輸送工藝參數(shù)對(duì)密相/超臨界CO2管道止裂韌性的影響*

歐陽欣，李 鶴，閆 鋒，李勝男，池 強(qiáng)

（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究總院分公司，河北 廊坊 065000；2.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077）

0 前 言

碳捕獲、利用與封存（carbon capture utilization and storage，CCUS）技術(shù)是削減溫室氣體排放、減緩氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)，是我國中長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)氣候變化、保障能源安全、推進(jìn)低碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要保障[1-4]。管道輸送具有輸送量大、效率高、單位成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于CO2的大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送，是CCUS技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)[5-6]，密相/超臨界態(tài)管輸CO2是目前國際上進(jìn)行大規(guī)模碳運(yùn)輸?shù)淖罱?jīng)濟(jì)方式[7]。斷裂控制是管道設(shè)計(jì)的核心問題，截止目前，油氣管道的斷裂機(jī)理和控制方法的研究較多，而關(guān)于CO2輸送管道斷裂控制的研究較少，因此，急需探索和攻克超臨界態(tài)CO2輸送管道斷裂控制技術(shù)[8-9]。

管道的止裂韌性取決于管道內(nèi)部減壓波與管材斷裂阻力的交互作用，目前國內(nèi)外研究人員大多圍繞CO2管道減壓波特性進(jìn)行密相/超臨界CO2輸送管道止裂韌性研究。Mahgerefteh 等[10研究表明，雜質(zhì)會(huì)降低氣態(tài)CO2管道內(nèi)減壓波速度及相變壓力。J?ger等[11]建立了CO2管道內(nèi)發(fā)生相變的吉布斯自由能模型，計(jì)算和闡述了純CO2、含雜質(zhì)CO2的三相平衡，為管道內(nèi)CO2相變提供了判斷依據(jù)。Elshahomi 等[12]基于GERG-2008 狀態(tài)方程，采用Ansys Fluent 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）建立了減壓波預(yù)測(cè)模型，模擬分析了初始溫度和雜質(zhì)對(duì)密相/超臨界CO2混合物減壓波速度的影響。李玉星研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了不同相態(tài)（超臨界、液態(tài)、純氣態(tài)和含雜質(zhì)氣態(tài)CO2）的中尺度泄漏試驗(yàn)，首次提出了用彈性系數(shù)K表征CO2在不同相態(tài)下減壓波速度的方法[13]；同時(shí)基于PR方程，建立了氣態(tài)CO2管道減壓波傳播特性的預(yù)測(cè)模型，研究和分析了不同雜質(zhì)含量、管道初始溫度和壓力等對(duì)氣態(tài)CO2管道減壓特性的影響[14]；基于GERG-2008 狀態(tài)方程，建立了含雜質(zhì)超臨界CO2管道的減壓波速度預(yù)測(cè)模型，分析了雜質(zhì)對(duì)超臨界CO2管道減壓波曲線的影響[15]。

現(xiàn)有研究多是基于單組分雜質(zhì)對(duì)氣態(tài)CO2管道減壓波的影響，未考慮實(shí)際捕獲氣體組分的復(fù)雜性，關(guān)于密相/超臨界CO2管道止裂韌性的研究報(bào)道較少。本研究以密相/超臨界CO2長(zhǎng)輸管道斷裂控制為研究目標(biāo)，針對(duì)實(shí)際工況，基于GERG-2008 狀態(tài)方程和Battelle 雙曲線（battelle two-curve，BTC）模型，計(jì)算和分析了捕獲方式、初始溫度、初始?jí)毫?、管徑和設(shè)計(jì)系數(shù)等對(duì)P-T狀態(tài)、減壓波曲線、止裂韌性的影響，提出了密相/超臨界CO2管道自身止裂韌性要求，從而為CO2管道設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 捕獲方式對(duì)氣體成分的影響

對(duì)用于CCUS 的密相/超臨界CO2管道止裂韌性進(jìn)行分析，計(jì)算工況選用X65管線鋼，考慮三種碳捕集方式：燃燒后捕獲（post-combustion）、燃燒前捕獲（pre-combustion）和富氧燃燒捕獲（oxyfuel）。CO2中雜質(zhì)的種類及含量與捕集方式有關(guān)，典型工況下三種捕獲方式獲得的氣體成分見表1[16]。由表1 可知，燃燒后捕獲氣體中所含雜質(zhì)種類最少、雜質(zhì)含量最小，96%富氧燃燒捕獲氣體雜質(zhì)含量最多。

表1 分析中使用的氣體成分

2 工藝參數(shù)及氣體組分對(duì)CO2管道止裂韌性的影響

采用控制變量法，基于GREE-2008 狀態(tài)方程和BTC雙曲線模型，計(jì)算和分析初始溫度、初始?jí)毫Α⒐軓胶驮O(shè)計(jì)系數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)止裂韌性的影響，單一參數(shù)變量的取值見表2。

表2 X65鋼級(jí)管道分析中使用的計(jì)算參數(shù)

