大直径冷熔盐储罐温度场及应力场的研究

赵 伟，徐卫兵，王 晓

(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2. 太阳能利用工程技术研究所，西安 710065)

0 引言

在塔式熔盐太阳能热发电站中，熔盐储罐是其核心设备之一，储罐设计的好坏关系着塔式熔盐太阳能热发电站能否正常运行[1-4]。若高温熔盐储罐设计不合理，会引起熔盐泄漏，将导致太阳能热发电站长期停运。比如美国新月沙丘熔盐电站(装机规模达110 MW)熔盐储罐因设计不合理导致电站停运8个月，西班牙塞维利亚的全球首座可实现24 h发电的Gemasolar太阳能热发电站因熔盐储罐设计不合理导致发生事故，使电站停运数月。

目前，投运、建设和设计的塔式熔盐太阳能热发电站均采用双罐直接储热方式[5-7]，冷熔盐储罐正常运行温度为290 ℃，热熔盐储罐正常运行温度为565 ℃。而在现有的石油储罐设计标准中，最高设计温度不超过250 ℃，不能满足熔盐储罐的设计要求。本文以青海省某塔式熔盐太阳能热发电项目为例，对其25 m直径的熔盐储罐(冷罐)进行温度场及应力场研究，分析不同因素对熔盐储罐结构强度的影响，从而为冷熔盐储罐的设计和施工提供依据。

1 结构及材料参数

熔盐储罐的罐体由罐顶、罐壁、罐底和保温层组成。青海省某塔式熔盐太阳能热发电项目的冷熔盐储罐的主要结构参数为：储罐罐壁中径φ为25.03 m；罐底中幅板厚度为11 mm，过渡板厚度为16 mm，边缘板厚度为22 mm；罐壁总高度为12.5 m；罐顶拱顶半径为30036 mm，拱顶高度为2862 mm；罐顶中心板厚度为10 mm，中间板厚度为15 mm，边缘板厚度为18 mm；罐顶布置环向和径向加强筋；罐体保温层厚度为400 mm。

该熔盐储罐罐体结构示意图如图1所示。图中，i为底板的坡度。熔盐储罐的罐壁按分段筒节壁厚设计，共分成6段筒节，如图1c所示；罐壁筒节的筒壁壁厚和高度如表1所示。每段筒节以筒壁壁厚中心位置进行对齐焊接。

表1 罐壁筒节的筒壁壁厚与筒壁高度Table 1 Thickness and height of tank wall shell section

罐壁与罐底板材料均选用Q345R，罐顶加强筋材料选用Q345D。查阅《压力容器》《压力容器材料实用手册》，这2种材料的参数分别如表2、表3所示。

对于罐体保温层的硅酸铝纤维毡材料，根据DL/T 5072-2007《火力发电厂保温油漆设计规程》，当温度小于等于400 ℃时，硅酸铝纤维毡材料的热导率k满足以下关系：

式中，T为熔盐温度，℃；f为固定值，查阅手册后此处取0.056。

表2 Q345R材料的参数Table 2 Parameters of Q345R

表3 Q345D材料的参数Table 3 Parameters of Q345D

由此可得到不同温度下保温层硅酸铝纤维毡材料的热导率，如表4所示。

表4 硅酸铝纤维毡材料的参数Table 4 Parameters of aluminum silicate fiber felt

2 有限元模型的建立

由于储罐整体结构呈现轴对称特征，因此选用ANSYS软件的平面实体轴对称单元建立储罐整体结构的有限元模型，储罐热力耦合计算采用热-结构顺序耦合分析方法。

热分析时，选用Plane77平面8节点热实体单元，然后赋予相应的热相关材料参数进行网格划分，共得到46214个单元和147697个节点，并消除了计算结果对网格的敏感性。

应力场分析时，将热分析时罐顶、罐壁、罐底的热单元转换成Plane183应力计算单元，并赋予结构材料参数。由于保温层仅用于罐体结构的保温，不参与罐体结构承载，因此在应力场计算时，需要删除保温层单元。储罐的几何模型与有限元网格如图2所示。保温层的厚度为400 mm，罐壁筒节的筒壁有限元计算厚度自下向上分别为 27、23、18、13、9、9 mm。

3 储罐荷载

3.1 对于温度场的计算

选择储罐内外侧温差最大时(此为最不利情况)进行温度场分析。储罐金属罐壁内表面、罐底上表面、罐底下表面施加工作温度300 ℃；储罐保温层外侧施加空气的对流传热系数为20.99 W/(m2·K)，设置空气环境温度为-27.7 ℃。

3.2 对于应力场的计算

将所选择的热单元转换为应力单元，并导入温度场计算的相应节点温度；然后在罐壁内表面施加随高度变化的熔盐静压，罐底上表面施加恒定熔盐静压，并对储罐整体施加重力加速度；最后在罐底下表面施加轴向(如图2中的Y方向)位移约束。

