CO2埋地管道泄漏區(qū)土壤形貌及溫度場(chǎng)研究

喻健良，劉少榮，閆興清，曹 琦，閆振漢,2

(1.大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

碳捕集與封存技術(shù)(Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱CCS)是近年來降低二氧化碳(CO2)排放、緩解溫室效應(yīng)最有效的碳減排技術(shù)[1-2]。在該技術(shù)中，CO2一般通過埋地管道輸運(yùn)[3-4]。由于埋地管道不可避免地存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)[5-6]，因此全面評(píng)價(jià)CO2埋地管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)，是構(gòu)建CO2管輸安全技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

目前，管道泄漏研究主要集中于油氣管道方面[7-9]，現(xiàn)有針對(duì)CO2埋地管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)的研究也多集中在地上管道[10-12]，研究成果基本解釋了地上管道CO2泄漏及擴(kuò)散行為[13-14]。近些年部分研究人員開始關(guān)注CO2埋地管道。如Hyun等[15]通過CO2淺層埋地管道泄漏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CO2氣體的水平擴(kuò)散受土壤條件的影響更大；Yan等[16]通過小規(guī)模埋地泄道泄漏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在泄漏口附近會(huì)形成干冰球；林罡等[17]研究發(fā)現(xiàn)，CO2埋地管道周圍形成了環(huán)狀溫度場(chǎng)，其內(nèi)層溫度低、外層溫度較高；Chen等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，CO2埋地管道泄漏至土壤區(qū)后，土壤的有機(jī)質(zhì)含量會(huì)持續(xù)升高，且土壤的電導(dǎo)率、pH值、硝酸鹽含量會(huì)持續(xù)下降；劉正剛等[19]研究發(fā)現(xiàn)，埋地管道氣相CO2泄漏口附近形成干冰，且最低溫度達(dá)到-80℃。

現(xiàn)有的針對(duì)CO2埋地管道的研究成果對(duì)泄漏口附近的低溫、凍土、干冰球等現(xiàn)象有了初步了解，但還未形成規(guī)律性結(jié)論?；诖?，本文開展了小規(guī)模CO2埋地管道泄漏試驗(yàn)，探討泄漏口附近土壤形貌、管壁及土壤區(qū)溫度分布，以為深入研究CO2埋地管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置主要由絕熱氣瓶、緩沖罐、主管道、氣動(dòng)泄放、埋地管道、土壤箱、加熱保溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中，緩沖罐容積為10 L；主管道為DN25，全長(zhǎng)10 m，管段之間采用螺紋連接；為了控制管內(nèi)溫度和壓力，在緩沖罐及主管道外壁纏繞電加熱帶及保溫棉，且在兩者上面布置了2個(gè)壓力和4個(gè)溫度傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)壓力、溫度數(shù)據(jù)；埋地管道長(zhǎng)度為0.8 m，在距離管道末端0.4 m處開孔，泄漏口向上，孔徑為2mm。

圖1 試驗(yàn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)圖

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在埋地管道泄漏區(qū)和土壤區(qū)周圍進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)布置，待測(cè)參數(shù)包括泄漏口處管壁溫度和土壤溫度。如圖2、圖3所示，沿泄漏口管壁軸向方向布置6個(gè)熱電偶，距泄漏口遠(yuǎn)端布置1個(gè)管壁和1個(gè)管內(nèi)熱電偶；在泄漏口周圍沿4個(gè)方向共計(jì)布置12個(gè)熱電偶，其中A向?yàn)樾孤┛谪Q直向上，B向?yàn)楣艿垒S向，C向?yàn)楣艿赖撞控Q直向下，D向?yàn)楣艿浪綇较?。采用T型熱電偶，響應(yīng)時(shí)間為1 s，誤差為±0.5℃，所有熱電偶信號(hào)均由美國(guó)NI公司的CompactDAQ實(shí)時(shí)控制器和Labview軟件采集至電腦中。

圖2 埋地管道熱電偶布置(單位：mm)

圖3 埋地管道土壤區(qū)周圍測(cè)點(diǎn)分布(單位：mm)

