二氧化碳管道意外泄漏減壓過程的斷裂控制研究進展

陳磊，閆興清，胡延偉，于帥，楊凱，陳紹云，關輝，喻健良，HMAHGEREFTE Haroun，MARTYNOV Sergey

（1 大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024；2 大連大學經(jīng)濟管理學院，遼寧 大連 116622；3 Department of Chemical Engineering,University College London,London WC1E 6BT,UK）

CO是一種典型的溫室氣體，其日益增加的排放量對全球氣候變暖有較大貢獻。我國是CO排放大國，在第75 屆聯(lián)合國大會期間我國明確提出：“采取更加有利的政策和措施，CO排放量于2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和?！薄O的捕集、利用及封存（CCUS）是降低碳排放最具有潛力的技術。在CCUS產(chǎn)業(yè)鏈中，相較于槽車、鐵路罐車和船舶等輸運方式，管道在輸運大量、連續(xù)二氧化碳時具有較高的經(jīng)濟性。據(jù)統(tǒng)計，全球已投入使用的CO輸運管道約5100km，主要分布在歐美國家。工業(yè)過程中，以密相或超臨界相CO的管道輸運方式較為經(jīng)濟和高效。我國CO管道輸運技術起步較晚，2007 年中國第1 套CCSEOR（enhance oil recovery，EOR）示范項目在吉林大情字井油田進行，管道全長53km，管內為氣態(tài)CO，產(chǎn)能達50 萬噸/年。據(jù)中國國家科技部公布，國內有20個CCUS示范項目處于建設和使用中。

近十年來，國內外研究人員對CO輸運管道安全問題開展了大量研究，取得了較多進展。郭曉璐等基于實驗和模擬研究對超臨界CO管道泄漏后管內減壓、近場射流膨脹和遠場擴散過程進行了綜述和展望；李玉星等歸納了含雜質氣態(tài)CO輸送管道腐蝕的研究成果，展望了管道腐蝕研究亟待解決的科學問題。這些綜述對了解目前CO管道安全問題提供了較強參考和指導。

CO輸運管道在運行時受第三方損害、管內外受腐蝕、焊接質量、地震、管道材料或結構失效、超壓、違規(guī)操作等影響均可能造成管道泄漏或斷裂。因CO的焦耳-湯姆遜系數(shù)較大，導致泄漏口附近出現(xiàn)較大溫降，使管道韌性值降低。因CO管道減壓波的規(guī)律與天然氣等介質不同，管道在低溫環(huán)境中易發(fā)生裂紋長程擴展斷裂，泄漏的CO經(jīng)壓力和溫度變化、近場射流膨脹、遠場擴散后形成重氣高濃度區(qū)易造成環(huán)境和安全災害。故CO輸運管道的安全問題備受研究人員關注。

分析國內外研究CO輸運管道成果發(fā)現(xiàn)，目前對屬于CO輸運管道安全問題的重要方向之一——管道泄漏減壓過程的斷裂控制，還未有綜述性文獻，不便于研究人員快速、系統(tǒng)了解該研究方向的進展及成果?；诖?，本文綜述CO輸運管道泄漏減壓過程的斷裂控制研究進展，凝練提出當前CO管道斷裂控制研究亟待解決的科學問題，為我國CO管道安全及CCUS技術的發(fā)展提供參考。

1 管道泄漏減壓行為

CO管道一旦開裂，泄漏口處壓力并非立即下降至大氣壓力，而是由斷裂位置向管道兩端產(chǎn)生減壓波，如圖1所示。在氣體介質中減壓波傳播速度慢，通常低于管壁上發(fā)生的裂紋擴展速度，在這種條件下，斷裂將形成持續(xù)擴展。減壓波速度為局部聲速與流質平均速度的差值，即-。當減壓波速度小于裂紋擴展速度時，管道持續(xù)斷裂擴展，反之管道實現(xiàn)止裂。故理解管道泄漏減壓行為，是開展斷裂控制研究的基礎。

圖1 管道斷裂擴展

1972年Maxey等結合巴特爾管道紀念所對天然氣管線鋼全尺寸斷裂做的工作，提出了適用于烴類介質的巴特爾雙曲線法（Battelle two curve model，BTCM），如圖2 所示。Battelle 雙曲線法將減壓波速度曲線（黑色粗實線）和管道斷裂速度曲線（黑色細實線）相匹配而成，當兩曲線相切時，定義為管道止裂所需的最小止裂韌性。因CO管道泄漏時存在相變，裂尖處隨著高壓氣體的膨脹產(chǎn)生較高的壓力平臺，該壓力為裂尖端持續(xù)擴展提供了驅動力，導致管道裂紋長程斷裂擴展，斷裂擴展速度的計算方法可參考文獻[21]。

