叶冬挺，郑维栋，李芳芽，郭洪辛，曾 鑫，蔡 君
（1.上海电气电站工程公司，上海 201199；
2.华东理工大学，上海 200237）
随着社会对能源需求的增加，太阳能作为可再生的清洁能源备受关注。在太阳能发电技术中，光热发电由于配备独特的储热系统，可实现电能的持续稳定输出，在太阳能利用方面表现出明显优势[1-2]。其中，高温熔盐储罐作为储热系统的关键设备，对整个光热电站的安全运行有重要影响。近年来，高温熔盐储罐泄漏事故时有发生，但相关泄漏失效的案例报道较少且真实泄漏原因仍存在争议，尤其缺少针对性的预防措施。泛化分析作为一种技术分析方法，可对具体的高温熔盐储罐泄漏失效案例进行多层次多角度分析，进而挖掘出普遍性的规律。因此，本文采用泛化分析的手段对现有高温熔盐储罐泄漏案例进行分析，归纳总结得出可能的泄漏原因，并提出预防措施，以期为高温熔盐储罐的工程设计和设备运维提供指导意见。
目前，两起公开报道的熔盐储罐泄漏事故使人们认识到高温熔盐储罐是故障率较高的设备。其中美国新月沙丘110 MW塔式光热电站中的高温熔盐储罐在建成后的数年内多次出现底板开裂导致熔盐泄漏的情况，且开裂呈现周期性的特点，但泄漏的具体原因尚未明确，仅有相关业内专家的推测结论[3]。此外，西班牙Gemasolar 的19.9 MW 塔式光热电站中的高温熔盐储罐在2011—2017 年先后发生了3 次储罐开裂、熔盐泄漏的事故，失效形式同样为罐底破裂，据报道，储罐内部局部热应力集中以及地基沉降不均可能是Gemasolar 电站泄漏事故的原因[4]。
通过上述案例背景分析可知，高温熔盐储罐泄漏事故的共同特点是：①泄漏位置发生在罐底；
②泄漏原因不明且多种原因耦合导致。为避免造成巨大的经济损失，亟需明确导致储罐泄漏的原因。因此，在案例背景分析的基础之上，通过文献调研以及工程经验围绕储罐泄漏问题进行泛化分析，总结得到泄漏原因主要有以下6 种。
2.1 熔盐腐蚀失效
当前国内外光热电站常采用的储热介质为二元硝酸盐或三元硝酸盐。其腐蚀机理为在高温环境下，熔盐分解产生的含氧阴离子或卤化物阴离子与金属材料发生反应而导致腐蚀。针对储罐常用钢材316#不锈钢的腐蚀研究中发现，当工作温度低于600 ℃且储热介质为二元硝酸盐时，316#不锈钢腐蚀表面较为平整[5-6]。当储热介质为三元硝酸盐时，虽然加入一定量的氯化盐可以降低三元硝酸盐在高温下的劣化现象，但随着温度升高，氯离子与氧气加速了316#不锈钢的腐蚀速率[7]，可能会导致罐体钢材被熔盐腐蚀直至局部减薄开裂失效。
2.2 局部失效
随着高温熔盐储罐尺寸增大，储罐整体的可靠性降低故障率增大，易出现局部失效问题[8]。如在储罐侧壁加热器套管连接处、罐顶接管处等一些结构不连续位置，长时间在高温工况下运行易在这些位置发生局部失效。
2.3 储罐底板焊接质量较差
储罐底板由数块钢板拼接而成，焊接质量的好坏直接影响到储罐整体的承载能力与稳定性。而在实际工程中，焊接质量问题涉及广泛，如焊接工艺温度选择不当、焊接坡口尺寸不标准、焊接过程中未焊透以及未做焊后热处理工作等，都有可能增加储罐运行过程中发生开裂的风险。
2.4 地基非均匀沉降
高温熔盐储罐地基包括轴承钢、沙层、骨料层、耐火砖、混凝土等，其中骨料层由多种颗粒物组成，一旦在施工或运行过程中被不均匀压碎，可能会增加储罐侧壁应力水平，引起局部位置撕裂。同时，在运行工况中，储罐内部布料环下方区域与其他区域沙层存在的非均匀温差也可能导致地基的非均匀沉降，导致局部变形过大而撕裂，引起泄漏事故。
2.5 储罐热膨胀受限