1.3 埋地條件

埋地管道所處的土壤環(huán)境對(duì)結(jié)果有一定的影響。本文結(jié)合實(shí)際情況，選用含沙量高、保水性較差的沙土(測(cè)量得到其物理性質(zhì)參數(shù)見表1)，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為1 m、寬度為0.6 m、高度為0.6 m的沙箱，試驗(yàn)時(shí)通過改變沙土高度來模擬管道不同埋地深度。沙箱的底部以及四個(gè)側(cè)面均采用透氣性好的無紡布包覆。

表1 試驗(yàn)用沙土的物理性質(zhì)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)步驟及初始條件

CO2埋地管道泄漏試驗(yàn)的操作步驟如下：

(1) 檢查試驗(yàn)裝置氣密性：在搭建好試驗(yàn)裝置后，關(guān)閉各個(gè)閥門，進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并檢測(cè)試驗(yàn)裝置的氣密性及承壓能力。

(2) 氣體吹掃:確保試驗(yàn)裝置氣密性良好后，依次打開氣動(dòng)球閥、緩沖罐和絕熱氣瓶上的進(jìn)氣閥，吹掃5 min，之后關(guān)閉氣動(dòng)球閥，待緩沖罐與絕熱氣瓶壓力一致時(shí)，關(guān)閉其余閥門。

(3) 控制灌裝量：依次打開緩沖罐和絕熱氣瓶上的進(jìn)液閥、緩沖罐上的排空閥，通過緩沖罐側(cè)方的石英液位計(jì)來觀察CO2液位，并根據(jù)試驗(yàn)初始相態(tài)嚴(yán)格控制液位刻度，當(dāng)達(dá)到對(duì)應(yīng)刻度后，依次快速關(guān)閉排空閥和兩個(gè)進(jìn)液閥，靜置10 min。其中，氣相所需刻度為1.0，超臨界相所需刻度為10.0。

(4) 沙箱覆土:按照試驗(yàn)要求往沙箱內(nèi)倒入不同深度的沙土，壓實(shí)靜置。

(5) 升溫升壓:開啟電加熱帶，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀察主管道不同位置處的壓力和溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)值，若壓力達(dá)到試驗(yàn)壓力、溫度仍低于特定溫度，則通過手動(dòng)控制排空閥進(jìn)行泄壓；反復(fù)調(diào)整直到溫度和壓力達(dá)到試驗(yàn)要求，之后，關(guān)閉電加熱帶。

(6) 進(jìn)行試驗(yàn):當(dāng)管內(nèi)壓力、溫度穩(wěn)定之后，依次開啟數(shù)據(jù)采集和攝像，然后啟動(dòng)氣動(dòng)球閥，待管內(nèi)壓力降為0之后，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集和攝像，清理沙土；重復(fù)上述(2)至(6)步驟過程，完成所有試驗(yàn)。

本試驗(yàn)開展了初始?jí)毫? MPa、初始溫度為40℃的氣相，以及初始?jí)毫? MPa、初始溫度為40℃的超臨界相CO2管道分別在埋地深度為(以下稱埋深)0 mm、200 mm、400 mm時(shí)的泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)總計(jì)6組。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 土壤表面形貌分析

圖4為埋深為200 mm和400 mm的氣相和超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)土壤表面形貌。

圖4 埋深為200 mm和400 mm的氣相和超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)土壤表面形貌

由圖4可見：埋深為200 mm的氣相CO2管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏CO2沖破土壤，在泄漏口上方形成倒圓錐型空洞[見圖4(a)]。由于沒有土壤的掩埋，泄漏出的CO2立刻與周圍空氣發(fā)生熱交換，溫度快速上升，因此不會(huì)有干冰堆積。埋深為0 mm的氣相CO2埋地管道泄漏結(jié)果與此類似。埋深為200 mm的超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，在偏離泄漏口100 mm位置，CO2沖破沙土薄弱區(qū)形成噴射流，射流口直徑約30 mm，射流過程夾帶干冰，形成“干冰雨”[見圖4(b)]，且噴射過程斷斷續(xù)續(xù)；超臨界相CO2埋地管道的壓力高于氣相CO2的壓力，卻并不能立刻吹破土壤，這是由于超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏瞬間形成干冰，射流溫度要低于氣相發(fā)生，周圍會(huì)快速形成凍土環(huán)境，氣體滲透率較小，阻礙作用增強(qiáng)，而氣相CO2埋地管道泄漏溫度較高，不能形成凍土且土壤阻力不夠，氣體滲透率高，土壤被立刻吹起；當(dāng)埋深為400 mm的氣相和超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏CO2不能沖破土壤，高速氣流及干冰會(huì)擠壓泄漏口周圍的土壤，使得土壤發(fā)生隆起，并伴隨少量氣體溢出[見圖4(c)]，這是由于土壤阻力巨大，氣體滲透率變小，氣流難以溢出，凍土球逐漸增大擠壓表層土壤所致。