圖2 Battelle雙曲線法

因CCUS 產(chǎn)業(yè)鏈輸運時并不是純CO，而是存在不同種類和濃度的雜質。當含有H、N、O、Ar、CH、SO、NO等雜質時，雜質的含量程度將造成管道內CO輸運時相變分層、泄漏時減壓波平臺升降、泄漏擴散距離不易掌握等不確定性。對管道內純CO和含雜質CO物性參數(shù)變化規(guī)律的研究有助于對減壓波更深入地認識，對管道安全控制起到至關重要的作用。而對管道泄漏減壓規(guī)律的探究有助于深入了解管內介質熱力學變化特性，同時可指導近場膨脹射流、遠場擴散運動機理的研究。減壓過程CO熱力學特性參數(shù)如相特性、密度、可壓縮性等參數(shù)可影響減壓波傳播速度，繼而影響管道斷裂控制。對CO熱力學特性的研究離不開狀態(tài)方程（equation of state，EOS）。CO作為一種實際氣體，狀態(tài)方程復雜，類型多樣，故一定程度上增加了管道泄漏減壓行為研究的難度。

從研究方法看，早期針對減壓行為的研究主要采用理論與實驗結合的方法。近年來，隨著計算技術的發(fā)展，興起了采用數(shù)值模擬方法研究減壓波的熱潮。本節(jié)以理論及實驗研究、數(shù)值模擬研究兩方面綜述管道泄漏減壓行為研究進展。

1.1 理論及實驗研究

Cosham 等、Barnett 等、Massimo 等、Aursand 等、Liu 等、Wareing 等、Porter等通過已開展的全尺寸斷裂實驗結果表明，CO的減壓波變化規(guī)律與天然氣等烴類介質截然不同，不同相態(tài)和組分的CO輸運管道泄漏后減壓波與貧氣和富氣相比具有較長的減壓波壓力平臺，因此BTCM 止裂判據(jù)不能直接用于CO輸運管道斷裂擴展的研究中。現(xiàn)有的研究也發(fā)現(xiàn)，密相態(tài)或超臨界態(tài)CO在減壓過程中相較于天然氣管道輸運更易發(fā)生延性斷裂。

Cosham等基于Span&Wagner（SW）狀態(tài)方程、Groupe Européen de Recherches Gazières（GERG）狀態(tài)方程、Peng&Robinson（PR）狀態(tài)方程對純CO和含不同摩爾濃度雜質的CO混合物臨界壓力、溫度、減壓波速度等物性參數(shù)進行了計算，并與Maxey實驗得到的減壓波數(shù)據(jù)進行了對比，PR狀態(tài)方程計算結果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢相同，誤差在允許范圍內，其編寫的GASDECOM 軟件為開展預測減壓波速度研究建立了基礎理論。Massimo等采用該理論，開展了兩種摩爾濃度N的X65 管道全尺寸斷裂實驗，開發(fā)的GASMISC 模型與管道斷裂實驗結果較為吻合，驗證了Cosham 等建立的理論體系的可行性。Aursand 等采用PR 狀態(tài)方程、EOSCG-GERG 狀態(tài)方程對純CO和含雜質CO減壓波進行了計算，同時考慮了CO在管道存在摩擦和傳熱，研究發(fā)現(xiàn)CO的飽和壓力計算值與采用的狀態(tài)方程和雜質有關，雜質的存在和比例提高了飽和壓力值和臨界凝析壓力值，其引入摩擦和傳熱的因素是對減壓理論的優(yōu)化。Botros 等在理論基礎上用激波管試驗了不同摩爾濃度的Ar、O、N雜質的減壓過程，研究發(fā)現(xiàn)GERG-2008狀態(tài)方程比PR 狀態(tài)方程的計算結果與實驗值更吻合，因GERG-2008狀態(tài)方程引入的數(shù)據(jù)豐富，但編寫狀態(tài)方程程序較為復雜。同時發(fā)現(xiàn)含Ar的比例越高，在臨界點附近更難定義相包線，CO初始溫度偏低（5～10℃）時，減壓波壓力平坦降低更益于止裂，從管道阻裂韌性值角度來看，GERG-2008狀態(tài)方程的預測結果給出的安全系數(shù)偏高，其給出的安全系數(shù)與實際應用間的關系需深入研究。Dall’Acqua等將管內介質看作是一個孤立系統(tǒng)，假設CO在相變和流動時與管道間不存在熱交換的等熵模型，并基于均相流模型（homogeneous equilibrium model，HEM）和PR 狀態(tài)方程開發(fā)了PRDECOM 程序，比Cosham等開發(fā)的程序預測精度高，因為PRDECOM開發(fā)時引用的CO物性數(shù)據(jù)是經(jīng)過多次修正的，物性參數(shù)更準確。

Drescher 等基于均相流模型、均勻松弛模型（homogenous relaxation model，HRM）開展了含有N的CO管道減壓波測試實驗，發(fā)現(xiàn)N含量越高，溫度下降越快，溫降幅度也最大，HRM 理論與實驗結果更吻合。Munkejord 等在HEM、HRM理論基礎上考慮摩擦和傳熱因素對純凈和含有N、He 的CO開展了實驗研究，在兩相區(qū)域內HRM 比HEM 理論對減壓波速度與預測值吻合更好，因此綜合考慮影響實驗的因素對建立理論模型更為準確。多項研究發(fā)現(xiàn)HRM 是目前研究管內相變最理想的模型。

