太阳能吸热器性能分析与防护措施研究

许继刚，肖 刚，徐志强

(1.中国能源建设集团有限公司工程研究院，北京 100022；2.浙江大学，浙江 杭州 310058)

0 引言

太阳能吸热器是太阳能热发电站的关键设备，负责吸收太阳热能并传递给传热工质，其热转换效率直接影响整个太阳能热发电系统的效率和稳定性。太阳能吸热器常用的传热介质包括导热油、水/水蒸气、熔融盐、空气和金属颗粒等，吸热器不仅需要承受高温高压的复杂工作条件，而且还受到传热工质特性影响，因此运行中易出现腐蚀、热应力、蠕变-疲劳等问题。

为了解决高温熔盐在光热能利用中的金属材料腐蚀问题，段洋[1]等研究了高温静态熔融盐对吸热器金属材料的腐蚀情况，研究发现321不锈钢、Inconel 600 和Incoloy825 等材料在不同氯化物质量分数下的耐蚀性。王金梁[2]等的研究结果揭示氯化物质量分数对熔盐腐蚀速度的显著影响。刘温锐[3]研究发现特定条件下，特定材料与熔融盐的混合物在耐腐蚀性上表现出可行性，这为实际应用中的材料选择提供了参考。

吸热器的性能还受热应力分布的影响，何雅玲[4]研究发现使用高导热性能管材和合理的流路设计能有效降低热应力。张沧洪[5]等对水蒸汽吸热器展开研究，发现沸腾管和过热管的传热特性存在显著差异。张媛[6]以超临界二氧化碳吸热器为研究对象，发现减小壁厚、增大管径能有效降低壁面热应力。牛树群[7]研究了塔式太阳能熔盐吸热器，发现适当减小吸热管内径、吸热管壁厚、入射热流密度或适当增大入口熔盐温度或熔盐入口流速,有利于提升吸热器的力学性能。

吸热器在高温和高热流密度工作条件下运行会导致复杂的热应力和蠕变现象。刘敏[8]等研究了以超临界二氧化碳为循环工质的螺旋管腔式太阳能吸热器，发现能流越大，局部温度越高，而局部能流梯度越大，其热应力也越大，这些因素都加剧了局部蠕变，减少了使用寿命。黄凯欣[9]等发现温度较低时，疲劳失效是主要破坏机制，而在较高温度下，蠕变-疲劳相互作用导致了更复杂的破坏模式。

因此，需要对吸热器的材料、结构、工艺等进行优化设计，提高其可靠性和耐久性。本文介绍了影响太阳能吸热器性能和寿命的主要因素，分析了相应的评价方法，并针对各项因素提出了提高吸热器性能和寿命的相应措施。

1 太阳能吸热器耐腐蚀性

太阳能吸热器的腐蚀是由于热工质与管材之间的化学反应或物理作用而导致管材表面或内部的损坏，其原因主要有以下几方面：1)不同的热工质对管材的腐蚀性能有不同的影响，高温下的熔盐、颗粒和气体都会对管材产生腐蚀或磨损作用，导致管材变形、开裂或泄漏；2)不同的管材材质对热工质的耐受能力不同，镍基合金、不锈钢等材料具有较好的耐高温、耐腐蚀和抗疲劳特性，而普通碳钢、低合金钢等材料则容易被热工质侵蚀或氧化；3)管材的结构设计也会影响其受力和变形情况，从而影响其抗腐蚀能力；4)太阳能吸热器在运行过程中，可能会受到外界环境的影响，如空气中的水分、氧气、二氧化碳、硫化物等都会加速管材的腐蚀过程；5)吸热器在日常运行中会经历多次升温和降温过程，涉及到升温速率、频率以及高低温差等参数；快速升温可能导致吸热器材料快速膨胀，增加材料的应力，从而加速热工质与管材之间的化学反应；频繁的温度变化可能会引起吸热器材料的疲劳，对吸热器的寿命和耐久性产生显著影响；大幅度温度变化会导致吸热器材料的膨胀或收缩，引起内部应力，加剧腐蚀和疲劳。

1.1 吸热器耐腐蚀评价

1.1.1 金属耐蚀性10级标准

金属耐蚀性10 级标准是一种根据金属的腐蚀速率大小来划分金属耐腐蚀性能的方法，以每年的腐蚀深度来表示。根据中国腐蚀与防护学会主编的《金属防腐蚀手册》将金属材料耐腐蚀性分为10 级[10]，见表1 所列。