密相/超臨界CO2減壓波曲線存在因減壓過程穿越氣液兩相區(qū)引起的減壓波平臺(tái)，導(dǎo)致裂紋尖端壓力無法釋放，裂紋容易長(zhǎng)程擴(kuò)展。減壓波平臺(tái)值越高，飽和壓力越高，管道所需止裂韌性越大。因飽和壓力會(huì)長(zhǎng)期保持，故CO2輸送管道更關(guān)注裂紋長(zhǎng)程擴(kuò)展。減壓波平臺(tái)值受氣體組分、溫度、壓力等因素的影響。

2.1 氣體組分對(duì)止裂韌性的影響

在CCUS中，捕獲后的CO2氣體混合物成分主要由產(chǎn)生源頭和捕獲方式?jīng)Q定，主要雜質(zhì)包括N2、O2、Ar、H2S、CO 和H2，將直接影響CO2的熱物性參數(shù)，進(jìn)而影響減壓波曲線。不同含量雜質(zhì)氣體與CO2混合物減壓波曲線如圖1所示，雜質(zhì)氣體的摩爾比變化范圍為0%～10%，由圖1可知，隨著不同氣體組分含量的增加，初始減壓波速度減?。浑S著不同氣體組分含量增加，減壓波平臺(tái)提高，從而表明管道所需止裂韌性增大；H2S與其他雜質(zhì)氣體不同，隨著H2S含量的增加，初始減壓波速度略有增大，說明H2S含量的變化對(duì)減壓波平臺(tái)影響不大。

圖1 不同含量雜質(zhì)氣體與CO2混合物減壓波曲線

三種捕獲方式對(duì)止裂韌性的影響如圖2 所示。由圖2（a）可知，三種碳捕獲方式產(chǎn)生的CO2混合物具有不同的氣液兩相區(qū)（相包絡(luò)線）和P-T 減壓路徑。燃燒后捕獲氣體中CO2含量為99.85%，其相包絡(luò)線與純CO2接近，相同壓力和溫度下純CO2泡點(diǎn)線與露點(diǎn)線重合，氣液共存區(qū)為相包絡(luò)線。燃燒前捕獲和富氧燃燒捕獲產(chǎn)生的CO2混合物的相包絡(luò)線均上移，即增大了CO2的臨界壓力及泡點(diǎn)，擴(kuò)大了氣液兩相區(qū)的范圍。

圖2 不同碳捕獲方式對(duì)管道止裂韌性影響

密相/超臨界CO2輸送管道破裂后會(huì)急劇減壓，將在泄漏口形成氣液兩相流。不同捕獲方式下的CO2氣體混合物具有不同的初始減壓波速度和減壓波平臺(tái)，如圖2（b）所示，同時(shí)，從燃燒后捕獲到燃燒前捕獲再到富氧燃燒捕獲，雜質(zhì)氣體含量逐漸增加，初始減壓波速度逐漸減小，而減壓波平臺(tái)逐漸增高，即飽和壓力逐漸增大，這是因?yàn)榕c燃燒后捕獲相比，氣體雜質(zhì)的存在提高了CO2的泡點(diǎn)線，使得氣液兩相區(qū)向高壓區(qū)移動(dòng)，密相/超臨界CO2在等熵降壓過程中進(jìn)入兩相區(qū)的壓力升高，從而提高了減壓波曲線平臺(tái)壓力。飽和壓力是定義CO2管道擴(kuò)展裂紋所需止裂韌性的一個(gè)重要參數(shù)，飽和壓力增大則止裂難度變大。

通過BTC模型乘以2.2倍修正系數(shù)來預(yù)測(cè)管道的止裂韌性。不同捕獲方式下管道的止裂韌性變化曲線如圖2（c）所示，由圖2（c）可知，燃燒后捕獲產(chǎn)生的CO2氣體混合物輸送管所需的止裂韌性最小，富氧燃燒捕獲產(chǎn)生的CO2氣體混合物輸送管道所需的止裂韌性最大。

2.2 初始溫度對(duì)止裂韌性的影響

采用燃燒前捕獲混合氣體組分來計(jì)算初始溫度對(duì)止裂韌性的影響，在密相/超臨界CO2輸送介質(zhì)和管道參數(shù)相同情況下，分別在初始溫度為30 ℃和50 ℃條件下研究管道的止裂韌性，從而得出不同初始溫度對(duì)管道止裂韌性的影響，結(jié)果如圖3 所示。由圖3（a）可知，初始溫度顯著影響初始減壓波速度和減壓曲線與相包絡(luò)線交點(diǎn)位置，通常情況下，減壓曲線由泡點(diǎn)線進(jìn)入兩相區(qū)。初始溫度越高，則飽和壓力越高，如圖3（b）所示。由圖3（c）可知，隨著初始溫度的增大，管道所需的止裂韌性逐漸增加。但若初始溫度較高，初始?jí)毫^小，則減壓曲線會(huì)向圖3（a）的右方移動(dòng)，可能會(huì)由露點(diǎn)線進(jìn)入氣液兩相區(qū)，則飽和壓力不一定會(huì)隨著初始溫度的升高而增大。