中國石油大學李玉星等基于搭建的實驗管道對純凈和含有不同濃度N的氣、液/密、超臨界相CO進行了減壓波泄放實驗，實驗管道中透明視窗可觀察泄漏過程中管內相態(tài)變化規(guī)律，基于HEM、HRM理論研究了減壓過程中單相、兩相形成過程中壓降、溫降、密度、焦耳-湯姆遜系數(shù)等熱力學參數(shù)變化特性，綜合考慮了管壁摩擦、換熱等因素，建立了減壓波預測模型，在BTCM法基礎上建立了一種由管內介質初始條件可迭代計算符合輸運要求的管道尺寸和韌性值的理論。搭建的實驗裝置如圖3所示。

圖3 中國石油大學（華東）搭建的實驗裝置

大連理工大學喻健良等基于歐盟第七框架COPipeHaz和COQUEST合作項目，結合熱力學定律、氣泡成核理論、傳熱理論分析，研究了不同相態(tài)、壓力、溫度下泄放后管內和管外CO熱力學特性、相變規(guī)律、擴散規(guī)律。郭曉璐等在該裝置上開展了氣相、密相、超臨界相實驗，基于最大應力起裂準則和BTCM 法對X80、X90、X100 管線鋼不同安全系數(shù)（=1.5、2.0、2.5）下CO管道斷裂中減壓波速度和管道斷裂速度的關系進行安全分析，研究結果表明：相較于氣相和密相CO，超臨界CO的初始減壓波速度最小，而對管道安全系數(shù)的要求最高。圖4所示為大連理工大學建立的工業(yè)規(guī)模實驗裝置。

圖4 大連理工大學建立的工業(yè)規(guī)模實驗裝置

目前對于純CO輸運管道泄漏/斷裂后管內減壓過程中管內介質參數(shù)物性變化的研究不斷受到關注，研究成果也日益增多，但主要集中于實驗室規(guī)模。因CCUS 產(chǎn)業(yè)鏈中輸運的CO不可避免含有不同濃度和種類的雜質，進而造成管內介質物性、熱力學特性發(fā)生改變，目前對含雜質CO輸運管道泄漏減壓方面研究處于起步階段，研究方法上主要尋求最優(yōu)氣體狀態(tài)方程，以求獲得精準的減壓波預測模型。研究發(fā)現(xiàn)開發(fā)的GASDECOM、GASMISC、EOSCG-GERG、PRDECOM減壓波預測軟件在不同狀態(tài)方程基礎上均基于范德華型組分混合規(guī)則建立，這就意味著除單一組分的臨界性質，混合物中分子之間作用力、分子形狀（偏心性）等因素都會影響混合物的相性質。挪威船級社發(fā)布的DNV RP J202 文檔中對含有雜質的CO管道設計推薦建議使用PR 狀態(tài)方程?，F(xiàn)階段混合模型主要針對二元混合氣體，應深入對于多元氣體混合模型的研究，有益于多元雜質下的安全輸運。表1 為國內外CO泄漏減壓方面具有代表性的理論和實驗研究成果。

表1 國內外CO2泄漏減壓方面理論和實驗研究成果

1.2 基于減壓理論的模擬計算

因全尺寸管道實驗資金投入高、實驗周期長、實驗重復性低等特點，在上述實驗研究基礎上采用數(shù)值模擬方法可對CO輸運管道減壓波變化特性進行更深入的研究。

Godbole 等基于管內介質與管壁間摩擦和管道直徑對減壓波的傳播速度有影響的考慮，在CFX軟件中模擬了全尺寸管道打開后管內介質流動形態(tài)變化?；趯Τ隹谄矫娴牧鲃涌偸勤呄蛴谝粋€阻塞的實驗現(xiàn)象，將全孔徑減壓建模為瞬態(tài)范諾流模型，預測了管內馬赫數(shù)值隨減壓過程的變化規(guī)律，該模型全面考慮了減壓過程中管道對減壓波的影響。

Elshahomi等采用Fluent軟件，通過用戶定義函數(shù)（user defined functions，UDF）程序調用了GERG-2008 狀態(tài)方程動態(tài)庫，基于密度求解器的平流上游分裂法計算了CO混合物的熱力學性質，并依據(jù)Cosham 等、Botros 等的實驗參數(shù)，模擬了初始溫度和雜質對減壓波速度的影響，提出流體中“雜質”的冷凝可影響管內流體相變化，目前該觀點需在實驗過程中進行論證。Park 等將GERG-2008 狀態(tài)方程編寫成UDF 程序在Fluent 軟件中對含雜質CO管道減壓波變化規(guī)律進行了模擬，該CFD 模型成功跟蹤了減壓過程中壓力的快速下降規(guī)律，并解釋了減壓過程中的相變現(xiàn)象，在相同初始壓力下，提高初始溫度可降低初始減壓波速，同等雜質摩爾比例下含有H的減壓波平臺最高，CO、O、N依次次之，與Aursand 等的實驗規(guī)律相似，但和實驗結果存在偏差。Liu 等采用同種理論分析了減壓過程中管內CO處于液相、氣相的熱力學性質，通過引入傳質和潛熱的源項和時間松弛因子的非平衡氣液理論模擬了相變過程，模擬研究發(fā)現(xiàn)松弛因子的取值可改變相變過程，對減壓波速度數(shù)值的影響更為明顯。該模型獲得的減壓波速度模擬結果與其開展的實驗研究具有高度吻合，但GERG-2008 狀態(tài)方程封裝為動態(tài)文件且受版權保護，無法廣泛推廣。Tatiana等同樣引入質量轉化系數(shù)通過Fluent 軟件基于PR 狀態(tài)方程建立了考慮非平衡相變的純CO二維多相減壓模型，與文獻中參考的實驗結果吻合度高，但PR 狀態(tài)方程比GERG-2008 方程構建簡單，模擬結果誤差在允許范圍內。PR 狀態(tài)方程結構簡單，易于掌握且預測誤差相較于GERG狀態(tài)方程僅在高溫度、高壓力區(qū)存在差異，故圍繞該狀態(tài)方程建立理論模型的研究較豐富。

