Суперсплавы для энергетики, часть 1 — тепловой накопитель на солнечной соли MSES и Alloy 230

Развитие атомной энергетики и возобновляемых источников энергии идет рука об руку с развитием передовых, жаропрочных суперсплавов, способных работать в экстремальных условиях.

В этой серии статей мы рассмотрим технические решения, которые являются будущим энергетики, связанные с ними проблемы проектирования и исполнения, а также сплавы металлов, которые благодаря своим свойствам особенно хорошо справляются с поставленными задачами.

Хранилища тепла расплавленных солей / солнечной соли

Тепловой накопитель предназначен для хранения тепловой энергии с целью более эффективного управления поставками тепла/энергии. Они бывают различных форм, от простых резервуаров для воды до более сложных технологий.

Хранилища тепла расплавленных солей MSES (от англ. Molten Salt Energy Storage) хранят энергию с температурой в диапазоне 200-500°C и характеризуются высокой мощностью зарядки/разрядки. Они используются в сочетании с электростанциями концентрированной солнечной энергии (CSP), которые концентрируют огромные количества тепловой энергии и производят из нее электроэнергию. Расплавленные соли поглощают тепло, генерируемое в течение дня, и высвобождают его после захода солнца, что позволяет генерировать низкоуглеродную электроэнергию в часы пикового спроса.

Интересный факт

Слово «соль», присутствующее в названии технологии, не относится к известной нам вкусной белой субстанции, а к соли в химическом смысле — химическим соединениям, являющимся продуктом реакции кислоты с основой. Соли, широко используемые в устройствах MSES, представляют собой смесь эвтектического нитрата калия и нитрата натрия (селитры), так называемую соляную соль. Поэтому в польском языке правильно говорить не о хранилищах для расплавленной соли (единственное число), а о хранилищах расплавленных солей или хранилищах тепла для солнечной соли.

Вызов для металлических сплавов

Задача: Трубы, образующие теплоприемник, должны а) хорошо выдерживать резкие и частые циклы нагрева и охлаждения в среде расплавленной смеси нитрита и нитрата в диапазоне температур 200-500 °C и б) обладать устойчивостью к частым утомительным нагрузкам.

Коррозия: Среда расплавленных солей является высококоррозионной, эффективно удаляя защитный слой с многих металлических сплавов. Коррозия происходит в основном за счет окисления, а затем растворения металлов в смеси солей. Присутствие водяного пара в соли ускоряет коррозию. Расплавленные соли могут вызывать равномерную, точечную и межкристаллическую коррозию. Расплавленная смесь нитрата натрия и нитрита калия вызывает быструю коррозию чистого никеля, углеродистой стали и хромо-молибденовой нержавеющей стали.

Усталость: Трубы должны выдерживать 30 000 циклов растяжения и сжатия, что соответствует нагреванию и охлаждению.

Решение: сплав 230

Alloy 230 — это сплав никеля, хрома, вольфрама и молибдена с превосходной жаростойкостью и отличной коррозионной стойкостью в среде с соединениями азота, успешно используемый в тепловых накопителях на расплавленных солях.

Устойчивость к соединениям азота. Ниже представлены результаты поглощения азота в течение 168-часового испытания в текущем аммиаке при температуре 650 °C (по данным производителя Haynes® International):

• сплав 230: 0,7 мг/см3
• сплав 600: 0,8 мг/см3
• сплав 625: 0,8 мг/см3
• сплав X: 1,7 мг/см3
• сплав 800H: 4,3 мг/см3
• сплав 316 SS: 6,9 мг/см3

Устойчивость к усталости, термическая стабильность: сплав 230 сохраняет высокую пластичность даже при длительном воздействии высоких температур. Это главное преимущество данного сплава по сравнению со сплавами 625 и X. Результаты основаны на данных производителя Haynes® International:

Ценность сплава 230 для тепловых накопителей на солнечной соли подтверждается следующими цитатами:

«Трубы из никелевых сплавов, особенно из сплава alloy 230®, эффективно противостоят усталостным нагрузкам и ползучести».
~ Брюс Келли, Презентация Nitrate Salt Receivers, Solar Dynamics LLC

«Более высокая жаропрочность сплава Haynes^®230^® позволяет уменьшить сечение труб на 75 % по сравнению с менее качественными сплавами без ухудшения несущей способности».
~ Haynes International

Другие сплавы, которые стоит учитывать

Сплавы alloy 625, alloy 600 и alloy X также обладают высокой коррозионной стойкостью в среде нитратов, но менее устойчивы к усталости. Тем не менее, они являются альтернативой сплаву alloy 230®.