高溫熔鹽儲罐泄漏原因及預(yù)防措施

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

隨著社會對能源需求的增加，太陽能作為可再生的清潔能源備受關(guān)注。在太陽能發(fā)電技術(shù)中，光熱發(fā)電由于配備獨特的儲熱系統(tǒng)，可實現(xiàn)電能的持續(xù)穩(wěn)定輸出，在太陽能利用方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[1-2]。其中，高溫熔鹽儲罐作為儲熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對整個光熱電站的安全運行有重要影響。近年來，高溫熔鹽儲罐泄漏事故時有發(fā)生，但相關(guān)泄漏失效的案例報道較少且真實泄漏原因仍存在爭議，尤其缺少針對性的預(yù)防措施。泛化分析作為一種技術(shù)分析方法，可對具體的高溫熔鹽儲罐泄漏失效案例進行多層次多角度分析，進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現(xiàn)有高溫熔鹽儲罐泄漏案例進行分析，歸納總結(jié)得出可能的泄漏原因，并提出預(yù)防措施，以期為高溫熔鹽儲罐的工程設(shè)計和設(shè)備運維提供指導(dǎo)意見。

1 高溫熔鹽儲罐泄漏案例

目前，兩起公開報道的熔鹽儲罐泄漏事故使人們認識到高溫熔鹽儲罐是故障率較高的設(shè)備。其中美國新月沙丘110 MW塔式光熱電站中的高溫熔鹽儲罐在建成后的數(shù)年內(nèi)多次出現(xiàn)底板開裂導(dǎo)致熔鹽泄漏的情況，且開裂呈現(xiàn)周期性的特點，但泄漏的具體原因尚未明確，僅有相關(guān)業(yè)內(nèi)專家的推測結(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罐在2011—2017 年先后發(fā)生了3 次儲罐開裂、熔鹽泄漏的事故，失效形式同樣為罐底破裂，據(jù)報道，儲罐內(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 高溫熔鹽儲罐泄漏原因

通過上述案例背景分析可知，高溫熔鹽儲罐泄漏事故的共同特點是：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)濟損失，亟需明確導(dǎo)致儲罐泄漏的原因。因此，在案例背景分析的基礎(chǔ)之上，通過文獻調(diào)研以及工程經(jīng)驗圍繞儲罐泄漏問題進行泛化分析，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)前國內(nèi)外光熱電站常采用的儲熱介質(zhì)為二元硝酸鹽或三元硝酸鹽。其腐蝕機理為在高溫環(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。針對儲罐常用鋼材316#不銹鋼的腐蝕研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作溫度低于600 ℃且儲熱介質(zhì)為二元硝酸鹽時，316#不銹鋼腐蝕表面較為平整[5-6]。當(dāng)儲熱介質(zhì)為三元硝酸鹽時，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]，可能會導(dǎo)致罐體鋼材被熔鹽腐蝕直至局部減薄開裂失效。

2.2 局部失效

隨著高溫熔鹽儲罐尺寸增大，儲罐整體的可靠性降低故障率增大，易出現(xiàn)局部失效問題[8]。如在儲罐側(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，長時間在高溫工況下運行易在這些位置發(fā)生局部失效。

2.3 儲罐底板焊接質(zhì)量較差

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

2.4 地基非均勻沉降

高溫熔鹽儲罐地基包括軸承鋼、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，一旦在施工或運行過程中被不均勻壓碎，可能會增加儲罐側(cè)壁應(yīng)力水平，引起局部位置撕裂。同時，在運行工況中，儲罐內(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)致局部變形過大而撕裂，引起泄漏事故。

2.5 儲罐熱膨脹受限

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

2.6 入罐熔鹽溫度波動較大

高溫熔鹽流經(jīng)儲罐內(nèi)部的布料環(huán)進入罐內(nèi)，當(dāng)光熱電站運行過程中受天氣影響時，會導(dǎo)致入罐熔鹽的溫度波動較大，引起局部區(qū)域的熱應(yīng)力集中。同時儲罐運行過程中還承受循環(huán)載荷的作用（如熔鹽液位的高低變化），長時運行會導(dǎo)致儲罐熱疲勞失效，引發(fā)裂紋進而產(chǎn)生泄漏。

3 高溫熔鹽儲罐失效的針對性預(yù)防措施

3.1 設(shè)計合理的腐蝕裕量

在光熱發(fā)電站中，熔鹽對于儲罐與管道的腐蝕是客觀存在的，在行業(yè)設(shè)計標準缺失的情況下，應(yīng)設(shè)計充足的腐蝕裕量。同時，高溫熔鹽儲罐罐體材料應(yīng)選擇性能優(yōu)異的不銹鋼，如316L、347H 不銹鋼。對于這兩種材料在高溫熔鹽環(huán)境下的耐腐蝕性能，國際上已經(jīng)有較多實驗數(shù)據(jù)。針對高溫熔鹽儲罐565 ℃的運行溫度，選取文獻[9-10]中的316L 和347H 不銹鋼的實驗數(shù)據(jù)，繪制成圖1 所示腐蝕動力學(xué)曲線，并利用式（1）計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罐的設(shè)計壽命，即可確定結(jié)構(gòu)所需的腐蝕裕量。

圖1 565 ℃時347H 和316L 的腐蝕動力曲線

式中 ΔM——單位面積的質(zhì)量損失，mg/cm2

ρ——材料密度，g/cm3

t——腐蝕時間，h

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

3.2 局部補強

在儲罐罐頂與接管連接處增設(shè)補強圈，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，以滿足強度設(shè)計要求（圖2）。

圖2 儲罐的四分之一模型

3.3 優(yōu)化焊接工藝

在實際施工中選用先進性能的焊接設(shè)備，質(zhì)量優(yōu)良的焊接材料，使用合理的焊接方法，在焊接中嚴格執(zhí)行焊接檢驗流程，并大幅提高無損檢測比例，對不滿足標準要求的焊縫進行焊后返修處理，最大限度保障儲罐罐底的焊接質(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。同時設(shè)置地基沉降監(jiān)測測點，防止地基出現(xiàn)不均勻沉降量。

3.5 優(yōu)化儲罐底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于儲罐的尺寸較大，罐體受熱變形的趨勢往往是非均勻的，很難在運行期間通過監(jiān)控罐體周圍位移情況的方式避免罐體結(jié)構(gòu)發(fā)生熱膨脹受限。可通過優(yōu)化儲罐底板的結(jié)構(gòu)形式，使罐體主動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

通常在儲罐內(nèi)部內(nèi)置熱緩沖裝置可對入罐熔鹽溫度進行檢測，而根據(jù)工程經(jīng)驗，入罐熔鹽溫度波動區(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

以兩起典型的高溫熔鹽儲罐泄漏失效案例為基礎(chǔ)，采用泛化分析方法，圍繞高溫熔鹽儲罐泄漏原因尚不清晰，預(yù)防措施依然缺失的問題進行了研究。泛化分析總結(jié)得到儲罐泄漏原因為熔鹽腐蝕失效、局部失效、儲罐底板焊接質(zhì)量較差、地基非均勻沉降、儲罐熱膨脹受限以及入罐熔鹽溫度波動較大，并提出了針對性的預(yù)防泄漏措施，確保高溫熔鹽儲罐可靠運行。