由此可見，CO2埋地管道發(fā)生向上泄漏時(shí)，土壤表面受到泄漏介質(zhì)的沖擊效果，可能形成3種形貌，分別定義為“小孔射流”[圖4(a)]、“土壤噴射”[圖4(b)]和“土壤隆起”[圖4(c)]。因此，CO2埋地管道泄漏時(shí)發(fā)生何種土壤形貌與CO2初始相態(tài)、管道埋地深度等因素有關(guān)。

2.2 泄漏口凍土球形成

圖5為埋深為200 mm的超臨界相CO2埋地管道泄漏口形成的凍土球。

圖5 埋深為200 mm的超臨界相CO2埋地管道泄漏口形成的凍土球

由圖5可見，該凍土球包覆在管道周圍，直徑約為240 mm[見圖5(a)]；凍土厚度約為50 mm，溫度約0℃，內(nèi)部為干冰[見圖5(b)、(c)]；干冰包裹在管道周圍，且在管道正上方為空心圓柱區(qū)，內(nèi)部溫度約為-40℃[見圖5(d)]。

凍土球的結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 凍土球結(jié)構(gòu)示意圖

由圖6可見，凍土球由內(nèi)向外依次由空腔層、干冰層和凍土層組成。其中，空腔層為圓柱形狀，由高速射流沖擊形成；干冰層附著在管道周圍；最外層則為凍土層。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沒有發(fā)生“土壤噴射”的情況下，泄漏口上方都會(huì)形成凍土球。凍土球的形成原因分析如下：低溫射流使得土壤中的水分凝結(jié)，水分子以薄膜水的形式從相對(duì)溫暖區(qū)域向相對(duì)寒冷區(qū)域遷移，水分在遷移的過程中逐漸發(fā)生凍結(jié)，使得土體發(fā)生膨脹，形成凍土球。形成的凍土球同樣阻隔了CO2與外界換熱，且干冰不能被氣流帶出凍土球，干冰層在凍土球內(nèi)不斷堆積。

由于CO2自身性質(zhì)的特殊性，CO2管道泄漏形貌與油氣管道相比存在很大的差異，干冰及凍土球的形成一方面會(huì)導(dǎo)致管道低溫的存在，另一方面會(huì)導(dǎo)致土體膨脹，容易推動(dòng)管道向上運(yùn)動(dòng)，引起翹曲，甚至拱出地面，使管道偏移原來的敷設(shè)路徑，增加脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 泄漏口附近管壁溫度分布

圖7為埋深為0 mm和400 mm的氣相CO2埋地管道泄漏口附近管壁溫度的分布情況。

圖7 埋深為0 mm和400 mm的氣相CO2埋地管道泄漏口附近管壁溫度的分布情況

由圖7可見，氣相CO2埋地管道整個(gè)泄漏過程泄漏口附近不同測(cè)點(diǎn)管壁溫度變化分為三個(gè)階段：0～t1為溫度上升期(T上升)，t1～t2為溫度下降期(T下降)，t2泄放結(jié)束為溫度回升期(T回升)。氣動(dòng)泄放閥門打開后，溫度較高的CO2進(jìn)入泄漏管，使得管壁溫度升高，但是最靠近泄漏口的測(cè)點(diǎn)受焦-湯效應(yīng)的影響較大，出現(xiàn)短時(shí)溫降。根據(jù)已有的研究顯示[20]，在泄漏過程中管內(nèi)流體由超臨界相轉(zhuǎn)為氣液兩相，閃蒸和介質(zhì)膨脹作用大于管內(nèi)流體與管壁以及管壁與空氣的換熱，管壁溫度近似于線性下降，且最低溫度與距泄漏口位置有關(guān)；隨后管內(nèi)流體相態(tài)主要為氣相，泄漏速率較小，焦-湯效應(yīng)作用減弱，并且管壁溫度與空氣的換熱增強(qiáng)，溫度緩慢升高。氣相CO2管道在埋深為400 mm時(shí)，泄漏口附近管壁不同位置處各測(cè)點(diǎn)的最低溫度分別為-36.8℃、-21.0℃、-13.0℃、-10.0℃、-8.5℃、-5.5℃，相比于埋深為0 mm時(shí)，最低溫度更低，溫度梯度更加明顯，這是由于土壤的阻隔作用使得冷量在泄漏口附近積聚，與外界換熱減弱，使得各測(cè)點(diǎn)溫度更低。

