加速循环运行下地下盐穴储能的热力损伤与稳定性

《Renewable Energy》：Thermo-mechanical damage and stability of underground salt cavern energy storage under accelerated cyclic operations

　　

**摘要**

地下能源储存在深部盐穴中的应用已成为缓冲可再生能源并网波动性的战略需求。然而，可再生能源并网需求所要求的加速循环运行模式引入了严重的热-力学交替疲劳，加剧了结构失效和氢气迁移的风险。为克服经典稳态岩石力学模型的局限性，本文提出了一种引入连续损伤力学的热-力学全耦合Burgers模型。通过循环高压实验室试验和声发射监测进行验证，该模型准确捕捉了由热软化与有效应力放大所诱导的"S"形非线性损伤加速过程。将该模型应用于JK8-6盐穴，建立了一套涵盖动态强度安全系数、拉伸风险指数、总位移、等效黏塑性应变和损伤因子的五维综合稳定性评价框架。全生命周期数值模拟结果表明，传统的1次/年循环工况下，30年体积收缩率可控制在安全的4.02%以内；而加速至3次/年循环时，收缩率将飙升至19.39%，并突破0.5的工程损伤阈值，触发严重的宏观渗流风险。本研究为加速循环可再生能源并网条件下地下能源储存的安全长期管理提供了关键岩土工程指导。

**引言**

随着全球向可持续能源转型的加速推进，风能和太阳能等波动性可再生资源的渗透率正在快速提升[1,2]。然而，这些资源固有的间歇性和时空不匹配特性，要求大规模、长时储能技术以确保电网稳定[3]。利用剩余可再生电力电解水生产的绿氢，已被广泛认为是最佳的无碳能源载体[4]（图1）。正如Hassanpouryouzband等人的开创性研究系统评估的那样，大规模地质储氢仍然是向无碳经济过渡不可或缺的基础[5,6]，它克服了地表储存设施在容量和安全方面面临的严重局限性。为容纳巨量氢气，盐穴中的地下能源储存（UES）因其极低渗透率、优异的损伤自愈合能力以及良好的结构力学性能，被认为是极具前景的地质解决方案[7,8]。

传统盐穴UES主要用于季节性调峰。然而，与可再生能源系统耦合后，现代UES的运行模式已逐渐演变为加速的大幅度循环注采模式[9,10]。这种加速模式会触发强烈的热力学效应和复杂的失效风险。如图2所示，在注气阶段，高压气体持续压缩导致热量积聚；在采气阶段，气体膨胀做功和焦耳-汤姆逊效应导致腔体温降急剧下降[11]。氢分子具有极小的动力学直径和高扩散性，极易通过交替应力诱导的微裂隙渗透。此外，氢气在特定运行区间内表现出独特的负焦耳-汤姆逊系数，这改变了标准的热冲击特征，并严重加剧了近壁面疲劳热应力[12,13]。伴随加速的循环"热胀冷缩"过程，围岩面临体积显著收缩、拉伸开裂以及宏观氢气渗流加速失效等多种潜在失效模式。

近年来，学者们针对储氢用途的UES稳定性开展了广泛的岩土工程研究。近期的开创性工作显著推进了人们对循环热力学载荷下UES完整性认知的深化。例如，Zhang等人[14]研究了氢气在复杂岩基质中的分子层面行为，Ji等人[15]系统分析了层状岩盐储氢的技术特征和发展前景。此外，Esfandyari等人[16]和Imani等人[17]为地下氢气系统中的微生物反应、润湿性及固-液界面动力学提供了关键新见解。Iranfar等人[18]提出了一个用于评估和排序潜在地质储存场的综合多准则框架。在上述基础性工作的基础上，部分研究改进了经典蠕变模型。例如，Yin等人[19]使用分数阶导数修正了Burgers模型，Xiao等人[20]引入分数阶损伤蠕变以捕捉材料退化。现有研究还利用三轴压缩和声发射技术探讨了热-力学耦合效应[21]。然而，大多数模型假设蠕变参数恒定，未能实现温度场、应力场与损伤演化的动态耦合[22]。更重要的是，在温度和偏应力共同作用下，缺乏能够准确量化疲劳裂纹扩展及后续氢气迁移机制的评价体系，导致长期结构失稳预测存在显著偏差[23,24]。

