CO2輸送管道裂紋擴展及止裂技術(shù)研究進展

孫明源

(1. 化學品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

隨著雙碳目標的提出,我國對于環(huán)境保護提出了更高的要求,CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,即碳捕獲、利用與封存)作為實現(xiàn)碳中和的有效途徑,能夠大規(guī)模降低工業(yè)CO2的排放[1],相較于槽車和鐵路運輸,CO2管道輸送是大規(guī)模運輸CO2最經(jīng)濟、可行的方法[2]。CO2管道連接了碳源和碳匯,CCUS技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須解決的首要問題就是CO2管道安全輸送問題。隨著CCUS示范項目的增多[3],CO2管道的建設也將越來越多,處于地下的管道極易受第三方破壞、腐蝕、過載和載荷交變等影響萌生裂紋,在內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生裂紋的長程擴展,給管道安全輸送帶來了隱患,因此,能夠精確掌握CO2管道裂紋的擴展規(guī)律對于管道的設計和安全運行至關重要。

本文從管道止裂判據(jù)出發(fā),從實驗和數(shù)值模擬兩方面對CO2管道裂紋擴展進行綜述,總結(jié)相態(tài)、含雜情況、管徑等對裂紋擴展的影響規(guī)律,并對目前的止裂技術(shù)進行綜述,指出目前研究中存在的不足,并提出了進一步研究的方向。

1 管道止裂判據(jù)

止裂判據(jù)是判斷管道裂紋能否擴展的重要依據(jù),也是裂紋擴展的研究基礎,根據(jù)動態(tài)斷裂力學的基本理論,目前主要有能量判據(jù)和速度判據(jù)兩種止裂判據(jù)。

1.1 能量判據(jù)

Griffith[4]最先提出材料斷裂的能量釋放率判據(jù),認為在裂紋擴展中,管道內(nèi)部能量的釋放提供了裂紋擴展的驅(qū)動力,與此同時,管道也存在著抵抗裂紋擴展的阻力。當管道的裂紋擴展驅(qū)動力等于管道抵抗裂紋擴展的阻力時,裂紋穩(wěn)定擴展;反之,即使出現(xiàn)裂紋擴展,也會很快止裂。其中,抵抗管道裂紋擴展的阻力也稱為管材的斷裂韌性。

1.2 速度判據(jù)

Maxey[5]在Battelle實驗室管道斷裂實驗數(shù)據(jù)的基礎上,擬合得到了管道裂紋擴展速度的計算公式,與減壓波速度計算公式共同構(gòu)成了Battelle雙曲線模型,被廣泛應用于判斷管道的裂紋擴展,此模型認為,裂紋能否止裂,取決于裂紋在管道中的擴展速度和管內(nèi)介質(zhì)在管道破裂時的減壓波傳播速度,當減壓波速度大于裂紋擴展速度時,裂紋止裂;反之,裂紋擴展。

這兩種判據(jù)在本質(zhì)上是一致的:當減壓波速度大于裂紋擴展速度時,裂紋尖端位于減壓區(qū),裂紋失去擴展的驅(qū)動力,管道止裂;反之,當減壓波速度小于裂紋擴展速度時,裂紋尖端位于減壓波的前端,減壓波提供了裂紋擴展的驅(qū)動力,裂紋將持續(xù)擴展。

綜上所述,管道裂紋擴展是一個復雜的過程,相較于天然氣管道,CO2管道在輸送過程中極易因壓力、溫度波動出現(xiàn)相變,同時會含有N2、CH4等雜質(zhì),這些都會給裂紋擴展帶來影響,早期學者主要通過開展實驗對裂紋擴展進行研究,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學者開始利用模擬仿真來研究裂紋擴展。以下從實驗和數(shù)值模擬兩方面對CO2管道裂紋擴展的研究進展進行綜述。

