集中式太阳能发电与热储能的重要性
根据国际能源署（IEA）预测，若能获得足够的政府支持，到2050年，集中式太阳能发电（Concentrated Solar Power，CSP）有望满足全球超过11%的电力需求。然而，要与传统化石燃料发电竞争，CSP必须实现“可调度性”，而这一特性离不开高效的热储能（Thermal Energy Storage，TES）系统。
在CSP系统中，热储能通常依赖巨型储罐，容纳数千吨在300℃至600℃之间循环的熔盐。这些熔盐理论上可实现长期储热，每天仅损失约1℃的热量，主要用于日间发电与夜间高峰用电的“时间转移”。这种技术为CSP赋予了灵活性和稳定性，成为其核心竞争力。
347H不锈钢的挑战：应力松弛开裂
在热熔盐储罐的制造中，347H奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性和高温机械强度，一直是行业首选材料。然而，实际应用中，347H在约565℃的高温下运行一段时间后，其焊缝区域容易发生严重的应力松弛开裂（Stress Relaxation Cracking，SRC）。这种开裂源于焊接残余应力和合金微观结构在高温下的变化。高温运行时，347H的合金元素会向晶界扩散，形成碳化铌沉淀，导致局部应变累积，最终引发开裂。
为缓解这一问题，工程师常考虑焊后热处理（Post-Weld Heat Treatment，PWHT）以降低残余应力。然而，在厚壁储罐的现场施工中，PWHT操作复杂，稍有不慎可能适得其反，甚至诱发SRC或其他问题。值得注意的是，SRC问题不仅限于347H，核工业中316H等材料在高温环境中也曾出现类似失效案例。
Therma 4910：更优的材料选择
为应对SRC挑战，行业开始探索更具抗裂性能的替代合金及焊材。Therma 4910（EN1.4910，或316LNB）作为一种氮硼强化、低碳的316不锈钢变体，展现出卓越的抗蠕变性能和与347H相当的抗熔盐腐蚀能力。搭配16-8-2焊材（ER16.8.2），Therma 4910在高温下的抗SRC性能和热机械性能均优于347H常用的匹配焊材。
Therma 4910并非全新材料。早在20世纪末，它就以EN1.4910的身份应用于欧洲燃煤电厂的高温高压设备，积累了丰富的性能数据。如今，这款合金被重新引入，专门针对CSP热储能应用。
实验验证：Therma 4910的抗SRC性能
为进一步验证Therma 4910的潜力，Outokumpu、科罗拉多矿业学院、CSP行业领导者Vast Energy及施工伙伴CYD组建了一个产学研联合体，专门测试其抗SRC性能。由于目前尚无SRC的标准测试方法，团队采用了先进的Gleeble3500热机械模拟器，通过模拟厚壁储罐的冶金和应力状态进行测试。该设备可施加高达10吨的静载荷，并以极高速度（最高10,000℃/秒）加热试样。
实验重点评估了使用16-8-2焊材的Therma 4910热影响区（Heat-Affected Zone，HAZ）和熔合区（Fusion Zone，FZ）的SRC敏感性。结果显示，在600℃至800℃、持续22小时的测试中，Therma 4910的HAZ（初始真应力约650 MPa，0.174应变）和熔合区（屈服强度条件460 MPa）均未出现任何可检测的裂纹。相比之下，347H的HAZ和匹配焊材的焊缝在相同条件下数小时内即出现开裂。目前，团队正在进行更长时间的600℃测试及微观结构分析，以进一步验证其性能。
初步结论与未来展望
初步结果表明，Therma 4910在抗SRC方面显著优于347H。尽管其合金成分略高导致生产成本略高于347H，但其优异的高温强度可抵消这一差距。相较于SRC引发的储罐失效带来的经济和声誉风险，Therma 4910的成本增量微不足道。
随着CSP在电力和工业供热中的作用日益扩大，解决材料挑战至关重要。目前，热储能主要用于600℃以下的电力时间转移，但未来研究正探索更高温度运行以提升效率并降低成本。在这些苛刻条件下，Therma 4910凭借其优异的高温抗蠕变强度和抗SRC性能，有望成为热储能领域的关键材料解决方案。
原文链接：https://www.powermag.com/tackling-weld-failures-in-thermal-energy-storage-tanks/
作者：Andy Backhouse
本文已进行编译。
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