圖8為不同埋深的超臨界相CO2埋地管道泄漏口附近管壁溫度的分布情況。

圖8 不同埋深的超臨界相CO2埋地管道泄漏口附近管壁溫度的分布情況

由圖8可見，超臨界相CO2埋地管道整個(gè)泄漏過程不同測(cè)點(diǎn)管壁溫度變化同樣分為三個(gè)階段，但增加管道埋地深度，相同測(cè)點(diǎn)處管壁最低溫度降低，低溫持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。受限于CO2自身物理性質(zhì)，管壁所能達(dá)到的最低溫度在CO2沸點(diǎn)附近，約-78.5℃。相比于氣相工況，超臨界相CO2泄漏時(shí)管壁承受低溫更低，并且低溫持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，危險(xiǎn)程度高于氣相CO2泄漏。這是由于超臨界相CO2初始?jí)毫Ω?，介質(zhì)密度大，同樣的泄漏口徑下，閃蒸和介質(zhì)膨脹作用強(qiáng)烈，冷量積聚效應(yīng)要比氣相明顯。

圖9為當(dāng)TW-1達(dá)到最低溫度時(shí)，氣相和超臨界相CO2埋地管道各測(cè)點(diǎn)管壁溫度與距離泄漏口距離的擬合曲線，該擬合曲線滿足指數(shù)關(guān)系(y=a-b·cx)。

圖9 氣相和超臨界相CO2埋地管道各測(cè)點(diǎn)管壁溫度與距離泄漏口距離的擬合曲線

由圖9可見，管道埋地深度的增加對(duì)靠近泄漏口位置管壁溫度的影響較小，對(duì)遠(yuǎn)離泄漏口位置管壁溫度的影響較大；在同等埋地深度下，超臨界相CO2埋地管道各測(cè)點(diǎn)管壁溫度梯度的變化要大于氣相CO2埋地管道，而氣相CO2埋地管道在遠(yuǎn)端處管壁的最低溫度要低于超臨界相CO2埋地管道。這是由于氣相CO2埋地管道中TW-1達(dá)到最低溫度所需的時(shí)間大約為400 s，而超臨界相CO2埋地管道則為150 s左右，整個(gè)過程的熱量交換要更加充分。

在泄漏過程中，流體流過管道壁面時(shí)與壁面之間進(jìn)行對(duì)流換熱，管道內(nèi)壁面與流體之間形成熱邊界層，使得壁面法向方向溫度存在差異[21]。在實(shí)際工程中，常用努賽爾數(shù)(Nux)來表示泄漏過程中的流體與管道壁面的換熱強(qiáng)度。本文選擇距離泄漏口200 mm位置處的數(shù)據(jù)，在工程經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到努賽爾數(shù)(Nux)[22]的計(jì)算公式如下：

式中：Nux為努塞爾數(shù);D為管道內(nèi)徑(mm);hx為傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；qe為單位面積的熱通量(W·m2)；Tw為管壁溫度(℃)；Tin為管內(nèi)流體介質(zhì)的溫度(℃)；cV,stl為管道金屬材料的熱容(常數(shù))(kg/m3)；ρstl為管道金屬材料的密度(kg/m3)；δstl為金屬管道的體積(m3)；Te為管道的溫度(℃)；Ae為管道內(nèi)表面積；dTe/dt為管壁溫度的導(dǎo)數(shù)。