2 CO2管道裂紋擴展研究

2.1 實驗研究

全尺寸氣體爆破實驗是開展管道裂紋擴展研究的重要方法,由于其建設成本巨大,目前僅英國、意大利、俄羅斯、美國、日本[6,7]和中國[8]開展過全尺寸爆破試驗,氣體介質(zhì)多為空氣或天然氣,針對CO2管道的全尺寸爆破試驗較少。Cosham,等[9-11]進行了3次全尺寸CO2管道實驗,對不同管徑、長度和含不同雜質(zhì)的密相CO2管道開展了裂紋擴展實驗研究,通過預制裂紋,裂紋由中間的低韌性起始管向兩側(cè)的高韌性實驗管擴展,利用這種方法測得了管道止裂所需的韌性,對比了已開展的輸氣管道裂紋擴展實驗,發(fā)現(xiàn)CO2管道因發(fā)生相變驅(qū)動力更高,減壓曲線平臺要比富氣管道長得多;Battelle雙曲線模型不適用于CO2管道,需要進行額外的修正。Barnett,等[12]為了確定擬建管道的止裂能力,開展了CO2管道全尺寸裂紋擴展實驗,方法和Cosham類似,采用了更長的管道,實驗得到了與Cosham相同的結(jié)論,即Battelle雙曲線并不直接適用于密相CO2管道。圖1為Barnett,等采用的實驗方案。

圖1 Barnett的實驗模型[12]

Michal,等[13]進一步重點分析了斷裂速度和瞬時壓力的變化,實驗表明,裂紋擴展速度主要是由給定CO2混合物的組成和材料特性決定的,裂紋軌跡中的震蕩隨著裂紋速度的降低而增加,說明管道在發(fā)生延性擴展的同時可能存在脆性斷裂,與天然氣管道相比,密相CO2管道有更大的襟翼的壓力。劉麗艷,等[14]基于Maxey[5]建立的裂尖壓力-裂紋擴展速度關系式和BWRS狀態(tài)方程,實現(xiàn)了對CO2管道裂紋擴展推動力的計算,認為CO2濃度越高、輸送溫度越高,管道裂紋擴展驅(qū)動力越高。為了研究壁厚和雜質(zhì)對裂紋擴展的影響,Biagio,等[15]進行了2次不同壁厚和不同N2含量的CO2管道全尺寸裂紋擴展實驗,裂紋在管道固有韌性不足的情況下采用止裂器成功止裂,N2濃度越高需要的止裂韌性越大,實驗同樣證明了Battelle雙曲線模型不適用于含雜質(zhì)CO2管道。圖2為Biagio,等的實驗方案及裂紋擴展路徑。

圖2 Biagio,等的實驗方案及裂紋擴展路徑[15]

通過開展全尺寸實驗,發(fā)現(xiàn)相較于輸氣管道,CO2管道因發(fā)生相變具有更強的裂紋驅(qū)動力,具有更長的減壓平臺,基于輸氣管道提出的 Battelle雙曲線模型已不再適用于CO2管道,目前國內(nèi)外開展的CO2管道裂紋擴展實驗仍相對較少,不能滿足修正雙曲線模型的需要。表1為CO2管道裂紋擴展實驗研究總結(jié)(CO2相態(tài)為密相、鋼材為L450)。

表1 CO2管道裂紋擴展實驗研究總結(jié)

2.2 數(shù)值模擬計算研究

鑒于開展管道裂紋擴展實驗成本巨大,且可重復性低、危險性高,隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,基于損傷準則的有限元建模技術(shù)被廣泛應用于管道裂紋擴展研究,國內(nèi)外學者利用不同的軟件和方法進行了探索。金嶠,等[16]利用ABAQUS虛擬裂紋閉合法對超臨界CO2管道內(nèi)壁裂紋在形成穿透裂紋前的擴展行為進行了數(shù)值分析,認為內(nèi)壓波動提供了裂紋擴展的驅(qū)動力,裂紋初始幾何形狀影響裂紋擴展的路徑。Nordhagen,等[17]考慮了管道和CO2之間、管道和回填土之間的相互作用,將裂紋特征和管道幾何形狀傳遞給流體動力學模型,得到沿管道軸向的壓力場,進一步將壓力場傳遞給結(jié)構(gòu)模型,利用元素刪除法對裂紋擴展進行模擬,得到的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有很強的一致性。Gurben,等[18]采用計算流體動力學方法結(jié)合有限元軟件耦合管道的裂紋擴展和氣體減壓模型,評估了擬建Northern Lights全尺寸CO2管道的延性斷裂行為。Talemi,等[19-21]建立了一種用于管道流出和裂紋擴展的耦合建模方法,將模型與全尺寸實驗對比,結(jié)果表明該耦合方法可以用于預測管道在高壓下的斷裂行為。Du,等[22]利用LS/DYNA軟件采用流體-結(jié)構(gòu)-裂縫耦合的方法,獲得了裂紋擴展過程中爆震波與管道的相互作用、不同初始裂紋長度管道的動態(tài)斷裂過程、爆轟產(chǎn)物的排放特征以及管外壓力分布。