针对UES的复杂失效特征，我们提出了一种"考虑损伤演化的热-力学耦合Burgers模型"。相较于纯粹的材料科学方法，该模型侧重于岩土结构力学响应，在经典框架中引入了热-力学耦合修正项和连续损伤变量。通过整合Arrhenius定律描述黏度演化，并结合损伤动力学方程刻画有效应力放大效应，实现了对盐岩在热-力学环境下性能退化的精准预测。依托实际盐穴工程，我们首先通过物理交替试验和声发射监测标定模型关键参数。随后，建立了一套涵盖动态强度安全系数（SF）、拉伸风险指数（RiskTensile）、总位移（Utotal）、等效黏塑性应变（εvp）和损伤因子（D）的综合结构评价体系。最后，对三种UES注采频率进行了30年数值模拟。研究揭示了加速循环运行诱导局部结构失稳的内在机理，为可再生能源系统中战略性储氢的安全全生命周期管理提供了坚实的理论支撑和岩土工程指导。

**章节摘要**

**UES围岩热-物理耦合损伤本构模型**

经典Burgers模型由Maxwell体和Kelvin体串联组成，能有效捕捉盐岩的初始弹性阶段、减速蠕变阶段和稳态蠕变阶段[25,26]。其标准本构关系和微分形式传统上表示如下：

ε = σ/E? + σt/η? + σ/E?(1 - e^(-E?t/η?))

ε? + (E?/η?)ε? = (1/E?)σ? + [(E?E? + E?η? + E?η?)/(E?η?η?)]σ? + (E?/(η?η?))σ

其中ε(t)为随时间演化的蠕变应变，其一阶导数ε?和二阶导数ε?分别表征应变率和应变加速度。

**损伤模型的实验验证**

由于现场深部钻孔的限制，采用巴基斯坦盐岩（直径200 mm，高400 mm）作为替代材料。它与金坛盐岩具有高度相似的物理性能，在不损害结构完整性的前提下，能够可靠地验证热-力学机理[36]。利用配备实时超声设备的物理模拟装置，通过溶矿法创建了一个缩尺微腔（最大直径62.58 mm，高75.12 mm，体积158.64 ml）。

**长期稳定性评价体系**

在加速循环注采条件下，UES面临热力学波动和复杂地质应力等多重挑战。为科学界定腔体的安全运行边界，单一的强度或变形指标已无法满足工程评价需求。基于第2节中考虑损伤演化的热-力学耦合模型，本研究构建了一套系统的综合长期稳定性评价体系。

**数值模拟与讨论**

为评估长期交替载荷的影响，基于JK8-6声纳测量数据和金坛地层资料建立了精细化的三维地质力学模型（图8）。光滑化盐穴（高89.7 m，最大直径69.2 m）位于200 m厚的盐层（埋深995–1195 m）中，上下被致密泥岩包围。模型边界远超盐穴尺寸的10倍，以消除边界效应。预模拟稳态试验确认，对原始声纳网格进行几何光滑化处理是可行的。

**结论**

聚焦于可再生能源并网中加速循环注采所诱发的复杂地质力学响应，本研究成功建立了一种引入连续损伤力学的热-力学全耦合Burgers模型。克服了经典蠕变模型的准稳态缺陷，所提框架整合了Arrhenius定律和损伤驱动的动力学方程，准确预测了"S"形非线性…

**CRediT作者贡献声明**

陈家松：原稿撰写、方法论、概念构思。丁哲康：监督指导、资源支持、概念构思。王 tongtao：调查研究、数据管理。廖有强：验证、资源支持。何涛：审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢以下机构的资金支持：国家自然科学基金重点项目（资助号U25B20133）、国家科技重大专项（资助号2024ZD1004107和2024ZD1004104）、国家重点研发计划（资助号2024YFB4007100）、国家自然科学基金（资助号52404066）以及武汉市自然科学基金（资助号2024040701010062和2024040801020255）。

陈家松 | 丁哲康 | 王 tongtao | 廖有强 | 何涛

重庆大学资源与安全工程学院，重庆 400044，中国