圖3 初始溫度對(duì)止裂韌性影響

2.3 初始?jí)毫?duì)止裂韌性的影響

采用燃燒前捕獲混合氣體組分進(jìn)行研究，密相/超臨界CO2輸送管道內(nèi)的初始?jí)毫?huì)影響管道斷裂時(shí)的初始狀態(tài)，進(jìn)而影響管道的止裂韌性。如圖4（a）所示，隨著初始?jí)毫Φ慕档停瑴p壓曲線向右方移動(dòng)，在較高壓力下由泡點(diǎn)線進(jìn)入氣液兩相區(qū)。因此初始?jí)毫υ降?，減壓波平臺(tái)越高（圖4（b）），管道所需止裂韌性越高（圖4（c）），越難以止裂。初始?jí)毫?duì)密相/超臨界CO2管道止裂韌性影響規(guī)律與天然氣管道相反。

圖4 初始?jí)毫?duì)管道止裂韌性影響

2.4 管徑和設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)止裂韌性的影響

采用BTC模型（2.2倍修正系數(shù)）研究管徑、設(shè)計(jì)系數(shù)Df對(duì)管道止裂韌性的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)密相/超臨界CO2輸送管道的輸送介質(zhì)、初始溫度、初始?jí)毫ο嗤瑫r(shí)，管道止裂韌性與管道外徑和設(shè)計(jì)系數(shù)呈正相關(guān)，即管道外徑越大，裂紋越容易繼續(xù)擴(kuò)展，所需的止裂韌性越大。設(shè)計(jì)系數(shù)越高，管道所需止裂韌性隨之增加。

圖5 管徑和設(shè)計(jì)系數(shù)對(duì)管道止裂韌性影響

2.5 三種捕獲方式下管道所需止裂韌性

X65 管線鋼在三種不同碳捕獲方式下，同時(shí)設(shè)計(jì)系數(shù)分別為0.5 和0.72 時(shí)的止裂韌性變化曲線分別如圖6、圖7 和圖8 所示。其中，以鋼管平均夏比沖擊功（250 J）為衡量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估管道的止裂韌性，當(dāng)止裂韌性低于250 J 時(shí)，認(rèn)為管道可以憑借自身止裂韌性阻礙裂紋擴(kuò)展。

圖6 燃燒后捕獲方式下的止裂韌性

圖7 燃燒前捕獲方式下的止裂韌性

由圖6 可知，對(duì)于燃燒后捕獲的混合氣體，氣體雜質(zhì)組分最少。設(shè)計(jì)系數(shù)Df=0.5時(shí)，當(dāng)前計(jì)算工況都能止裂。設(shè)計(jì)系數(shù)Df=0.72 時(shí)，在壓力＜16 MPa、溫度＜50 ℃時(shí)，管道均可以止裂；當(dāng)壓力＜14 MPa 時(shí)，只有在低溫工況才可以止裂；當(dāng)壓力＜12 MPa時(shí)，管道無法止裂。

由圖7可知，對(duì)于燃燒前捕獲方式，當(dāng)設(shè)計(jì)系數(shù)Df=0.5時(shí)，當(dāng)前計(jì)算工況都能止裂；當(dāng)設(shè)計(jì)系數(shù)Df=0.72 時(shí)，只有壓力為16 MPa、溫度為30 ℃時(shí)，管道才可以止裂。

由圖8可知，富氧燃燒后捕獲的混合氣體雜質(zhì)組分最多。當(dāng)Df=0.5時(shí)，在低壓（12 MPa）狀態(tài)下、溫度為30 ℃時(shí)，管道無法止裂，而在其他的計(jì)算工況下管道均能止裂；當(dāng)Df=0.72 時(shí)，只有在壓力較高（16 MPa）、溫度為30 ℃時(shí)才可止裂，其他工況均無法止裂。

3 結(jié) 論

（1）三種捕獲方式產(chǎn)生的CO2混合物的相包絡(luò)線不同，雜質(zhì)的加入改變了純CO2的相包絡(luò)線，氣體雜質(zhì)均會(huì)引起減壓波平臺(tái)壓力的提高，使管道止裂韌性增加，而H2S的含量對(duì)減壓波平臺(tái)壓力影響不大。燃燒后捕獲的CO2氣體混合物雜質(zhì)含量最低，因此管道所需止裂韌性最低。而富氧燃燒捕獲的CO2氣體混合物雜質(zhì)含量最高，管道所需止裂韌性最高。

（2）雜質(zhì)組分的增加以及提高初始溫度、增大管徑、增大設(shè)計(jì)系數(shù)會(huì)導(dǎo)致密相/超臨界CO2輸送管道止裂韌性的增加。而提高初始?jí)毫?huì)導(dǎo)致密相/超臨界CO2輸送管道止裂韌性的降低。