關(guān)于CCUS 項目中管材選擇的探討

蔣風(fēng)松 汪璐 曹毅淵

大慶油田設(shè)計院有限公司

2020 年9 月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上指出：中國力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和[1]。CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，即碳捕集、利用與封存）是將捕獲的CO2進行直接利用或封存，既可以去除多余的CO2，也可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，是國際公認(rèn)的三大減碳途徑之一，也是國際公認(rèn)的應(yīng)對氣候變化、實現(xiàn)大規(guī)?？焖偬紲p排、邁向碳中和的關(guān)鍵技術(shù)路徑[2]。盡管CO2的性質(zhì)與石油、天然氣有很大差異，但傳統(tǒng)的管道材料和施工做法可以用來提供某些基本的預(yù)防措施[3]。僅從技術(shù)上說，CO2在管道中以氣態(tài)、液態(tài)或密相、超臨界態(tài)運輸都是可行的。但由于氣相CO2密度太小，運輸成本較高。在實際工程中，對于大輸量、長距離CO2管道，采用超臨界密相/輸送CO2是最經(jīng)濟的輸送方式[4]。目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)有超過10 000 km 的CO2管道，多分布在北美和歐洲，均采用超臨界/密相輸送技術(shù)[5-9]。其中Kinder Morgan 公司是世界最大的CO2管道運營商，其運營的CO2管道單管輸量最高可達2 000×104t/a[10]。國內(nèi)有關(guān)CO2運輸技術(shù)的研究剛剛起步，尚無實際鋪設(shè)的大規(guī)模CO2輸送管線投產(chǎn)運行，目前僅有一些短距離CO2管道示范性的嘗試，多為氣態(tài)，每年輸量幾十萬噸，暫無高壓大輸量（百萬噸/千萬噸級）CO2管道[3-5]。目前國內(nèi)外沒有有效的模型可以準(zhǔn)確計算超臨界/密相CO2管道的止裂韌性[11]。為此，將對斷裂控制設(shè)計進行細(xì)致的討論。

1 減壓波特性計算

根據(jù)BTC（巴特爾）雙曲線模型，管道若要依靠自身韌性止裂，需滿足管道壓力大于止裂壓力的前提下減壓波速一直大于裂紋擴展速度。因此，判斷管道韌性能否止裂，需要比較超臨界/密相CO2泄漏等熵減壓過程中，不同壓力下的減壓波速和裂紋擴展速度的大小，當(dāng)管內(nèi)壓力低于止裂壓力時，減壓波波速大于裂紋擴展速度，管道的韌性才能滿足止裂要求。即管材在選擇合適管型、壁厚的前提下，能否通過管材本身性能進行止裂，還是需要外加措施來保障管道的本質(zhì)安全，可通過減壓波特性計算來進行判斷。

1.1 減壓波模型

目前已有的減壓波計算模型計算過程都較為復(fù)雜，且大多用于密相及超臨界狀態(tài)CO2管道減壓波傳播特性的研究。為此，在國內(nèi)外的研究基礎(chǔ)上，采用GERG-2008 狀態(tài)方程，結(jié)合均相流模型和兩相流聲速計算模型，建立了含雜質(zhì)CO2管道減壓波預(yù)測模型[12]。模型假設(shè)如下：

（1）管內(nèi)CO2為一維等熵流動不計傳熱和摩擦的影響。

（2）管道為水平管道，不考慮高差和管徑的影響。

（3）管內(nèi)流體處于熱力學(xué)完全平衡狀態(tài)。

（4）氣、液相之間不存在滑移[8]。

管道發(fā)生斷裂的初始階段，管內(nèi)介質(zhì)仍為單相（超臨界態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）流動，當(dāng)?shù)芈曀俅笮≈皇菧囟萒的函數(shù)。但CO2管道一旦發(fā)生斷裂，會在斷裂處形成壅塞流動，泄漏減壓過程是等熵過程。由于具有極強的焦耳湯姆遜效應(yīng)，壓力和溫度的驟降使得管內(nèi)CO2發(fā)生相變進入氣液兩相區(qū)[13]。管輸介質(zhì)在管道斷裂過程中一旦從單相流動變?yōu)闅庖簝上嗔鲃訒r，其減壓特性將會發(fā)生巨大變化。氣液兩相的相互摻混極大地改變了介質(zhì)流動的結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致氣液兩相共存時介質(zhì)的可壓縮性遠(yuǎn)大于單相氣體或者液體的可壓縮性，從而引起聲波傳播速度的突降[14]。

