高溫熔鹽儲罐泄漏原因及預防措施

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，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注。在太陽能發電技術中，光熱發電由于配備獨特的儲熱系統，可實現電能的持續穩定輸出，在太陽能利用方面表現出明顯優勢[1-2]。其中，高溫熔鹽儲罐作為儲熱系統的關鍵設備，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生，但相關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防措施。泛化分析作為一種技術分析方法，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律。因此，本文采用泛化分析的手段對現有高溫熔鹽儲罐泄漏案例進行分析，歸納總結得出可能的泄漏原因，并提出預防措施，以期為高溫熔鹽儲罐的工程設計和設備運維提供指導意見。

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年內多次出現底板開裂導致熔鹽泄漏的情況，且開裂呈現周期性的特點，但泄漏的具體原因尚未明確，僅有相關業內專家的推測結論[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，據報道，儲罐內部局部熱應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泄漏位置發生在罐底；②泄漏原因不明且多種原因耦合導致。為避免造成巨大的經濟損失，亟需明確導致儲罐泄漏的原因。因此，在案例背景分析的基礎之上，通過文獻調研以及工程經驗圍繞儲罐泄漏問題進行泛化分析，總結得到泄漏原因主要有以下6 種。

2.1 熔鹽腐蝕失效

當前國內外光熱電站常采用的儲熱介質為二元硝酸鹽或三元硝酸鹽。其腐蝕機理為在高溫環境下，熔鹽分解產生的含氧陰離子或鹵化物陰離子與金屬材料發生反應而導致腐蝕。針對儲罐常用鋼材316#不銹鋼的腐蝕研究中發現，當工作溫度低于600 ℃且儲熱介質為二元硝酸鹽時，316#不銹鋼腐蝕表面較為平整[5-6]。當儲熱介質為三元硝酸鹽時，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，易出現局部失效問題[8]。如在儲罐側壁加熱器套管連接處、罐頂接管處等一些結構不連續位置，長時間在高溫工況下運行易在這些位置發生局部失效。

2.3 儲罐底板焊接質量較差

儲罐底板由數塊鋼板拼接而成，焊接質量的好壞直接影響到儲罐整體的承載能力與穩定性。而在實際工程中，焊接質量問題涉及廣泛，如焊接工藝溫度選擇不當、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生開裂的風險。

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，可能會增加儲罐側壁應力水平，引起局部位置撕裂。同時，在運行工況中，儲罐內部布料環下方區域與其他區域沙層存在的非均勻溫差也可能導致地基的非均勻沉降，導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生氧化問題，使得接觸面表面狀態有所改變、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

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

3 高溫熔鹽儲罐失效的針對性預防措施

3.1 設計合理的腐蝕裕量

在光熱發電站中，熔鹽對于儲罐與管道的腐蝕是客觀存在的，在行業設計標準缺失的情況下，應設計充足的腐蝕裕量。同時，高溫熔鹽儲罐罐體材料應選擇性能優異的不銹鋼，如316L、347H 不銹鋼。對于這兩種材料在高溫熔鹽環境下的耐腐蝕性能，國際上已經有較多實驗數據。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 不銹鋼的實驗數據，繪制成圖1 所示腐蝕動力學曲線，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計壽命，即可確定結構所需的腐蝕裕量。

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考慮熔鹽質量問題，氯離子含量與金屬腐蝕程度有正比關系，而目前并沒有針對光熱行業用鹽標準，建議參考優等品工業硝酸鹽標準，控制硝酸鹽中氯化物（以氯離子計算）的質量分數低于0.01%。

3.2 局部補強

在儲罐罐頂與接管連接處增設補強圈，罐壁與加熱器套管連接處加厚局部壁厚或在內部增設膨脹節，可以有效降低局部位置的應力水平，以滿足強度設計要求（圖2）。

圖2 儲罐的四分之一模型

3.3 優化焊接工藝

在實際施工中選用先進性能的焊接設備，質量優良的焊接材料，使用合理的焊接方法，在焊接中嚴格執行焊接檢驗流程，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量。

3.4 合理選址及施工

光熱電站選址應避免地下100 m 內存在地下水區域。提高地基保溫材料性能，最大限度降低沙層區域非均勻溫差。同時設置地基沉降監測測點，防止地基出現不均勻沉降量。

3.5 優化儲罐底板的結構設計

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控罐體周圍位移情況的方式避免罐體結構發生熱膨脹受限。可通過優化儲罐底板的結構形式，使罐體主動緩解熱膨脹受限的影響，以降低熱膨脹應力的應力水平。

3.6 控制入罐熔鹽溫度

通常在儲罐內部內置熱緩沖裝置可對入罐熔鹽溫度進行檢測，而根據工程經驗，入罐熔鹽溫度波動區間需控制在-20 ℃～+25 ℃，可以有效避免局部熱應力集中的現象（圖3）。

圖3 熱緩沖裝置[11]

4 結語

以兩起典型的高溫熔鹽儲罐泄漏失效案例為基礎，采用泛化分析方法，圍繞高溫熔鹽儲罐泄漏原因尚不清晰，預防措施依然缺失的問題進行了研究。泛化分析總結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防泄漏措施，確保高溫熔鹽儲罐可靠運行。