的腐蝕速率[7]，可能會(huì)導(dǎo)致罐體鋼材被熔鹽腐蝕直至局部減薄開(kāi)裂失效。

2.2 局部失效

隨著高溫熔鹽儲(chǔ)罐尺寸增大，儲(chǔ)罐整體的可靠性降低故障率增大，易出現(xiàn)局部失效問(wèn)題[8]。如在儲(chǔ)罐側(cè)壁加熱器套管連接處、罐頂接管處等一些結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，長(zhǎng)時(shí)間在高溫工況下運(yùn)行易在這些位置發(fā)生局部失效。

2.3 儲(chǔ)罐底板焊接質(zhì)量較差

儲(chǔ)罐底板由數(shù)塊鋼板拼接而成，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到儲(chǔ)罐整體的承載能力與穩(wěn)定性。而在實(shí)際工程中，焊接質(zhì)量問(wèn)題涉及廣泛，如焊接工藝溫度選擇不當(dāng)、焊接坡口尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、焊接過(guò)程中未焊透以及未做焊后熱處理工作等，都有可能增加儲(chǔ)罐運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 地基非均勻沉降

高溫熔鹽儲(chǔ)罐地基包括軸承鋼、沙層、骨料層、耐火磚、混凝土等，其中骨料層由多種顆粒物組成，一旦在施工或運(yùn)行過(guò)程中被不均勻壓碎，可能會(huì)增加儲(chǔ)罐側(cè)壁應(yīng)力水平，引起局部位置撕裂。同時(shí)，在運(yùn)行工況中，儲(chǔ)罐內(nèi)部布料環(huán)下方區(qū)域與其他區(qū)域沙層存在的非均勻溫差也可能導(dǎo)致地基的非均勻沉降，導(dǎo)致局部變形過(guò)大而撕裂，引起泄漏事故。

2.5 儲(chǔ)罐熱膨脹受限

高溫熔鹽儲(chǔ)罐通常采用不銹鋼材料，而565 ℃的工作溫度可能會(huì)使儲(chǔ)罐底板與軸承鋼接觸面之間產(chǎn)生氧化問(wèn)題，使得接觸面表面狀態(tài)有所改變、摩擦阻力增大，限制儲(chǔ)罐在開(kāi)停工以及運(yùn)行過(guò)程中的自由熱膨脹，導(dǎo)致底板開(kāi)裂引起熔鹽泄漏。

2.6 入罐熔鹽溫度波動(dòng)較大

高溫熔鹽流經(jīng)儲(chǔ)罐內(nèi)部的布料環(huán)進(jìn)入罐內(nèi)，當(dāng)光熱電站運(yùn)行過(guò)程中受天氣影響時(shí)，會(huì)導(dǎo)致入罐熔鹽的溫度波動(dòng)較大，引起局部區(qū)域的熱應(yīng)力集中。同時(shí)儲(chǔ)罐運(yùn)行過(guò)程中還承受循環(huán)載荷的作用（如熔鹽液位的高低變化），長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐熱疲勞失效，引發(fā)裂紋進(jìn)而產(chǎn)生泄漏。

3 高溫熔鹽儲(chǔ)罐失效的針對(duì)性預(yù)防措施

3.1 設(shè)計(jì)合理的腐蝕裕量

在光熱發(fā)電站中，熔鹽對(duì)于儲(chǔ)罐與管道的腐蝕是客觀存在的，在行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺失的情況下，應(yīng)設(shè)計(jì)充足的腐蝕裕量。同時(shí)，高溫熔鹽儲(chǔ)罐罐體材料應(yīng)選擇性能優(yōu)異的不銹鋼，如316L、347H 不銹鋼。對(duì)于這兩種材料在高溫熔鹽環(huán)境下的耐腐蝕性能，國(guó)際上已經(jīng)有較多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)高溫熔鹽儲(chǔ)罐565 ℃的運(yùn)行溫度，選取文獻(xiàn)[9-10]中的316L 和347H 不銹鋼的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成圖1 所示腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線，并利用式（1）計(jì)算得到材料每年的腐蝕量。最終得到316L 和347H 材料在565 ℃的條件下每年腐蝕量分別為3 μm 和3.38 μm。因此，綜合考慮高溫熔鹽儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壽命，即可確定結(jié)構(gòu)所需的腐蝕裕量。