Jie 等采用任意拉格朗日歐拉方法（arbitrary Lagrangian Euler method，ALE）和HEM 以Cosham等公布的實驗數(shù)據(jù)為初始條件在Fluent 軟件上建立了計算流體動力學模型，該模型可預測含雜質的氣相和密相CO的管道破裂后的瞬態(tài)流動和管內介質的熱力學行為，減壓波的模擬結果的變化規(guī)律與Cosham 實驗數(shù)據(jù)相符合。Jie 等的研究成果說明綜合考慮管壁壁摩擦和管間換熱、不同的狀態(tài)方程、雜質種類對減壓波速度的預測著直接的影響。Xu等基于CFD 和HEM 建立的管道排空減壓模型CFD-DECOM，對Maxey發(fā)布的富氣、氣相、液相CO實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，可預測減壓波和反射波的傳播規(guī)律，對反射波的研究Guo等開展的實驗研究中雖有描述，但反射波對管內介質特性的變化和減壓波的影響尚未開展研究。

除CFX、Fluent 模擬軟件，油氣儲運行業(yè)標準工具OLGA多相流瞬態(tài)模擬平臺可模擬地面管網(wǎng)中流體與時間相關的瞬態(tài)流動過程，精確預測生產(chǎn)系統(tǒng)中如流量、壓力、溫度、流體組分等關鍵參數(shù)。Gelein 等利 用OLGA 軟 件 中SPT 模 塊 對Sn?hvit CO研究項目中減壓實驗結果進行了模擬，認為該模塊預測的減壓波數(shù)值與實驗值有一定的吻合性，但還需改進預測精度，開展的泄放實驗指出減壓過程中存在相態(tài)變化和傳熱，并測定了泄放過程中管內、外和總換熱系數(shù)。OLGA軟件功能模塊缺乏靈活的自定義函數(shù)修改，相關操作教程不易獲取，對CO管道輸運方面的研究適用性不具優(yōu)勢。

常規(guī)的計算機模擬主要通過建立幾何模型、構建理論方程、選擇合適的求解器等操作，彌補實驗研究方面的補足。在進行減壓波傳播過程模擬時，使用Fluent軟件居多，預測結果和實驗數(shù)據(jù)之間的誤差在可接納范圍內。研究理論上主要以均相流模型為主，早期的研究人員認為泄漏時屬于高速射流階段，介質流速較快，可忽略相間滑移。Park等和Tatiana等認為流速在一定范圍內時應考慮，同時需考慮介質與管壁間的換熱，在長距離輸運時等熵模型是不適用的。因此隨著科研成果的增多，在建立數(shù)學模型時，應更充分地考慮模型的邊界條件的設置。表2 為國內外CO泄漏減壓方面具有代表性的模擬研究成果。

表2 國內外CO2泄漏減壓方面模擬研究成果

2 管道斷裂控制

現(xiàn)有的輸運管道失效研究借鑒于油氣管道的起裂、擴展、止裂判據(jù)，Zhu、謝麗華等對國內外輸氣管線止裂韌性的預測方法進行了綜述，純CO和含雜質CO在不同相態(tài)的實驗研究和模擬研究成果尚未進行歸納與總結?；诖?，從實驗研究和數(shù)值模擬計算兩個方向對管道安全控制方面的研究進展進行了綜述。

2.1 實驗研究

1972 年Canyon Reef Carriers 公司建成第一條CO輸運管道，Maxey等陸續(xù)開展了對CO管道安全輸運方面的研究，研究結果和建議一直推動著全球CO管道輸運的技術進步，實驗研究規(guī)模比較大 的 主 要 為COOLTRANS 項 目、COQUEST 項目、COPipeHaz項目、DNV GL項目、BIGCCS項目。