假定管內(nèi)CO2進入氣液兩相區(qū)的流動為均相流動，氣液兩相的壓力、溫度和化學(xué)勢均達到平衡，可采用（pTμ-relaxation）平衡模型可得到CO2氣液兩相流動的聲速。

管道發(fā)生斷裂后，管內(nèi)CO2立即從開裂處流向大氣，減壓波在管道斷裂處速度達到最大，而減壓波前沿的出口流速近似為零[13]。對于等熵流動，管道斷裂處的介質(zhì)出流速度如公式（1）所示。

式中：Ui為管內(nèi)介質(zhì)出流速度，m/s；p為介質(zhì)減壓壓力，kPa；a為介質(zhì)聲速，m/s；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；s為定熵過程。

對于等熵流動，存在關(guān)系式dp=a2dρ。為進行數(shù)值求解，可將積分方程式轉(zhuǎn)換為微分方程式。對于上述介質(zhì)出流速度每一個計算過程，管道斷裂處的出流速度可由公式（2）確定。即

1.2 裂紋擴展速度計算

根據(jù)BTC 雙曲線模型，管道若要依靠自身韌性止裂，需要滿足管道壓力大于止裂壓力的前提下減壓波速一直大于裂紋擴展速度[15]。因此，計算裂紋擴展速度的壓力區(qū)間應(yīng)為超臨界CO2管道裂紋擴展的初始壓力降至止裂壓力，止裂壓力通過止裂應(yīng)力確定。

當(dāng)裂紋尖端壓力高于止裂壓力時，裂紋會持續(xù)擴展，裂紋持續(xù)擴展斷裂速度方程式是基于對塑性應(yīng)變場擴展速度考慮，根據(jù)穩(wěn)態(tài)韌性斷裂擴展的現(xiàn)有數(shù)據(jù)對方程式進行校準(zhǔn)后可得出公式（3）。

式中：Vf為裂紋擴展速度，m/s；為流動壓力，MPa；C為經(jīng)驗常數(shù)；CV為單位面積夏比V 型能量，J/mm2，一般全尺寸夏比沖擊試樣橫截面積取80 mm2；p1為裂紋尖端的壓力，MPa；pa為止裂壓力，MPa。

由速度判據(jù)可知，判斷管道韌性能否止裂，需要比較超臨界CO2泄漏等熵減壓過程中，不同壓力下的減壓波速和裂紋擴展速度的大小，當(dāng)管內(nèi)壓力高于止裂壓力時，減壓波波速一直大于裂紋擴展速度，管道的韌性才能滿足止裂要求。

1.3 裂紋擴展速度計算模型

根據(jù)減壓波計算模型，輸入管道輸送介質(zhì)的組分及含量進行減壓波波速計算，裂紋擴展速度計算流程如圖1 所示。

圖1 裂紋擴展速度計算流程Fig.1 Calculation flow of crack growth velocity

根據(jù)圖1，模擬吉林石化至吉林油田CO2管道工程從超臨界態(tài)（14.5 MPa、323.15 K）開始泄漏時，則減壓波平臺壓力為7.719 6 MPa，裂紋擴展速度和減壓波波速分析如圖2 所示。由圖2 可知，管材性能滿足最小止裂夏比能量要求時，管材可依靠自身韌性進行止裂。

圖2 裂紋擴展速度和減壓波波速分析Fig.2 Analysis of crack growth velocity and decompression wave velocity

2 管材延性起裂模擬計算

通過減壓波模擬計算可知，管材具有一定的韌性止裂值時，管道可通過自身韌性止裂。而止裂韌性指標(biāo)的確定，需進行延性起裂、止裂、斷裂的模擬計算。由于超臨界/密相CO2管道的輸送介質(zhì)特殊性，在管材選材時，各項指標(biāo)計算與常規(guī)油氣輸送管道的不同點在于，CO2輸送管道需具有足夠的耐擴展延展斷裂能力，即需要重點進行管材的起裂、止裂模擬計算，以便為設(shè)計者在設(shè)計管材止裂韌性指標(biāo)時提供依據(jù)。