圖10為不同埋深的超臨界相CO2埋地管道泄漏口附近努賽爾數(shù)(Nux)的變化情況。

圖10 不同埋深的超臨界相CO2埋地管道泄漏口附近努賽爾數(shù)(Nux)的變化情況

由圖10可見，Nux在泄漏初期變化十分劇烈，隨后快速下降，最終趨勢(shì)變緩，這是由于氣動(dòng)泄放閥門打開后，管內(nèi)流體因壓力下降而發(fā)生突降，但是此時(shí)單位面積熱通量最大，介質(zhì)和管壁換熱小，傳熱系數(shù)最大，因此初始階段的強(qiáng)制對(duì)流換熱強(qiáng)度最大；隨著壓力的減小，流體溫度逐漸減小，管內(nèi)流體逐漸進(jìn)入穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，Nux變化相對(duì)較小；此外，管道不同埋地深度下，Nux前期變化不同，主要是由于管道埋深的增加，在土壤的保溫及氣流阻隔作用下，對(duì)泄漏口附近的湍流產(chǎn)生影響，管內(nèi)流體溫度低于埋深為0 mm情況，管壁法向溫度梯度增大，Nux變小。

2.4 泄漏口附近土壤區(qū)溫度分布

圖11為埋深為400 mm的超臨界相CO2埋地管道在泄漏口附近土壤區(qū)不同方向溫度的分布情況。其中A、B為射流方向，C、D為射流背向。

圖11 埋深為400 mm的超臨界相CO2埋地管道在泄漏口附近土壤區(qū)不同方向溫度的分布情況

由圖11可見，超臨界相CO2埋地管道在泄漏后10 s內(nèi)，泄漏口附近土壤區(qū)A射流方向不同測(cè)點(diǎn)的溫度分別為-73.2℃、-70.4℃、-42.2℃、-1.8℃，且距離泄漏口越遠(yuǎn)，溫降幅度越小，溫降速率越小，這是由于泄漏瞬間焦-湯效應(yīng)使得泄漏口產(chǎn)生巨大的溫降，導(dǎo)致泄漏口附近的土壤凍結(jié)，形成封閉低溫環(huán)境，而低溫環(huán)境使得CO2閃蒸作用減弱，射流方向干冰長(zhǎng)度增加，因此前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度都要低于-70℃，而第三個(gè)測(cè)點(diǎn)由于處在干冰和凍土的分界線附近，受射流換熱和干冰熱傳導(dǎo)的影響明顯，最遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)處在凍土位置，僅受薄弱射流影響，溫度變化小，而隨著時(shí)間的進(jìn)行，近端測(cè)點(diǎn)溫度保持恒定，遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)溫度繼續(xù)下降，表明干冰層和凍土球在不斷外擴(kuò)，且距離泄漏口位置越遠(yuǎn)，土壤區(qū)的溫降幅度越小；B射流方向前3個(gè)測(cè)點(diǎn)在泄漏后30 s內(nèi)即處在最低溫度附近，表明已經(jīng)布滿干冰；而C和D射流背向處在泄漏口下方，相比于泄漏口上部，此區(qū)域內(nèi)的土壤溫降速率緩慢，這是由于此處受干冰的影響較小，只能依靠與冰冷氣流換熱實(shí)現(xiàn)溫降，干冰堆積進(jìn)程緩慢。

圖12為埋深為200 m的超臨界相CO2埋地管道泄漏口附近土壤區(qū)A和C方向溫度的分布情況。

圖12 埋深為200 mm的超臨界相CO2埋地管道泄漏口附近土壤區(qū)A和C方向溫度的分布情況

由圖12可見，在A射流方向，相比于管道埋地深度為400 mm情況，泄漏口附近土壤區(qū)10 mm處測(cè)點(diǎn)在泄漏后10 s時(shí)都處在最低溫度附近，其余測(cè)點(diǎn)在溫降速率方面明顯小于后者，且最遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)在溫降速率和最低溫度上差距更大；在C射流背向，管道低埋地深度下溫降發(fā)生在300 s附近，溫降速率遠(yuǎn)小于管道高埋地深度情況，且遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)最低溫度要高于后者，這是由于埋地深度的增加，土壤的滲透率減小，射流受到的土壤阻力增加，且干冰和凍土環(huán)境使得其滲透率進(jìn)一步減小，冷量積聚增加，干冰生成量增多，堆積速度加快。