管道受管內介質的作用，受周向應力是軸向應力的兩倍，所以管道在斷裂擴展時以軸向擴展，在周向方向上形成止裂。未避免運行斷裂及延性擴展，提高管道管體韌度值的設計使管道通過管體韌性形成止裂，或者是采用不同結構的止裂器強制止裂。Cosham 等開展了采用不同預置裂紋長度、不同CO濃度和初始狀態(tài)下的三組全尺寸斷裂實驗。Test1-Test2 斷裂張開口為“皮瓣”型和“魚嘴”型，Test3 斷裂張開口呈“平鋪”型，并形成了斷裂擴展，研究發(fā)現(xiàn)造成管道斷裂外觀不同的兩個因素是初始缺陷的長度和管道的韌性與阻止延性斷裂所需的韌性的比率，同時指出與烴類介質的管道斷裂形態(tài)不同。該實驗因實驗成本高，實施周期長，因此無法進行重復性試驗，但從文獻調研來看，斷裂形態(tài)符合不同相態(tài)具有的特點，而管道埋地覆蓋條件對斷裂速度的影響并未進行分析，圖5為Cosham等開展實驗研究獲得的成果。

圖5 Cosham等[29]開展的實驗現(xiàn)象

Barnett等于2011—2014年在英國國家管網(wǎng)資助COOLTRANS 項目（COliquid pipeline transportation）支持下，在英國坎布里亞郡Spadeadam測試場開展了100多項（有效實驗數(shù)據(jù)99組）CO管道輸運測試項目，實驗結果認為適用于判斷烴類介質的Battlelle 雙曲線判據(jù)不能直接應用于氣相、液相、密相CO管道運輸?shù)墓艿罃嗔阎沽阎校瑢嶒灲Y論與Cosham 等的實驗結論一致，實驗成果如圖6 所示。Massimo等開展的采用X65管道用于含3.8%、6%N雜質的密相CO管道進行了全尺寸斷裂拓展和止裂實驗，實驗結果發(fā)現(xiàn)BTCM不能直接用于含雜貨CO管道斷裂與止裂的指導中，需要根據(jù)更多的全尺寸斷裂實驗修正該方法，同時發(fā)現(xiàn)N濃度越高所需管道止裂韌性值越大。Valerie 等、Michal 等系統(tǒng)介紹了COSAFE-ARREST 項目中1 條采用9 種不同韌性值管道焊接而成的85m 全尺寸實驗管道，管內介質為密相含雜質CO，回填土深度為1m，重點分析了管道材料和CO混合物性質、破裂速度和瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)，實驗結果證明原來的BTCM 不適用于密相CO輸送管道止裂設計指導中。 Cosham 等、 Barnett 等、 Massimo 等、Valerie 等、Michal 等開展的全尺寸實驗中均采用埋地鋪設實驗管道，但缺乏對不同埋地條件管道斷裂速度、形態(tài)方面的分析與研究。埋地覆蓋物質、施工碾壓、物質密度對管壁的作用力均會影響管道擴展速度和斷裂形態(tài)，故在搜集的文獻中發(fā)現(xiàn)斷裂開口朝向地面，且目前尚未見到水下輸運情境下的全尺寸實驗研究文獻。

圖6 Barnett等[33]開展的實驗現(xiàn)象

Davis 等對比了相同管道材料在全尺寸實驗和落錘沖擊實驗后測試管段的前部、中部和尾部的斷口表面，引入分離指數(shù)來量化管道端口面裂紋與原尺寸間關系。全尺寸實驗的SI 值低于夏比實驗值，但與落錘沖擊實驗值較為接近，認為在研究管道解理面方面落錘沖擊實驗結果可替代全尺寸實驗結果。但Davis 指出全尺寸實驗管材采用的生產(chǎn)標準與現(xiàn)役標準存在差距，CO輸運管道斷裂時管內減壓行為可能導致全尺寸實驗和落錘沖擊之間存在不相關的分離行為。

對于大型管道，全尺寸實驗不僅周期長，耗資較大，同時需要具備采集實驗數(shù)據(jù)所需儀器設備，因此目前具備有全尺寸管道斷裂控制實驗場的僅有英國、意大利、俄羅斯、中國、挪威。Cosham等、Barnett 等、Massimo 等開展的CO輸運管道的全尺寸實驗發(fā)現(xiàn)，用于預測烴類介質的Battelle雙曲線法不能直接指導CO輸運管道安全設計，目前對于不同相態(tài)、不同掩埋條件輸運背景下管道斷裂過程中的規(guī)律，如斷裂擴展規(guī)律、裂紋形態(tài)、韌脆轉變溫度條件等均處于初步階段。因此有必要從實驗室規(guī)模、中尺寸型規(guī)模、工業(yè)使用規(guī)模開展實驗研究。表3 所示為CO輸運管道斷裂實驗研究成果。

表3 CO2輸運管道斷裂實驗研究成果

2.2 模擬計算

全尺寸實驗具有準備周期長、耗資大、可重復性不強、實驗危險系數(shù)高等特點，而基于動力學、水力學的數(shù)值計算技術在探究CO輸運管道諸多機理方面相比與實驗研究存在一定的優(yōu)勢和科學性。對于不具備全尺寸實驗條件的科研人員，也可通過現(xiàn)已發(fā)表的實驗研究的文獻結合ANSYS、LSDYNA、ABAQUS等分析軟件進行更深入的研究。