高温熔盐储罐通常采用不锈钢材料，而565 ℃的工作温度可能会使储罐底板与轴承钢接触面之间产生氧化问题，使得接触面表面状态有所改变、摩擦阻力增大，限制储罐在开停工以及运行过程中的自由热膨胀，导致底板开裂引起熔盐泄漏。
2.6 入罐熔盐温度波动较大
高温熔盐流经储罐内部的布料环进入罐内，当光热电站运行过程中受天气影响时，会导致入罐熔盐的温度波动较大，引起局部区域的热应力集中。同时储罐运行过程中还承受循环载荷的作用（如熔盐液位的高低变化），长时运行会导致储罐热疲劳失效，引发裂纹进而产生泄漏。
3.1 设计合理的腐蚀裕量
在光热发电站中，熔盐对于储罐与管道的腐蚀是客观存在的，在行业设计标准缺失的情况下，应设计充足的腐蚀裕量。同时，高温熔盐储罐罐体材料应选择性能优异的不锈钢，如316L、347H 不锈钢。对于这两种材料在高温熔盐环境下的耐腐蚀性能，国际上已经有较多实验数据。针对高温熔盐储罐565 ℃的运行温度，选取文献[9-10]中的316L 和347H 不锈钢的实验数据，绘制成图1 所示腐蚀动力学曲线，并利用式（1）计算得到材料每年的腐蚀量。最终得到316L 和347H 材料在565 ℃的条件下每年腐蚀量分别为3 μm 和3.38 μm。因此，综合考虑高温熔盐储罐的设计寿命，即可确定结构所需的腐蚀裕量。
图1 565 ℃时347H 和316L 的腐蚀动力曲线
式中 ΔM——单位面积的质量损失，mg/cm2
ρ——材料密度，g/cm3
t——腐蚀时间，h
此外，将熔盐腐蚀问题影响降到最低还应考虑熔盐质量问题，氯离子含量与金属腐蚀程度有正比关系，而目前并没有针对光热行业用盐标准，建议参考优等品工业硝酸盐标准，控制硝酸盐中氯化物（以氯离子计算）的质量分数低于0.01%。
3.2 局部补强
在储罐罐顶与接管连接处增设补强圈，罐壁与加热器套管连接处加厚局部壁厚或在内部增设膨胀节，可以有效降低局部位置的应力水平，以满足强度设计要求（图2）。
图2 储罐的四分之一模型
3.3 优化焊接工艺
在实际施工中选用先进性能的焊接设备，质量优良的焊接材料，使用合理的焊接方法，在焊接中严格执行焊接检验流程，并大幅提高无损检测比例，对不满足标准要求的焊缝进行焊后返修处理，最大限度保障储罐罐底的焊接质量。
3.4 合理选址及施工
光热电站选址应避免地下100 m 内存在地下水区域。提高地基保温材料性能，最大限度降低沙层区域非均匀温差。同时设置地基沉降监测测点，防止地基出现不均匀沉降量。
3.5 优化储罐底板的结构设计
鉴于储罐的尺寸较大，罐体受热变形的趋势往往是非均匀的，很难在运行期间通过监控罐体周围位移情况的方式避免罐体结构发生热膨胀受限。可通过优化储罐底板的结构形式，使罐体主动缓解热膨胀受限的影响，以降低热膨胀应力的应力水平。
3.6 控制入罐熔盐温度
通常在储罐内部内置热缓冲装置可对入罐熔盐温度进行检测，而根据工程经验，入罐熔盐温度波动区间需控制在-20 ℃～+25 ℃，可以有效避免局部热应力集中的现象（图3）。
图3 热缓冲装置[11]
以两起典型的高温熔盐储罐泄漏失效案例为基础，采用泛化分析方法，围绕高温熔盐储罐泄漏原因尚不清晰，预防措施依然缺失的问题进行了研究。泛化分析总结得到储罐泄漏原因为熔盐腐蚀失效、局部失效、储罐底板焊接质量较差、地基非均匀沉降、储罐热膨胀受限以及入罐熔盐温度波动较大，并提出了针对性的预防泄漏措施，确保高温熔盐储罐可靠运行。
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