由此可見，在相同相態(tài)條件下，管道埋地深度的增加，泄漏口附近土壤區(qū)在射流方向達(dá)到最低溫度所需的時(shí)間更短，且干冰體積更大；在射流背向，泄漏口附近土壤區(qū)溫度波動(dòng)更為劇烈，區(qū)域內(nèi)的溫降速率明顯提高，且干冰堆積所需的時(shí)間縮短。

圖13為埋深為400 mm的氣相CO2埋地管道泄漏口附近土壤區(qū)A和C方向溫度的分布情況。

圖13 埋深為400 mm的氣相CO2埋地管道泄漏口附近土壤區(qū)A和C方向溫度的分布情況

由圖13可見，氣相CO2埋地管道泄漏口附近土壤區(qū)A和C方向溫度的變化規(guī)律與超臨界相CO2類似，但溫降速率明顯減小，達(dá)到最低溫度的時(shí)間明顯增長(zhǎng)；而在C射流背向，整段時(shí)間內(nèi)溫度并沒有降低，不存在干冰生成，這表明在同等的管道埋地深度下，超臨界相CO2由于初始?jí)毫Ω?，灌裝量大，土壤區(qū)的溫降情況要比氣相CO2更劇烈。

圖14為CO2埋地管道泄漏口附近干冰堆積示意圖。

圖14 CO2埋地管道泄漏口附近干冰堆積示意圖

由圖14可見，CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，在焦-湯效應(yīng)和流體閃蒸等作用下，泄漏口附近會(huì)發(fā)生劇烈溫降，造成干冰堆積，并且由于土壤阻隔作用，干冰會(huì)沿著泄漏口及管道環(huán)向進(jìn)行蔓延，最終會(huì)包圍整個(gè)管道。

相比于油氣管道，CO2埋地管道泄漏時(shí)的溫降要更加明顯，且低溫維持能力更強(qiáng)，因此對(duì)其開展以溫度為主的泄漏檢測(cè)具有較強(qiáng)的可行性，特別是針對(duì)發(fā)生微小滲漏而振動(dòng)效應(yīng)很小的場(chǎng)合，可根據(jù)分布式測(cè)溫原理，通過連續(xù)采集管壁或土壤溫度，建立與時(shí)間相關(guān)的溫度場(chǎng)，用來分析與識(shí)別CO2埋地管道泄漏事件的發(fā)生。此外，對(duì)于測(cè)溫光纜的鋪設(shè)，由于干冰環(huán)繞整條管道，不論采用緊貼管道壁面分布，還是采用緊貼保溫層分布都能得到比較好的效果。

3 結(jié) 論

(1) 氣相和超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，表面土壤會(huì)呈現(xiàn)3種形貌，即“土壤噴射”、“土壤隆起”和“小孔射流”，后兩種形貌會(huì)在泄漏口附近形成包覆管道的凍土球，凍土球包含空腔層、干冰層和凍土層三部分。

(2) 氣相和超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，對(duì)于泄漏口附近的管壁溫度，氣相條件下測(cè)得的管壁溫度要小于超臨界工況，非埋地管道要小于埋地管道，并且在“土壤隆起”和“小孔射流”下，管壁溫度下降劇烈，最低溫度為-77℃左右。受干冰環(huán)境的影響，管道埋地深度的增加不會(huì)使得管壁溫度繼續(xù)下降，而是使得管壁溫降速率增大，低溫范圍增大。

(3) 氣相和超臨界相CO2埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，對(duì)于泄漏口附近土壤區(qū)土壤區(qū)不同方向溫度的分布情況，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，泄漏口任意方向，都出現(xiàn)了不同程度的溫降，從泄漏口到管道底部處的土壤區(qū)溫度分布呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；管道埋地深度的增加，使得泄漏口附近土壤區(qū)在射流背向的溫降速率增大，溫降增大。此外，泄漏口附近土壤區(qū)溫度變化情況對(duì)于實(shí)施分布式測(cè)溫光纖檢漏具有一定的指導(dǎo)意義。