Martynov等基于ANSYS軟件結合計算流體力學、斷裂力學建立了密相和超臨界輸運管道泄漏、熱傳遞、斷裂擴展的動態(tài)流固耦合模型，研究指出雜質的存在會加大管道止裂難度，使斷裂擴展速度和擴展距離更不確定，該結論與Barnett 等和Massimo 等實驗結論相同。任科基于ANSYS 軟件建立了超臨界CO輸運管道三維含外部裂紋的模型，研究了不同溫度和壓力對管道的影響，溫度的下降導致裂紋擴展區(qū)的等效應力和應變變大、J積分值變小，加快了管道裂紋的擴展。ANSYS Mechanical在非線性分析方面也能符合模擬要求，但ABAUQS軟件在裂紋擴展領域功能更強大，算法更成熟。

Hu等基于減壓波預測模型和改進的BTCM模型，建立了超臨界CO管道斷裂過程中的止裂韌性模型，對減壓波速和裂縫擴展速度的比較，判斷管道是否可以依靠自身的韌性來阻止裂縫擴展，建立的模型能夠快速、準確地計算出超臨界CO管道中止裂斷裂所需的最小壁厚和最小夏比能量，該預測模型的研究結果有助于更好地理解超臨界CO管道的斷裂過程。Hu 等采用的是基于速度判據(jù)實現(xiàn)止裂的方法，程序設計上采用MATLAB 語言，沒有可視化界面和供操作人員輸入設計參數(shù)的窗口，若將速度判據(jù)設計思路開發(fā)成軟件，可為工程應用提供理論支撐和直觀的止裂設計結果展示。

Aursand 等采用LS-DYNA 軟件基于局部斷裂準則、壅塞理論、等熵模型及SW狀態(tài)方程建立了埋地密相CO管道斷裂流固耦合模型，對管道斷裂擴展過程進行了數(shù)值模擬，同時將模擬結果與實驗進行了對比，Aursand 等采用的光滑粒子流體動力學方法首次通過粒子的形式動態(tài)描述了裂紋擴展時覆蓋土質隨斷裂擴展進行的分布規(guī)律，該流固耦合模型考慮的綜合因素多，與工業(yè)輸運情景最符合。金嶠等對注入地下1000m 深度的兩種壁厚、不同初始深徑比的CO輸運管道進行了建模，采用虛擬裂紋閉合法及Walker 公式對疲勞強度下表面裂紋管道斷裂擴展的模擬結果表明，裂紋在不等幅壓力波動下擴展過程更復雜，長輸管道在服役過程中面臨因天氣溫度變化對管內介質相態(tài)變化的影響同樣值得關注。

Keim 等采用修改后的Bai-Wierzbicki 模型、GERG-2008 氣體狀態(tài)方程在ABAQUS 軟件平臺運用ALE耦合對3種介質進行了數(shù)值計算，建立了管道變形、氣體減壓、裂紋擴展之間相互耦合的動態(tài)能量平衡判斷裂紋擴展/止裂的準則，并考慮了管道是否存在回填土及土質密度對管道斷裂擴展的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同的輸運介質造成的裂紋擴展速度不同，回填土深度的增加可降低管道斷裂擴展速度和長度。該模擬結果與Barnett等開展的實驗結果中覆蓋土對裂紋擴展速度和長度響應結論相同，ALE耦合方法雖能展現(xiàn)管內介質泄漏后壓力分布規(guī)律，但缺乏對斷裂擴展時裂紋細節(jié)的捕捉。Okodi等采用ABAQUS軟件基于擴展有限元法（extended finite element method，XFEM），以最大主應變和斷裂能作為損傷判斷參量，建立了CO管道裂紋擴展和裂間應力的數(shù)值計算模型，模型可用于預測具有不同尺寸縱向裂紋的管道試件的破裂應力，結果表明XFEM可以有效地分析管道中的裂紋擴展和破裂應力，由于該模型僅對3 種裂紋類型進行了模擬，Okodi 建議采用更多管道等級、管道尺寸、裂紋類別進行更為系統(tǒng)的研究，以獲得更可靠的結論，該建議更為客觀地評價了其工作，同時為從事相關研究提供了新思路。Talemi 等采用ABAQUS 軟件基于流固耦合模型模擬了埋地密相CO輸運管道動態(tài)脆性斷裂過程，使用Python腳本模擬計算裂紋長度逐漸增加后強度因子和裂紋擴展速度對管內流體的影響，將流體域更新后的狀態(tài)方程對管道的影響再施加至裂間位置進行循環(huán)計算，建立的XFEM與CFD（computational fluid dynamics）耦合模型可預測減壓波變化規(guī)律、裂紋擴展速度，該耦合模型是研究CO輸運管道動態(tài)斷裂擴展最有潛力的模型。Zhen 等采用同樣的軟件模擬技術路線，對氣相CO管道斷裂過程進行了模擬，重點研究了裂紋尖端張開角和裂紋擴展速度的擴展規(guī)律，與Talemi不同的是采用了cohesive 裂紋擴展的方式，裂紋只能沿著預先設定的路徑進行擴展，在周向止裂方面存在研究不足，而XFEM裂紋擴展方法在管道斷裂方面具有優(yōu)勢，建議深入研究。