4 结构强度分析结果

4.1 温度场分析

图3为储罐整体的温度场分布云图。为了便于观察结果，图3只给出了3/4储罐的温度场分布云图。图中，MX为最大应力值；MN为最小应力值。图4为沿罐壁第5筒节的壁厚AA路径的温度分布曲线图。

根据图3、图4 可以发现：1)罐体内壁温度接近300 ℃，保温层外壁温度约为-25 ℃，接近环境温度-27.7 ℃；2)罐壁外侧温度也接近300℃，表明金属罐壁内外温差小，且这一温度接近于冷熔盐介质的温度；3)罐体金属层(AA路径的0～9 mm)的温降慢，而保温层(AA路径的10～409 mm)温降快，这是由于保温层的热导率远小于金属层Q345R材料的热传率，符合热传导规律。

4.2 温度应力分析

仅考虑温度荷载，而不施加任何机械荷载(熔盐静压、罐体自重)，可以得到罐体的von Mises等效应力云图和等效位移云图，分别如图5、图6所示。

通过图5、图6可以看出，由于温度荷载引起的罐体热应力非常小，最大值仅约为7.17 MPa，这是由于罐壁的内外壁温差过小所导致的。

由于罐体温度高(接近300 ℃)，易发生热膨胀，通过图6可以看出，罐体最大膨胀等效位移约为75.78 mm，发生在罐体上部。因此，在选择保温层材料时，需考虑此部分变形对保温层的影响。

4.3 综合应力分析

综合考虑温度荷载、熔盐静压荷载和罐体自重荷载，得到罐体整体结构的von Mises 等效应力云图和等效位移云图，分别如图7、图8所示。

通过图7、图8可知，储罐由于熔盐静压和罐体自重荷载引起的von Mises等效应力最大值可达到163.85 MPa，超过了Q345R材料在400℃时的许用应力125 MPa。最大应力发生在罐底与罐壁的焊接位置，这是由于罐体在该位置结构不连续，存在应力集中现象。虽然该局部高应力对结构的强度危害性较小，但对该位置的疲劳寿命存在一定的负面影响，设计时应局部加强。罐顶和罐壁焊接处虽然存在结构不连续，但应力小，可以满足强度要求。

从图8中还可以看出，罐体的最大等效位移为75.99 mm，发生在罐顶与罐壁焊接处，即罐体上部位置，大的位移值主要是由于热变形引起的。

罐体高应力区的应力分布情况如图9所示。

图9a是罐体纵向截面应力分布云图，最大应力出现在罐底与罐壁的焊接位置，最大von Mises等效应力(基于第四强度理论)为163.85 MPa。由于储罐在运行过程中，受力最为复杂的地方为罐壁与罐底交接的地方，沿着第1筒节焊接位置的NN路径，可得到基于第三强度理论下的应力强度(SINT)分布曲线，如图9b所示。可以看出，最大值为179.8 MPa，内外壁应力大，中间应力小，表明薄膜应力小，内外壁所受到的弯矩应力大。

利用ANSYS软件的路径线性化功能，即可对NN路径下SINT进行分类，得到的各类应力值如表5所示。根据JB 4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中5.3节的规定进行强度评价，高应力区NN路径的各类应力值均小于许用极限值，表明该位置强度足够，满足JB 4732-1995标准的要求。

表5 NN 路径的应力分类及强度校核结果Table 5 Checked stress classification and strength on the NN path

5 小结及建议

1)通过对储罐整体结构温度场的计算，可以得到储罐保温层外侧的热通量约为56.4 W/m2，小于绝热层表面最大允许热损失量167 W/m2，表明储罐罐体保温层的保温效果满足要求。

2)通过对储罐整体结构在储罐自重荷载、熔盐静压荷载、温度荷载作用下的应力场进行计算，可以得到罐体总体薄膜应力值始终在90 MPa以下，小于Q345R材料在400 ℃时的许用应力125 MPa，表明罐体整体结构的强度足够。另外，根据JB 4732-1995标准对该储罐罐壁与罐底的焊接位置高应力区进行评定，各类应力值均小于许用极限值，表明该位置的强度满足标准要求。罐体整体结构最大等效位移为75.99 mm，发生在罐顶与罐壁焊接处。

3)储罐罐体在高温下会产生较为明显的热膨胀变形，因此对罐体及保温层进行安装时，应对储罐的扩张变形进行充分考虑，以免因为强约束引起变形不协调而破坏结构。

4)罐体强度计算发现，最大应力出现在罐底和罐壁焊接处，因此建议在确保该位置的焊接质量的同时，也要确保该焊缝与罐壁要平滑过渡。

6 结论

本文以青海省某塔式熔盐太阳能热发电项目为例，对其直径25 m的熔盐储罐(冷罐)进行了温度场及应力场分析，并采用热-结构顺序耦合分析方法进行了储罐热力耦合的计算，精确得出了熔盐储罐罐顶、罐壁及罐底热变形和热应力的分布规律。本文结论对后续的大直径冷熔盐储罐设计、施工具有一定的指导意义。