隨著CTOA(裂紋尖端張開角)斷裂準則的提出,在裂紋擴展中采用CTOA斷裂準則得到了學者的廣泛認可,Shibanuma,等[23]進行了爆破實驗并測量CTOA,開展了一系列有限元分析,描述了從裂紋擴展模擬中提取CTOA的方法,認為CTOA在裂紋擴展過程中僅取決于管道直徑,基本不受裂紋尖端后壓力分布、裂紋速度、內(nèi)部壓力、鋼管強度等級和徑厚比的影響,將CTOA作為管道斷裂準則是具有一定適用性的。曹宇光,等[24]提出一種考慮裂尖位置實時預測的迭代加載法,可以很好地模擬管道的動態(tài)裂紋擴展,得到的結(jié)果與Shibanuma相似:管道的臨界CTOA幾乎與施加的初始壓力、氣體減壓、裂紋擴展過程中的裂紋速度、管道厚度無關。Bassindale,等[25-28]利用粘結(jié)區(qū)模型,采用CTOA作為斷裂準則建立了管道為殼單元的有限元模型,考慮了管周土壓力的變化,利用SPH法對土體的回填效果進行了模擬,研究回填和保溫層對管道裂紋擴展的影響,發(fā)現(xiàn)回填管道比未回填管道裂紋傳播速度慢約1/3,保溫層的存在降低了裂紋擴展的速度。Amara,等[29]基于CTOA斷裂準則,采用節(jié)點力釋放技術(shù),利用ABAQUS用戶子程序URDFIL和MPC建立了內(nèi)壓下管道裂紋擴展模型,提出了基于CTOA的斷裂阻力曲線,可以成功預測止裂壓力、裂紋擴展的速度和長度。Xue,等[30]考慮了各向異性的材料行為,將壓力加載函數(shù)進行參數(shù)化,對減壓行為下的開裂管道進行了研究,結(jié)果表明,與各向同性材料相比,裂紋尖端張開角不僅表現(xiàn)出強烈的管道直徑大小依賴性,而且與材料的各向異性密切相關。

為了更好地模擬實際管道在發(fā)生裂紋擴展后的管內(nèi)壓力變化,Botros,等[31]利用ABAQUS開發(fā)了一個粘結(jié)區(qū)有限元模型,并結(jié)合Fluent建立計算流體動力學模型,同時考慮了裂紋尖端附近的減壓行為。Oikonomidis,等[32,33]對裂紋尖端后采用線性減壓模型,對裂紋尖端前采用指數(shù)型氣體減壓模型,正確預測了裂紋起始壓力、裂紋速度和裂紋止裂長度。甄瑩,等[34]考慮了納入尖端位置實時預測的迭代加載法,近似實現(xiàn)了氣體減壓、管道變形與裂紋擴展的多場耦合,認為二維指數(shù)型氣體減壓模型比三維指數(shù)型氣體減壓模型更能真實反映氣體減壓。賀云婷[35]利用ABAQUS軟件,建立全耦合的管道裂紋動態(tài)擴展及止裂數(shù)值模擬技術(shù),將管內(nèi)氣體建立為實體單元,氣體單元與管道內(nèi)壁施加固定耦合,通過預制裂紋,模擬得到管道裂紋擴展速度及氣體減壓波速度。

