熔鹽儲罐泄漏原因分析及建議

山東電力建設(shè)第三工程有限公司 劉中博 張建亮

現(xiàn)階段，太陽能光熱發(fā)電已經(jīng)日趨成熟，相關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也逐步投用。但作為熔融鹽儲熱系統(tǒng)的熔鹽罐的設(shè)計目前還沒有專門的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在目前的項目設(shè)計中均采用了油罐的相關(guān)設(shè)計條款，如API 650標(biāo)準(zhǔn)，該部分標(biāo)準(zhǔn)又具有相對的限制性。本文在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了熔鹽罐的設(shè)計建議。

1 問題說明

某國外塔式太陽能光熱發(fā)電項目，裝機(jī)容量為150MW，儲熱系統(tǒng)：一組熔鹽儲罐能夠提供汽輪發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)7h所需的熱量；一組SGS熔鹽/水汽換熱系統(tǒng)（1x 100%），導(dǎo)熱介質(zhì)：熔鹽（冷熔鹽300℃，熱熔鹽565℃）。565℃的熱熔鹽進(jìn)入熱熔鹽罐被儲存起來，熱熔鹽罐中的循環(huán)泵把熱熔鹽輸送到蒸汽發(fā)生器進(jìn)行換熱，產(chǎn)生蒸汽用來驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。熔鹽儲罐為低壓圓柱形儲罐，采用不銹鋼（碳鋼）材質(zhì)，通過罐壁和罐頂?shù)鹊谋貋頊p少熱量損失，罐體參數(shù)：內(nèi)部直徑41.3m，頂高14m。

機(jī)組在投用3年后，在設(shè)備停機(jī)檢修過程中，發(fā)現(xiàn)熱熔鹽罐基礎(chǔ)內(nèi)部的冷卻風(fēng)溫度出現(xiàn)異常上升現(xiàn)象，靠近罐中部位置的四個溫度測點升高至84～109℃（正常約40～70℃左右），經(jīng)分析確定為熔鹽泄漏，經(jīng)調(diào)取熔鹽罐歷史記錄發(fā)現(xiàn)，在1周之內(nèi)熔鹽損失約300t。現(xiàn)場組織安裝臨時排鹽管道、臨時冷卻系統(tǒng)開始熱熔鹽罐排空工作，約兩周后開始進(jìn)入罐內(nèi)進(jìn)行檢查清理，檢查發(fā)現(xiàn)；罐底板中間位置東西方向的底板隆起，此區(qū)域內(nèi)的東西焊縫處有兩處裂縫（實際熔鹽泄漏處）；底板與壁板連接處的大角焊縫在罐內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)大量裂紋。

2 泄漏原因分析

熔鹽罐發(fā)生泄漏之后，現(xiàn)場收集資料并組織各單位專家進(jìn)行分析，從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、材料、安裝及焊接、運行等各方面進(jìn)行根本原因分析，提出修復(fù)方案。

2.1 設(shè)計方面

2.1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

熱熔鹽罐本體材質(zhì)采用了（347H）不銹鋼的設(shè)計，設(shè)計溫度570℃，罐體容量約為15000m3。目前，國際上大型高溫熔鹽罐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均采用了API 650 12th，且API 650只適用于設(shè)計溫度不超過93℃的儲罐，其附錄M也僅適用于設(shè)計溫度超過93℃但不超過260℃的儲罐，說明在熔鹽罐溫度設(shè)計上，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)還有其受限的一個方面，在具體實踐中，就需要依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗、材料應(yīng)力選擇、有限元分析模擬來完善和加強(qiáng)。在材料上則采用了ASME BPVC II D和ASME BPVC Ⅷ-2的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 熱熔鹽罐本體設(shè)計

罐底板及壁板：熱罐底板中心區(qū)域有3塊9.5mm厚的鋼板，其他區(qū)域的底板厚度為8mm，環(huán)形邊緣鋼板厚度分別為17mm和35mm。第一層壁板厚度為46.6mm。底板規(guī)格種類較多，存在因板厚差異而導(dǎo)致的焊接及應(yīng)力集中問題；底圈罐壁外表面沿徑向至邊緣環(huán)形板外緣的距離，國內(nèi)規(guī)范要求不應(yīng)小于50mm，且不宜大于100mm，而本項目為200mm，不符合國內(nèi)規(guī)范要求。