CO2管道抗起裂能力的優(yōu)化過程與其他流體管道相同。盡管超臨界/密相CO2管道的工作壓力比油氣輸送管道高，但對起裂過程沒有本質(zhì)的影響，對于軸向缺口，起裂過程主要由環(huán)向應(yīng)力驅(qū)動[16]。因管道斷裂所引起的后果可能比泄漏嚴(yán)重的多，所以確定止裂韌性參數(shù)通常采用的方法是通過確保較長的臨界穿壁裂紋長度來達到較高的抗軸向斷裂能力。提高了管子抵抗表面缺陷的穿壁斷裂能力。

軸向穿透裂紋在斷裂時的環(huán)向應(yīng)力計算如公式（4）、公式（5）所示。

式中：σT為斷裂時的環(huán)向應(yīng)力，MPa；Kc為臨界（平面應(yīng)力）應(yīng)力強度因子，N/mm3/2；c為穿壁裂縫長度的一半，mm；MT為穿壁裂紋Folias 因子；R為管道的公稱半徑，mm；t為管道的壁厚，mm；

Folias 因子體現(xiàn)了由于裂紋周圍管道膨脹而引起的應(yīng)力集中。

對于一般在靜態(tài)條件下韌性較高的管線材料，Kc可以根據(jù)夏比能量來計算，即

式中：CVN為夏比V 型能量，J；E為彈性模量，MPa，取2.0×105～2.1×105MPa；Ac為沖擊試樣的面積，mm2，全尺寸試樣取80 mm2。

整合后可得：

利用該公式可以模擬計算出臨界缺陷長度c值與夏比沖擊功之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。對大慶油田CCUSEOR 管道工程（一期）推薦管材L415M HFW 鋼管進行模擬計算，可知管徑為323.9 mm 時，最小起裂夏比能量值為68.41 J。

3 延性止裂模擬計算

對于天然氣管道，通常使用BTC 模型來估算止裂韌性，BTC 模型是半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，參?shù)通過全尺寸天然氣爆破試驗驗證。對超臨界/密相CO2管道進行了幾次全尺寸爆破試驗，但并不能證明BTC 模型應(yīng)用于超臨界/密相CO2管道時的有效性。按照有關(guān)規(guī)定，經(jīng)理論研究和全尺寸爆破試驗，一般認(rèn)為BTCM（巴特爾雙曲線模型）對于超臨界/密相CO2管道止裂計算預(yù)測不適用[17]。通過研究國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可選用如下方法來計算超臨界/密相CO2管道的止裂韌性值，為設(shè)計管道止裂韌性參數(shù)時提供借鑒性參考。

3.1 CO2管道止裂韌性計算

CO2管道止裂韌性計算流程如圖3 所示。按照計算流程，管材一般線路段的夏比沖擊功計算，如公式（8）所示。

圖3 CO2管道止裂韌性計算流程Fig.3 Calculation flow of cracking arrest toughness of CO2 pipeline

式中：Ccf為修正系數(shù)；Ac為沖擊試樣的面積，mm2；σf為流動應(yīng)力，MPa；σa為制動應(yīng)力，MPa；ps為最大飽和壓力（表壓），MPa；D為管道的外徑，mm。

根據(jù)巴特爾雙曲線法計算出的最小止裂夏比能量繪制出不同壁厚的裂紋擴展速度曲線。當(dāng)裂紋擴展曲線與減壓波平臺相切時（此時止裂壓力為減壓波平臺壓力）確定的最小夏比能，裂紋在高于減壓波平臺壓力時擴展速度大于減壓波波速，裂紋不能依靠自身止裂，所以與平臺相切時的最小夏比能不滿足巴特爾雙曲線法。

進一步提升夏比能，使得裂紋擴展曲線與減壓波曲線完全相切（沒有交點），此時的最小夏比能為Battelle 雙曲線法規(guī)定的依靠自身止裂的最小夏比能。

3.2 CO2管道止裂韌性綜合評價

超臨界/密相CO2管道止裂韌性評估如圖4 所示。該簡化模型的基礎(chǔ)是公共領(lǐng)域中所有超臨界/密相CO2管道全尺寸爆破試驗的分析結(jié)果，該簡化模型的適用范圍是基于當(dāng)前理解和可用數(shù)據(jù)。