對于不同相態(tài)、埋地環(huán)境及含雜情況的CO2管道,Mahgerefteh,等[36,37]建立了氣相和密相CO2管道脆性斷裂的流固耦合模型,研究表明,氣相CO2比密相CO2管道更容易發(fā)生脆性斷裂,由于土壤對管道的二次冷卻作用,埋地CO2管道比地上管道更容易發(fā)生脆性斷裂,壁厚增加會增強管道抵抗脆性斷裂的能力,雜質(zhì)的存在并不會影響CO2管道承受脆性破壞的能力。Keim,等[38,39]考慮了裂紋擴展和氣體減壓期間的流體-結(jié)構(gòu)相互作用,采用耦合歐拉-拉格朗日的方法建模,利用三維歐拉方程計算氣體減壓,采用GERG-2008狀態(tài)方程描述富CO2混合物天然氣的物性,考慮了土壤回填對管道變形的影響,認為土壤的回填對管道裂紋擴展有決定性影響。Aursand,等[40,41]提出一種用于評估連續(xù)韌性斷裂的全耦合流體結(jié)構(gòu)模型,結(jié)果表明,CO2管道比輸氣管道更容易發(fā)生延性斷裂,完全耦合模型預測的管道閾值厚度是非耦合模型的2倍多。Martynov,等人[42]利用均相流模型模擬了氣體的減壓過程,分析了雜質(zhì)對輸送密相CO2管道裂紋擴展的影響,結(jié)果表明,雜質(zhì)的存在增加了管道的止裂難度,可選用高鋼級管道來阻止裂紋擴展。

3 裂紋擴展控制技術(shù)研究

為有效地對出現(xiàn)裂紋擴展的管道進行止裂,張希悉,等[43]從理論研究和工程設計與應用兩方面總結(jié)了天然氣管道止裂技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,對管道設計的相關公式和外部止裂方法的設計原理進行了全面分析。陳兵,等[44]從管道斷裂機理和止裂控制兩方面分析了相態(tài)、管材及雜質(zhì)對CO2管道斷裂擴展規(guī)律的影響,并總結(jié)了不同止裂技術(shù)的原理,以及不同止裂結(jié)構(gòu)的止裂效果。這些綜述對了解目前管道的止裂技術(shù)具有很強的指導作用?？傮w來說,針對管道的止裂技術(shù)主要有改變管道的設計、提高管材的韌性和外部止裂等。

在管道設計和管材韌性選擇上,陳福來,等[7]介紹了管道止裂的方法,主要有插入高韌性、壁厚加厚、軋制方向不同的管段,加機械止裂環(huán),加配重以改變斷裂方向等方法,總結(jié)了止裂的韌性指標,提出采用裂紋尖端張開角作為止裂判據(jù)是效果較好的。徐源[45]提出在設計過程中無法滿足止裂韌性要求的管道,可以采用適當增加壁厚的措施來提高其止裂能力。李紅克,等[46]介紹了Battelle雙曲線模型和能量平衡模型2種預測管道止裂的方法,經(jīng)統(tǒng)計分析針對性地提出一種預測模型,并探討了這幾種模型的適用范圍。

在外部止裂設計上,張克政,等[47]設計了一種雙金屬復合管全尺寸止裂實驗,并測量了裂紋擴展速度和減壓波速度,可用于管道止裂性能測試。張曉燕[48]研究了玻璃纖維復合材料止裂器對含表面裂紋的高鋼級管道的止裂效果,利用有限元軟件ANSYS建立了含軸向表面和環(huán)向表面的X100高鋼級管道模型,得出應根據(jù)不同的裂紋尺寸選擇合適的復合材料止裂結(jié)構(gòu)。任科[49]結(jié)合鋼套式止裂器和碳纖維止裂器的優(yōu)點,設計了一種適用于超臨界CO2管道的止裂器(圖3)。

圖3 超臨界CO2管道止裂器示意[49]