Kawaguchi等在丹麥實驗場進行了4次全尺寸斷裂實驗研究，并公布了全部實驗數(shù)據(jù)；Botros等基于Kawaguchi 等的實驗數(shù)據(jù)建立了管道斷裂擴展的雙向流固耦合模型。模型中流體域采用迭代氣體壓力場循環(huán)作用于裂尖位置的固體域，通過動態(tài)有限元法分析管道斷裂擴展/止裂中裂紋尖端擴展角的變化規(guī)律、裂紋擴展速度、壓力場分布規(guī)律、泄漏氣體馬赫盤分布規(guī)律等內容，如圖7 所示。該模型與參考文獻實驗結果中裂紋擴展規(guī)律、裂紋擴展速度高度吻合，但缺乏對管道止裂方面的研究。

圖7 Botros等[96]研究成果

對于CO輸運管道泄漏、斷裂擴展過程的模擬，需要掌握計算流體力學、材料力學、彈塑性力學、斷裂力學知識，是一個多知識融合的領域。CO輸運管道泄漏減壓過程原本已較為復雜，管內介質與管材間相互耦合過程是深入研究CO輸運管道的難點，同時也是熱點?，F(xiàn)有的研究成果對CO輸運管道斷裂擴展過程和管內介質參數(shù)變化規(guī)律已有初步的研究成果，但對于管道斷裂擴展控制方面的研究，以目前研究成果分析均使用管道自身韌性實現(xiàn)止裂，對于開發(fā)CO輸運管道專用止裂器方面的研究極為迫切。表4 所示為國內外CO輸運管道斷裂擴展模擬成果。

表4 國內外CO2輸運管道模擬計算研究成果

3 二氧化碳輸運管道設計

管道輸運CO是CCUS 技術中具有經(jīng)濟性和經(jīng)驗性的選擇，Massimo等、任科、Wilkowski等設計的鋼套止裂環(huán)，Aursand等設計的鋼絲網(wǎng)布復合止裂器，Mazurkiewicz 等設計的碳纖維止裂器，Abeele等設計的較長長度的止裂套在全尺寸管道斷裂擴展實驗和模擬計算中均具有較好的止裂效果，僅停留在試驗階段，并未給出適用場景指導。而CO焦耳-湯姆遜系數(shù)大，含雜質的CO管道內相平衡和水合物腐蝕機理的影響對管道的設計也是一個挑戰(zhàn)。采用常規(guī)的ASEM B 31.8、ASEM 831.4、IP6、BS EB 14161、BS PD 8010 和DNVOS-F101等標準規(guī)范用于CO管道設計外，更應該考慮管道隨溫度、壓力變化后相平衡問題，含雜質CO形成酸性體對管壁的腐蝕問題。

管徑的大小不僅直接決定了輸送能力，基于經(jīng)濟性考慮，管徑越大，投資就越高，最合理的管徑是在滿足輸送要求的基礎上使管徑最小，但現(xiàn)有研究表明，管道的厚度也是需要重點關注的對象。King 等采用ASME 指導手冊中計算管道厚度、BTCM止裂計算，運用管道韌性值高于斷裂擴展韌性值的方法對CO輸運管道進行了設計，該設計方法指出管道的韌性值高于斷裂擴展的值可不用安裝止裂裝置，并具有止裂的效果，但BTCM方法在試驗過程中給出的建議是不能直接用于CO管道的輸運中，因此該設計方法的安全性無法考證。Lyons等對密相CO輸運管道建立了量化風險評估體系，該評估體系不僅對輸運管道受第三方外部干擾故障頻率模型進行綜述，同時對影響密相CO管道的正常工作的主要因素進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，由于密相CO管道的設計壓力要求高，在管道施工中需要使用高壁厚的管道，由于Lyons僅搜集了英國范圍內密相CO輸運管道的資料，該模型由于英國CO輸運管道故障數(shù)據(jù)庫資料匱乏，對該模型的推廣有一定的局限性，但Lyons 也正在搜集全球輸運管道事故信息，不斷完善量化風險評估體系。

Lu等對輸運CO管道中管徑、壁厚、壓力的設計要求和成熟的設計公式進行了更為系統(tǒng)的綜述，但輸運場景僅是陸地輸運，僅考慮了管道內壓下管材的設計，未考慮覆土、海水輸運情景。閆興清等基于機械能衡算方程構建了密相/超臨界相CO管道內徑計算方法，計算結果與Skovholt及McCoy模型計算結果進行對比，計算結果具有合理性，該方法指出了計算過程中的注意事項，以指導CO管道輸運工藝及經(jīng)濟性評價研究。Zhao等采用最小二乘法對不同運行溫度范圍下的管道直徑模型進行了對比分析，提出了一種新的分步分段優(yōu)化方法，與現(xiàn)有的優(yōu)化方法相比，該方法可以明顯節(jié)省均衡化成本，但該方法僅考慮溫度這一單因素。Valluri 等綜合分析了CO輸運管道受土壤腐蝕和大氣腐蝕后管道易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，在分析腐蝕機理和腐蝕速度的基礎上提出管道的設計應考慮加入一些金屬元素，避免電化學腐蝕或降低腐蝕速率，同時指出管道壁厚的設計應根據(jù)輸運不同相態(tài)的CO進行區(qū)別設計。