設(shè)計應(yīng)力選取：熱罐材料A-240 347H在570℃要求的最大許用應(yīng)力值為109.6MPa，實際上按照ASME II-D標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力數(shù)據(jù)來看，還存在是否適應(yīng)變形的差異。本項目實際熱罐罐壁設(shè)計取用的設(shè)計應(yīng)力值為95MPa。按照API650規(guī)范要求，罐壁設(shè)計應(yīng)力當(dāng)溫度超過93℃時應(yīng)為材料最小規(guī)定屈服強(qiáng)度的2/3乘以衰減系數(shù)，或者是規(guī)范中所給出的鋼板設(shè)計應(yīng)力值，取二者中的較少值。按照招標(biāo)規(guī)范的屈服強(qiáng)度（137MPa）來計算，設(shè)計應(yīng)力值至少應(yīng)小于91.3MPa，而本項目實際計算中取值為95MPa，不符合以上規(guī)范要求。

查詢該設(shè)計單位執(zhí)行的其他項目的應(yīng)力取值，明顯逐漸降低，相比于本項目余量越來越大。另外，按照設(shè)計公司有限元分析，最大應(yīng)力在罐底板與第一層壁板之間的焊縫處，在有限元應(yīng)力校核時沒有考慮焊接殘余應(yīng)力，但在實際熔鹽罐焊接過程中，焊接殘余應(yīng)力是不可避免的。輔助設(shè)備設(shè)計方面：熔鹽罐內(nèi)部一般均布置有熔鹽分配環(huán)，其中熔鹽排出開孔方向不同廠家有不同的設(shè)計，需要通過CFD及有限元模擬來進(jìn)行流場和應(yīng)力分析。需要注意設(shè)置排氣裝置，以免系統(tǒng)進(jìn)入空氣而導(dǎo)致管道及整個系統(tǒng)的振動；設(shè)備基礎(chǔ)沉降方面：該熔鹽罐基礎(chǔ)設(shè)計采用了柔性基礎(chǔ)，在熔鹽罐泄漏后對基礎(chǔ)的檢測中，未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)出現(xiàn)明顯的沉降。也就是說，罐體的泄漏并非由于熔鹽罐基礎(chǔ)沉降而導(dǎo)致的底板變形產(chǎn)生裂紋發(fā)生泄漏。

2.2 材料方面

本項目招標(biāo)規(guī)范書對材質(zhì)的要求，必須滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM A240 Gr 347H相關(guān)要求。實際熱罐347H鋼板從比利時采購，廠家性能數(shù)據(jù)滿足招標(biāo)要求。在熱罐取樣分析報告中，底板和壁板的力學(xué)特性、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸，硬度等與347H標(biāo)準(zhǔn)要求相一致，焊材也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 安裝（含焊接）方面

2.3.1 罐底板、背板安裝

罐底板安裝變形量的控制在施工階段部分位置控制有偏差，據(jù)施工人員說明間隙測量報告中最大58mm的點在中幅板上，而業(yè)主測量報告中最大點是33mm，也在中幅板上，說明底板安裝質(zhì)量控制不到位，變形量較大；罐底板對焊接的背板安裝要求：底板對接焊縫下面的背板（墊板）應(yīng)與罐底板貼緊并定位。底板安裝后部分變形將導(dǎo)致背板張口，在罐正常運行過程中，由于基礎(chǔ)接觸面為厚度30mm細(xì)沙，可能會阻塞罐底板收縮。

2.3.2 焊接方面

從底板的取樣分析結(jié)果來看，底板對接焊縫存在部分根部未熔合（2.2～2.5mm）或根部未焊透缺陷，削弱了底板的強(qiáng)度，在其他因素的推動下，會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，最終會造成熔鹽泄漏。從大角焊縫取樣分析結(jié)果來看，焊縫個別位置存在咬邊和焊縫焊波較深等外觀缺陷，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)存在宏觀缺陷和有害腐蝕雜質(zhì)。經(jīng)失效分析，發(fā)現(xiàn)裂紋沿著在應(yīng)力最集中的大角焊縫焊趾處萌生并沿金屬晶界擴(kuò)展，基本確定斷裂機(jī)理是由于高溫蠕變（應(yīng)力松弛）引起，理論上產(chǎn)生機(jī)理是在高溫下長時間高持久應(yīng)力下金屬產(chǎn)生晶界強(qiáng)度弱化引起。說明，大角焊縫的裂紋產(chǎn)生，基本是長時間運行過程中，發(fā)生高溫蠕變而產(chǎn)生，與材料選擇有較大關(guān)系。