表1 金属耐蚀性10级标准分类表

1.1.2 耐点蚀当量

耐点蚀当量(pitting resistance equivalent number，PREN)是一种以金属中某些元素的质量分数为基础的一套算法，数值常被用于耐点腐蚀比较的评定方法。一般来说，耐点蚀当量值越高，金属对局部点腐蚀的抵抗能力越强。耐点蚀当量值可以根据合金的化学成分按照不同的公式算出。以镍基合金为例，耐点蚀当量P经验公式为：

式中：PCr、PMo、PW、PNb分别为材料中铬、钼、钨、铌元素耐点蚀当量，mm/a。

1.2 太阳能吸热器耐腐蚀措施

为了解决太阳能吸热器的腐蚀问题，可采取以下办法：

1)选择耐高温、耐腐蚀和抗疲劳的管材材料，如镍基合金、各类不锈钢等。图1 给出了2520、304、316L、321 四种材料腐蚀动力曲线[11]，因此，根据所使用的热工质选择适当的管材材料，可以保证在特定工作条件下能够抵抗腐蚀影响。

2)采用合理的运行控制策略，加强吸热器的运行和维护管理。

2 太阳能吸热器热应力

2.1 太阳能吸热器热应力影响因素

由于太阳能的间歇性和空间分布的不均匀性，会导致吸热器壁面产生温度梯度和热应力，影响系统的安全性。热应力产生的主要因素有：1)太阳光时间和空间的不均匀性，会导致吸热器表面受到不同程度的热冲击，产生周期性的温度波动和应力波动；聚光系统的设计和调节以及吸热器的几何形状和位置，使得太阳辐射在吸热器表面的分布是非均匀的，通常呈现出高斯分布或其他非对称分布，导致吸热器表面存在较大的温度梯度和应力梯度；2)由于吸热器由不同结构和材料的部件组成，部件之间存在不同的热膨胀系数、弹性模量、泊松比等物理参数，当温度变化时，会产生相互作用和变形不协调，从而引起内部应力；3)由于吸热器内外部环境之间存在温差和压差，会导致吸热器内外壁面产生不同程度的传热差异，从而引起内外壁面温度和应力的差异。

2.2 太阳能吸热器热应力评价方法

线弹性断裂准则是一种评价弹性条件下开裂结构断裂安全性的方法。它主要有两种形式：应力强度因子K和能量释放率G，这两种判据在线弹性条件下是等价的。当K或G达到材料的断裂韧性时，裂纹就会扩展并引起断裂。即

式中：K为应力强度因子，MPa/m2；KIc为断裂韧性，MPa/m2。

式中：G为能量释放率，MN/m；GIc为断裂能，MN/m。

应力强度因子K的计算公式为：

式中：Y为几何修正因子；σ为热应力，MPa；a为裂纹长度，mm。

根据Qu J[12]等对断裂力学理论的研究，裂纹长度一般达0.1 ～0.3 mm 时即可认为该部件应力断裂失效。

能量释放率G的计算公式一般为：

式中：E为材料的弹性模量，MPa。

线弹性断裂准则可用于评估太阳能吸热器中吸热管的断裂风险。通过计算吸热管的K值或G值，并与材料的K或G值进行比较，可以判断吸热管是否达到临界断裂条件。如果是水/蒸汽吸热器，过热管的K或G值比沸腾管大，因为过热管承受较大的圆周温度梯度和弯曲应力。

2.3 太阳能吸热器热应力防护措施

针对太阳能吸热器热应力问题，主要有以下解决三种方法。

1)根据吸热器的结构和性能，以及太阳能的聚光特性，选择能够在高温高压下稳定工作、具有较高比热容和较低膨胀系数的工质，以及合理的流量、流速和流程等参数。

2)选择具有相近膨胀系数和弹性模量的结构材料，或采用复合材料，减少当吸热器受高温高压作用时，因膨胀或收缩导致的应力集中和不均匀现象，提高吸热器的可靠性和耐久性。

3)优化吸热器结构形式和尺寸，通过改变吸热器管屏、集箱、管接头等部件的形状、大小和排列方式，可以改善吸热器的受力状态，减小应力梯度和应力集中区域，提高吸热器的整体稳定性，降低吸热器的材料成本。图2 给出了不同吸热管内径对中间段熔盐温度的影响情况[11]，在其他条件相同的情况下，外置式熔盐吸热器的工质温度受吸热管内径的影响，当管径增大时，熔盐温度升高，同样的吸热管壁温也会增加，因而要考虑到吸热管材料的限制，适当增加吸热管直径。