現(xiàn)階段CO輸運管道的設計主要參考油氣管道的設計，應用場景為人煙稀少區(qū)域，鋪設過程尚未考慮掩埋覆蓋、水下條件、溫差幅值。雜質的存在影響臨界壓力和溫度、密度、黏度的改變，但現(xiàn)有的管道設計標準僅有DNV RP J202考慮的雜質的影響，相關知識體系尚不完善。對于陸地輸運場景下目前僅有英國的BS 7910和美國的API 579-1/ASME FFS-1 對CO 輸運管道安全制定了評價標準，設計上僅有挪威船級社發(fā)布的DNV RP J202文檔中對CO管道設計進行了指導，撰寫者認為該設計手冊采用的實驗數(shù)據(jù)較少，開展的實驗有限，參考的數(shù)據(jù)年限偏遠，需隨著管材性能提升和輸運條件的更新對標準進行修訂。對于CO管道的設計在借鑒油氣管道設計的基礎上更應著重于管材韌性值的選取、管道內介質溫度和壓力的控制、施工技術。

4 結語

本文從實驗研究和數(shù)值模擬研究兩個方面綜述了管道泄漏減壓和斷裂擴展的研究進展，綜合分析了雜質種類、狀態(tài)方程、理論模型對泄漏減壓規(guī)律的影響，歸納了數(shù)值模擬軟件研究CO管道擴展斷裂的主要成果和研究熱點，同時對CO輸運管道設計研究進行了綜述。對管內減壓過程研究，涉及相間滑移和三相點共存時減壓波的傳播規(guī)律更為復雜，研究難度更大；對管道的韌/脆性斷裂和斷裂控制方法的研究體系尚不完善；泄漏后果的風險評估和安全控制尚未形成體系，分析與檢測也未有健全的標準，管道的設計目前雖有雛形，但未結合現(xiàn)階段工業(yè)需求進行修訂。基于對CO輸送管道泄漏特性和安全控制領域國內外研究現(xiàn)狀綜述表明，CO輸運管道意外泄漏過程和斷裂控制方面的不足主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）關于管道泄漏后管內CO的熱力學、物理性質的研究，盡管狀態(tài)方程有多達18 種，但不同的狀態(tài)方程適用性不盡相同，用于實驗的混合物介質主要為人為構造，與工業(yè)輸運作業(yè)區(qū)域相關的數(shù)據(jù)存在一定的差異，對混合物臨界點、三相點、相間線周圍的計算需要準確劃分，提高計算精度。

（2）用于全尺寸管道斷裂擴展的止裂器、止裂環(huán)雖能實現(xiàn)止裂，但未建立止裂裝置的設計標準、應用范圍；模擬研究內容中針對斷裂速度和擴展規(guī)律的研究多，對止裂裝置結構優(yōu)化、受力分析、材料選擇方面需加大模擬研究力度。

（3）對CO輸運管道斷裂擴展模擬的研究，管內流體采用均相流模型未考慮相間滑移，對氣液固三相的相變規(guī)律、熱力學特性研究尤顯不足；采用均勻松弛模型的研究需將模擬與實驗結果進行對比，不斷優(yōu)化該模型的適用性。流固耦合模型均未考慮干冰生成，管內介質隨管道斷裂擴展變化動態(tài)過程目前處于研究空白。

結合CO輸送管道泄漏特性和安全控制研究現(xiàn)狀，在工業(yè)輸運CO管道泄漏后管內減壓、管道斷裂擴展研究方面仍需在理論研究、工程應用方面深入開展以下工作。

（1）含雜質CO實驗數(shù)據(jù)尚未能建立完整的相態(tài)模型，雜質的類型、含量及組分對CO臨界溫度、臨界壓力的變化規(guī)律的掌握有益于依托質量守恒、能量守恒、傳熱、傳質和壓力損耗等理論構建長輸管道運營體系。

（2）管道存在泄漏后，管壁周圍溫度梯度變化規(guī)律，材料達到韌脆轉變溫度的失效機理與管內壓力、泄漏口形態(tài)和方向間的規(guī)律；裂紋裂間位置處CO泄漏壓力、溫度變化與裂紋擴展角、裂紋擴展速度的耦合關系。

（3）對于三元、多元氣體狀態(tài)方程研究較少，含有多元介質管道泄漏情境下埋地與非埋地、土壤覆蓋狀況對管道裂紋擴展的影響，即不同初始狀態(tài)下減壓波傳播及衰減規(guī)律，可修正速度判據(jù)。

（4）基于彈塑性力學、斷裂力學，研究管道腐蝕過程中裂紋萌生、發(fā)展過程，開發(fā)安全、可靠、方便安裝的止裂器，防止管道延性擴展斷裂并建立止裂準則。