業(yè)主認(rèn)為安裝期間大角焊縫焊接熱輸入過大和返修過多，會導(dǎo)致焊縫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力。在熱罐安裝期間，涉及大角焊縫PAUT（相控陣超聲檢測）檢查時，存在較大比例的返修焊縫。在檢查安裝記錄時，發(fā)現(xiàn)焊縫返修有焊接日志，但是沒有記錄返修熱輸入記錄。在565℃的運行溫度下，在溫度、時間和應(yīng)力的組合作用下產(chǎn)生裂紋并逐漸沿晶擴(kuò)展。

2.4 運行方面

設(shè)計運行要求：針對不同天氣狀況，熱罐在注入熱鹽有著嚴(yán)格要求，分別對多云天氣和晴天的工況對鹽溫控制有明確要求。陰天溫升2℃/min；連陰天后的晴天溫升5℃/min；連續(xù)晴天溫升4℃/min。本項目施工階段熱罐預(yù)熱信息：罐壁升溫速度控制在2～3℃/h，任何兩個罐壁測點溫差不得超過25℃。

實際運行控制：查詢項目部提供的歷史曲線數(shù)據(jù)，沒有發(fā)現(xiàn)溫度升降超過上述要求的時間段，在發(fā)現(xiàn)泄漏之前的運行操作也沒有異常，全廠正常停機(jī)，停機(jī)后整罐溫度均勻下降。經(jīng)統(tǒng)計本次停機(jī)冷卻時間及溫度數(shù)據(jù)，從溫度變化及歷史曲線來看，沒有超出設(shè)計的溫度升降5℃/min的范圍要求。

2.5 熱罐泄漏過程分析

關(guān)于熱罐底板熔鹽泄漏：按照基礎(chǔ)風(fēng)溫、熔鹽液位來看，發(fā)現(xiàn)泄漏之前熔鹽已經(jīng)開始泄漏，基本可以確定，在本次停機(jī)之后的罐體冷卻階段，在一些因素的共同作用，比如底板背板張口產(chǎn)生較大阻力以及罐底板組合階段的不平等因素限制了底板的運動，直接導(dǎo)致底板起包變形。底板起包使底板在最弱的有缺陷焊縫位置產(chǎn)生裂紋，泄漏了熔鹽。

關(guān)于大角焊縫裂紋，數(shù)量相對較多，根據(jù)取樣分析屬于高溫蠕變裂紋及短時拉裂裂紋。分析認(rèn)為一個是前期較長時間的高溫蠕變而導(dǎo)致的裂紋，另外一個是本次停機(jī)之后發(fā)生的短時高溫拉裂，在短時間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的罐體收縮變形，在大角焊縫殘余應(yīng)力的作用下，底板運動受阻、底板較大原始變形等，所有這些因素導(dǎo)致了大角焊縫的部分裂紋。針對罐壁與邊緣板之間的大角焊縫的裂紋，一種分析認(rèn)為該裂紋主要發(fā)生在停機(jī)之后的冷卻和熔鹽排空階段的較短時間，因為該焊縫已經(jīng)穿透壁板厚度的50%，在正常的運行過程中由于液位、溫度的不斷變化，如此深的裂紋無法保證罐的正常安全運行，該分析有一定道理，但與取樣檢驗數(shù)據(jù)有一定差異。

2.6 原因確定

設(shè)計方面（主要原因）。按照API650規(guī)范要求，罐壁設(shè)計應(yīng)力當(dāng)溫度超過93℃時應(yīng)為材料最小規(guī)定屈服強(qiáng)度的2/3乘以衰減系數(shù)，或者是規(guī)范中所給出的鋼板設(shè)計應(yīng)力值，取二者中的較少值。按照招標(biāo)規(guī)范的屈服強(qiáng)度（137MPa）來計算，設(shè)計應(yīng)力值至少應(yīng)小于91.3MPa，而本項目實際計算中取值為95MPa，不符合規(guī)范要求，從設(shè)計單位后續(xù)其他項目的應(yīng)力取值越來越少基本可以說明其逐步改進(jìn)優(yōu)化的方向。

罐底板安裝變形量的控制（直接原因）。在施工階段罐底板部分位置有較大變形，內(nèi)部的間隙測量報告中最大58mm的點在中幅板位置，不符合規(guī)范要求的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)規(guī)范要求：罐底焊接后，其局部凹凸變形的深度不應(yīng)大于變形長度的2%，且不應(yīng)大于50mm。經(jīng)查詢，在API650標(biāo)準(zhǔn)中，對于罐底板的安裝平整度沒有明確要求，因此后續(xù)建議按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以保證安裝質(zhì)量；在焊接方面（直接原因）。從現(xiàn)場的焊接返工量記錄和取樣分析的結(jié)果可以看出，現(xiàn)場焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷質(zhì)量控制較差。