張俊男,等[50]利用管道全尺寸爆破實驗研究止裂器的止裂效果,提出可適當加寬加厚止裂器并優(yōu)化止裂器安裝位置來提高止裂效果。喻建良,等[51]利用有限元軟件ANSYS對套管止裂方法進行了分析,通過止裂系數(shù)來衡量套管的止裂效果,研究了止裂系數(shù)及極限載荷系數(shù)隨套管位置、長度比、壁厚比、裂紋管徑的變化特征,并在大量模擬的基礎上,給出了止裂系數(shù)的擬合公式。Wang,等[52]利用ANSYS有限元軟件對管道和止裂器的結(jié)構(gòu)進行了模擬分析,通過測量的彈塑性斷裂力學參數(shù)J積分和止裂系數(shù)K,總結(jié)了復合止裂器的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明,當止裂器厚度和長度增加到一定程度時,止裂效果不再發(fā)生明顯變化。Fonzo,等[53]利用CSM專有有限元代碼對X120管道上幾種止裂器進行了數(shù)值模擬,評估其阻止斷裂的能力,得到的結(jié)果與全尺寸實驗結(jié)果一致,說明該代碼可以用于開發(fā)爆裂實驗用止裂器的布局和設計。Abeele,等[54]介紹了一種由玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂制成的復合止裂器,并利用有限元模擬對止裂器進行了評估,認為單向玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂是制造復合止裂器最有前途的材料。Mazurkiewicz,等[55]對無縫熱軋鋼管的爆破壓力進行了數(shù)值和實驗評估,估算了復合管包裹管材的機械韌性,結(jié)果表明,相較于原缺陷管道,用環(huán)氧樹脂玻璃纖維套管修復的管道具有更強的耐爆性能。Kong,等[56]用外包碳纖維增強聚合物復合材料來修復不同長度缺陷的管道,研究了缺陷尺寸和材料力學性能對鋼管抗爆性能的影響。

4 結(jié)論

本文綜述了國內(nèi)外CO2管道裂紋擴展的實驗研究和數(shù)值模擬研究,綜合分析了裂紋擴展實驗的實現(xiàn)方法及數(shù)值模型的建立方式,同時對裂紋止裂技術(shù)進行了介紹。綜合看來,對管道裂紋擴展的實驗研究較少尚不能形成完善的結(jié)論、針對管道裂紋擴展的數(shù)值模擬研究方法尚不完善、針對管道的止裂方法也尚未形成健全的標準和體系。因此,為了更好地實現(xiàn)雙碳目標,推廣CCUS技術(shù)在我國的全面發(fā)展,有必要在CO2輸送管道裂紋擴展和控制方面投入更多的研究。

a) 已開展不同壁厚和含雜情況的密相CO2管道裂紋擴展實驗,結(jié)果表明,相較于天然氣管道,CO2管道具有更強的裂紋驅(qū)動力,減壓平臺更長,Battelle雙曲線模型已不再適用于CO2管道,需開展大量實驗對模型進行修正或提出新的適用模型,尤其應增加對不同相態(tài)CO2管道的裂紋擴展實驗。

b) 管道的裂紋擴展涉及到管內(nèi)氣體的泄漏減壓和管道裂紋尖端擴展的相互影響,是一個復雜的過程,目前,在裂紋擴展的數(shù)值模擬方法上,CTOA斷裂準則和氣體減壓模型得到了廣泛的應用,但是CO2管道在泄漏過程中極易出現(xiàn)相變,相變勢必會影響減壓過程,下一步研究應著重放在管內(nèi)流體狀態(tài)變化對裂紋擴展的影響,加強流固耦合研究,考慮管道-氣體-裂紋的相互作用、管內(nèi)介質(zhì)隨裂紋的動態(tài)變化,不斷優(yōu)化模型,得到適用于CO2管道的建模方法。

c) 含雜質(zhì)CO2管道的裂紋擴展研究整體偏少,雜質(zhì)的種類、含量對CO2裂紋擴展的影響尚未有較明確的模型來描述,對裂紋擴展的定量影響更是空白,應加強雜質(zhì)對CO2管道裂紋擴展的影響研究。

d) 針對管道的止裂技術(shù),多采用在設計階段增加壁厚或增設止裂器的方法,整體增加管道壁厚成本較高,所以未來的研究重點應放在對止裂器的設計上,開發(fā)止裂性能表現(xiàn)優(yōu)異的復合止裂結(jié)構(gòu),并逐步形成體系,對止裂結(jié)構(gòu)的材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、適用范圍做出相應規(guī)定。與此同時,還應加強對管材缺陷的允許值及臨界裂紋長度的研究,建立起有效的管道止裂準則。