图2 不同吸热管内径对中间段熔盐温度的影响

3 太阳能吸热器蠕变-疲劳

太阳能吸热器蠕变-疲劳是指太阳能吸热器在高温下同时承受蠕变和疲劳载荷作用时，发生的失效现象。蠕变-疲劳是一种复杂的损伤机制，涉及到蠕变、疲劳、氧化、腐蚀等多种因素的相互作用。太阳能吸热器在工作过程中，需要承受高温、高压和高循环的载荷，因此容易发生蠕变-疲劳现象。其主要影响因素有工质温度、工质压力、工质流量、工质循环次数、吸热器结构形式、吸热器材料性能等。

3.1 太阳能吸热器蠕变-疲劳评价方法

美国机械工程师协会制定的锅炉和压力容器规范规定了用于高温下工作的核设施构件的蠕变-疲劳评价方法，称为线弹性方法。线弹性方法是一种基于弹性应力分析和蠕变-疲劳损伤参数的评价方法，适用于在高温下工作的金属材料，如奥氏体不锈钢、镍基合金等。其基本步骤：1)确定构件的安全分类、设计条件、材料特性和载荷谱；2)对构件进行弹性应力分析，计算各个位置的应力幅值和平均应力；3)根据材料特性和应力状态，选择适当的蠕变-疲劳损伤参数，如C、F、Cr等；4)根据载荷谱，计算各个位置的蠕变-疲劳损伤累积值；5)将蠕变-疲劳损伤累积值与允许值进行比较，判断构件是否满足设计寿命要求。

C是一种基于蠕变裂纹扩展速率的损伤参数，它反映了裂纹尖端的应力强度因子和蠕变区尺寸的综合效应，其定义为：

式中：C为损伤参数，MPa；U为裂纹尖端的能量释放率，MN/m；a为裂纹长度，m。

F是一种基于蠕变-疲劳裂纹扩展速率的损伤参数，它反映了裂纹尖端的应力强度因子、蠕变区尺寸和循环载荷幅值的综合效应，其定义为：

式中：F为损伤参数，MPa；ΔK为应力强度因子幅值，MPa/m2；E为有效弹性模量，MPa；a为裂纹长度，m。

Cr为一种基于蠕变-疲劳损伤累积值的损伤参数，反映了材料在高温下经历多个循环载荷后，发生的总损伤程度，其定义为：

式中：Cr为损伤参数，MPa；n为循环次数；Nf是疲劳寿命，次；t为保载时间，s；tR为持久强度，s；B为交互作用系数。

3.2 太阳能吸热器蠕变-疲劳防护措施

为了解决太阳能吸热器蠕变-疲劳问题，可采取的防护措施包括：

1)材料受到其微观结构和缺陷的影响，因此应该选择具有较高的蠕变强度、较低的蠕变速率、较高的断裂韧性和较好的抗氧化性能的材料，如奥氏体不锈钢、镍基合金等。同时，应该避免使用含有易形成脆性相或沉淀物的元素，如碳、硫、磷等，以减少材料的敏感性。

2)吸热器结构设计应该考虑到其受力状态和温度分布，尽可能减小应力梯度和应力集中区域，提高吸热器的整体稳定性。同时，应该避免使用过于复杂或细长的结构形式，以减少局部变形和裂纹萌生的可能性。

3)吸热器工作参数包括工质流量、流速、流程、温度、压力等，这些参数会影响吸热器的传热效率和受力情况，因此，应该根据吸热器的类型和性能，选择合理的工作参数，以保证吸热器的安全运行和高效发电。同时，应该避免出现过大或过快的温度或压力波动，以减少循环载荷对吸热器的影响。

4)采用有效的评价方法。常用的评价方法包括有线弹性断裂准则、非线弹性断裂准则和损伤机理模型等。

4 结语

本文针对影响太阳能吸热器性能和寿命的主要因素进行研究，分析了国内外相关研究成果及影响因素，介绍了对于太阳能吸热器腐蚀、热应力、蠕变-疲劳的评价方法，并给出相应的防护措施：

1)针对太阳能吸热器腐蚀问题，建议采用高抗腐蚀性能的材料，如镍基合金或不锈钢，并控制热工质的化学成分，以维护合适的腐蚀环境。此外，通过优化吸热器的结构设计，选择合适的管道材料，采用智能控制系统，以及实施定期的检查和维护措施。

2)针对太阳能吸热器热应力问题，建议选择适应吸热器运行状态的工质参数，如控制工质温度和流速，以减轻吸热器的热应力负荷；采用隔热材料或空气层可以有效降低外部环境温度对吸热器的影响；优化吸热器的结构形式和尺寸，以减少热应力的集中和最大值。

3)针对太阳能吸热器蠕变-疲劳问题，建议选择适应工作条件的材料特性，以满足吸热器在特定温度和工作条件下的需求。