總之，本次熱熔鹽罐的泄漏，主要是在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)受限的情況下，罐本體設(shè)計應(yīng)力取值余量較少，疊加安裝、焊接質(zhì)量控制不足的基礎(chǔ)上，最終造成了熔鹽罐泄漏，設(shè)計是主要原因，而安裝與焊接的缺陷則是直接導(dǎo)致了裂紋問題的發(fā)生。

2.7 現(xiàn)場修復(fù)

按照以上的原因分析，對現(xiàn)場泄漏的儲罐進(jìn)行修復(fù)，更換底板及壁板，嚴(yán)格按照焊接工藝評定進(jìn)行焊接作業(yè)和質(zhì)量控制。在罐體預(yù)熱升溫時需嚴(yán)格按照設(shè)計院提供的技術(shù)說明進(jìn)行，防止出現(xiàn)局部溫差過大導(dǎo)致罐體變形，嚴(yán)重的將產(chǎn)生裂紋。A240 Gr.347H屬于奧氏體不銹鋼，具有較低的熱導(dǎo)率和較高的線膨脹系數(shù)，焊件容易出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕等常見缺陷，焊接時應(yīng)采用小電流、窄焊道、多道焊、不擺動、低線能量輸入的焊接工藝，同時應(yīng)盡量保持較低的層間溫度，最好不超過150℃。

3 設(shè)計建議

按照以上的分析，現(xiàn)場泄漏的熱熔鹽儲罐已經(jīng)修補(bǔ)完成，運行良好。在后續(xù)的熔鹽罐的設(shè)計中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)計應(yīng)力選取，焊接質(zhì)量和殘余應(yīng)力控制等方面的建議如下。

罐底板焊接背板的設(shè)計使用問題：無論采用陶粒土增加混凝土隔離墻的基礎(chǔ)設(shè)計，還是采用耐火磚的基礎(chǔ)設(shè)計，總體上避免了局部沉降，但是兩者在基礎(chǔ)的頂面都設(shè)計了30mm的耐火細(xì)砂層，細(xì)砂粒徑為Φ1mm，仍然存在背板張口塞入細(xì)砂阻塞膨脹的風(fēng)險，建議后續(xù)設(shè)計過程中對背板的設(shè)計使用進(jìn)行模擬分析，提出相應(yīng)的避免阻塞的設(shè)計方案，或建議取消，同時考慮現(xiàn)場罐底板焊接質(zhì)量的可控性；設(shè)計應(yīng)力方面：針對本項目熱罐罐壁設(shè)計應(yīng)力值余量較少的問題，后續(xù)項目依據(jù)規(guī)范要求，要求設(shè)計單位提供數(shù)據(jù)選定計算書，確保設(shè)計應(yīng)力選取適當(dāng)，既能保證設(shè)備安全，又能降低工程成本。

安裝方面：嚴(yán)格按照圖紙施工，不漏焊；控制底板平整度沒有較大變形。加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制，避免產(chǎn)生較大焊接缺陷。大角焊縫焊接時采取間斷焊、分層焊、控制電流等措施嚴(yán)格控制熱輸入，減少熱變形，減少焊接殘余應(yīng)力。對焊接完成后的大角焊縫嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的ITP進(jìn)行無損檢測；防止變形措施：建議采用與壁板底板接觸更緊密的三角板進(jìn)行大角焊縫處的變形控制，三角板與壁板及邊緣底板采用花焊固定，注意三角板與焊縫位置預(yù)留焊接空間。關(guān)于防變形加固措施，也可與實際施工隊伍進(jìn)行溝通交流，最終確保采用有效的防變形措施。在罐底板安裝過程中，應(yīng)重點注意變形的控制，提前安排加工反變形工具，盡量確保罐底板的組合安裝平整度。

關(guān)于熔鹽罐的基礎(chǔ)型式，建議后續(xù)由柔性基礎(chǔ)向剛性基礎(chǔ)發(fā)展，以避免因基礎(chǔ)的沉降而導(dǎo)致熔鹽罐的泄漏的發(fā)生，或者對柔性基礎(chǔ)與剛性基礎(chǔ)進(jìn)行對比后選擇確定；關(guān)于熔鹽罐的設(shè)計，目前各家擁有自己的設(shè)計方法，沒有形成統(tǒng)一的導(dǎo)則，建議由有關(guān)部門盡快統(tǒng)一，出臺相關(guān)的熔鹽罐設(shè)計規(guī)范，更有利于熔鹽罐的設(shè)計安全、運行安全，尤其是在目前的“雙碳”目標(biāo)的大環(huán)境下，更有其必要性。