圖4 超臨界/密相CO2管道延性斷裂止裂評估示意圖Fig.4 Schematic diagram of crack arrest evaluation for ductile fracture of supercritical/dense phase CO2 pipeline

根據(jù)DNV（挪威船級社）最新標(biāo)準(zhǔn)，重新制定的止裂評估方案，評價點(X，Y)如公式（10）、（11）所示，對相應(yīng)的輸送條件進行止裂評價。

根據(jù)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中巴特爾雙曲線法規(guī)定最小夏比能量確定的止裂方案在DNV 最新標(biāo)準(zhǔn)中，要使選擇壁厚的管材都處于基于小試樣試驗區(qū)進行評估。

通過對大慶油田CCUS-EOR 管道工程（一期）推薦管材L415M HFW 鋼管進行模擬計算，可知管徑為323.9 mm 時，最小止裂夏比能量值為110 J。

4 脆性斷裂模擬計算

管材的脆性斷裂控制應(yīng)保證管道在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上工作。韌脆轉(zhuǎn)變溫度測試可以基于能量判據(jù)，通過系列溫度夏比沖擊試驗、系列溫度緊湊拉伸/三點彎曲試樣獲取。也可基于剪切面積判據(jù)，通過DWTT（落錘撕裂試驗Drop-Weight Tear Test）試驗等獲得，通常要求DWTT 試驗剪切面積在85%以上。一般情況下，管道工程脆性斷裂指標(biāo)為DWTT 或夏比沖擊斷面剪切率[18-19]。CO2管道脆性斷裂控制計算可按常規(guī)管道通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)做法；根據(jù)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中的規(guī)定，在試驗溫度條件下，管體每個DWTT 試驗的平均斷口剪切面積應(yīng)≥85%。

結(jié)合國外超臨界CO2工程經(jīng)驗，考慮到CO2管道泄漏時會發(fā)生急劇溫降，管徑457 mm 及以下的超臨界/密相CO2管道可要求管材在-30～-45 ℃溫度下進行夏比沖擊試驗，在上述模擬計算的止裂韌性指標(biāo)下對管材起裂情況結(jié)合工況條件作具體要求。

5 裂紋擴展模擬

通過管材斷裂指標(biāo)的模擬計算，可得出超臨界/密相CO2管道管材選擇相對安全的止裂韌性指標(biāo)。但各止裂韌性指標(biāo)的可行性、安全性需結(jié)合具體工況條件，進行裂紋擴展模擬來驗證所選管材的止裂效果。運用長輸管道有限元分析方法進行計算，可計算得到不同管徑、內(nèi)壓情況下的裂紋擴展速度隨擴展距離的變化規(guī)律，得出裂紋止裂時的位置信息[20]。對大慶油田CCUS-EOR 管道工程（一期）推薦管材L415M HFW 鋼管進行模擬計算，模擬計算結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，管材裂紋單側(cè)擴展0.98 m 后可自行止裂。

圖5 裂紋單側(cè)擴展距離Fig.5 Unilateral propagation distance of crack

6 結(jié)論

CO2管道材料選擇與斷裂控制有關(guān)，斷裂控制主要考慮抗起裂優(yōu)化、限制韌性斷裂擴展的長度和預(yù)防脆性斷裂擴展等要素。通過研究，超臨界/密相CO2管道在管材滿足一定的韌性止裂值時，可以通過自身韌性進行止裂，且不會發(fā)生長距離的裂紋擴展。

（1）通過減壓波特性模擬計算，可知當(dāng)管材具有一定的韌性止裂值時，可以通過自身韌性止裂。

（2）通過軸向穿透裂紋在斷裂時的環(huán)向應(yīng)力計算，可計算出臨界缺陷長度值與夏比沖擊功之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而得出管體起裂韌性值的最低要求。

（3）通過直管段延性止裂模擬計算和止裂評估方案綜合計算分析，可得出相對安全的管材止裂韌性值，即超臨界/密相CO2管材所需具備的最小止裂韌性值。

（4）CO2管道脆性斷裂控制計算可按常規(guī)管道通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)做法。

（5）通過對具體CCUS 工程項目管材起裂、止裂等指標(biāo)的模擬計算，可知超臨界/密相CO2管材在滿足最小韌性值時，管材發(fā)生泄漏后可自行止裂，且裂紋不會長距離擴展。