圖1 565 ℃時(shí)347H 和316L 的腐蝕動(dòng)力曲線

式中 ΔM——單位面積的質(zhì)量損失，mg/cm2

ρ——材料密度，g/cm3

t——腐蝕時(shí)間，h

此外，將熔鹽腐蝕問(wèn)題影響降到最低還應(yīng)考慮熔鹽質(zhì)量問(wèn)題，氯離子含量與金屬腐蝕程度有正比關(guān)系，而目前并沒(méi)有針對(duì)光熱行業(yè)用鹽標(biāo)準(zhǔn)，建議參考優(yōu)等品工業(yè)硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)，控制硝酸鹽中氯化物（以氯離子計(jì)算）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.01%。

3.2 局部補(bǔ)強(qiáng)

在儲(chǔ)罐罐頂與接管連接處增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈，罐壁與加熱器套管連接處加厚局部壁厚或在內(nèi)部增設(shè)膨脹節(jié)，可以有效降低局部位置的應(yīng)力水平，以滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求（圖2）。

圖2 儲(chǔ)罐的四分之一模型

3.3 優(yōu)化焊接工藝

在實(shí)際施工中選用先進(jìn)性能的焊接設(shè)備，質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接材料，使用合理的焊接方法，在焊接中嚴(yán)格執(zhí)行焊接檢驗(yàn)流程，并大幅提高無(wú)損檢測(cè)比例，對(duì)不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的焊縫進(jìn)行焊后返修處理，最大限度保障儲(chǔ)罐罐底的焊接質(zhì)量。

3.4 合理選址及施工

光熱電站選址應(yīng)避免地下100 m 內(nèi)存在地下水區(qū)域。提高地基保溫材料性能，最大限度降低沙層區(qū)域非均勻溫差。同時(shí)設(shè)置地基沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，防止地基出現(xiàn)不均勻沉降量。

3.5 優(yōu)化儲(chǔ)罐底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于儲(chǔ)罐的尺寸較大，罐體受熱變形的趨勢(shì)往往是非均勻的，很難在運(yùn)行期間通過(guò)監(jiān)控罐體周?chē)灰魄闆r的方式避免罐體結(jié)構(gòu)發(fā)生熱膨脹受限?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化儲(chǔ)罐底板的結(jié)構(gòu)形式，使罐體主動(dòng)緩解熱膨脹受限的影響，以降低熱膨脹應(yīng)力的應(yīng)力水平。

3.6 控制入罐熔鹽溫度

通常在儲(chǔ)罐內(nèi)部?jī)?nèi)置熱緩沖裝置可對(duì)入罐熔鹽溫度進(jìn)行檢測(cè)，而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，入罐熔鹽溫度波動(dòng)區(qū)間需控制在-20 ℃～+25 ℃，可以有效避免局部熱應(yīng)力集中的現(xiàn)象（圖3）。

圖3 熱緩沖裝置[11]

4 結(jié)語(yǔ)

以?xún)善鸬湫偷母邷厝埯}儲(chǔ)罐泄漏失效案例為基礎(chǔ)，采用泛化分析方法，圍繞高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏原因尚不清晰，預(yù)防措施依然缺失的問(wèn)題進(jìn)行了研究。泛化分析總結(jié)得到儲(chǔ)罐泄漏原因?yàn)槿埯}腐蝕失效、局部失效、儲(chǔ)罐底板焊接質(zhì)量較差、地基非均勻沉降、儲(chǔ)罐熱膨脹受限以及入罐熔鹽溫度波動(dòng)較大，并提出了針對(duì)性的預(yù)防泄漏措施，確保高溫熔鹽儲(chǔ)罐可靠運(yùn)行。