基于CCUS的超临界CO_2管道止裂韧性研究进展_南同庆.pdf

1012 0 2 3 年 2 月第 3 5 卷第 1 期油 气 与 新 能 源文章编号：2097-0021（2023）01-0101-10基于 CCUS 的超临界 CO2管道止裂韧性研究进展南同庆，陈兵，徐梦林，闫帅伟，黄华雨，庞钥，魏佳兴西安石油大学机械工程学院引用：南同庆,陈兵,徐梦林,等.基于CCUS的超临界CO2管道止裂韧性研究进展J.油气与新能源,2023,35(1):101-110.基金项目：陕西省重点研发计划项目基于CCUS的含杂质CO2管道输送安全关键技术研究（2022SF-233）；2022年国家级大学生创新创业训练计划资助项目（202210705038）摘要：C C US（C O2捕集、利用与封存）作为一种应对全球气候变暖的关键技术，已得到国际社会的广泛认可与重视，而 C O2的管道运输是该技术的关键环节。为应对管输 C O2存在的工质泄漏的安全问题，开展 C O2管道止裂韧性研究已成为热点。结合国内外超临界 C O2管道止裂韧性研究的相关文献，总结分析了管道止裂原理，梳理了相关止裂方法，针对当今应用最为广泛的方法B a t t e l l e 双曲线法进行归纳分析，依次介绍管内介质减压波和管道裂纹扩展相关研究，并对这两部分内容分别从理论和实验两方面综述。同时，对 C O2管道设计规范和标准进行了总结分析。对C O2管道减压波和管道裂纹扩展两方面亟需解决的科学问题进行了说明，对未来开展的研究内容进行了展望，以期为中国 C O2管道安全运输提供合理建议，填补 C C US 技术空缺。关键词：C C US；减压波；止裂韧性；B a t t e l l e 双曲线中图分类号：TE973 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.2097-0021.2023.01.013Research Progress of Supercritical CO2 Transportation Pipeline Cracking Toughness Based on CCUSNAN Tongqing,CHEN Bing,XU Menglin,YAN Shuaiwei,HUANG Huayu,PANG Yue,WEI JiaxingSchool of Mechanical Engineering,Xian University of PetroleumAbstract:As a key technology to deal with global warming,CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)has been widely recognized and highlighted by the international community.And the pipeline transportation of CO2 has become the critical part of such technology.It has been a hot topic concerning the way to deal with the working medium safety issues of pipeline transportation of CO2 and conduct the arrest toughness study regarding pipeline transportation of CO2.Based on the related literature of supercritical CO2 transportation pipeline cracking toughness study at home and abroad,the principle of pipe cracking is summarized and analyzed,and the related cracking methods are sorted out.Also,this paper summarizes and analyzes the Battelle two-curve method,the most widely used method today.Then,the paper introduces the studies on decompression wave inside the pipeline medium and the pipeline crack growth and summarizes the two parts from theoretical and experimental perspectives.Meanwhile,the paper summarizes and analyzes the designing standards concerning the CO2 transportation pipeline and anticipates the future research,so as to provide reasonable suggestion of Chinese safe transportation of CO2 pipeline and fill the vacancy of the CCUS technology.Keywords:CCUS;Decompression wave;Arrest toughness;Battelle two-curve method0引言近现代工业的发展和化石燃料的燃烧造成了大量温室气体的排放，尤其是 CO2的排放，这被认为是全球变暖的主要原因1。在国家主席习近平首次提及“2030 碳达峰”“2060 碳中和”（简称“双碳”）的目标后2，中国的“双碳”战略拉开序幕。如何减少 CO2的排放成为亟待解决的重大问题，其中CCUS（CO2捕集、利用与封存）作为一种减少 CO2排放的新兴技术，被全球各国广泛关注3-4。中国对 CCUS 技术给予了重大支持，CCUS 技术各相关环节工作已取得明显成就，在“双碳”背景下，CCUS102油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023技术将迸发出更大的发展潜力5-6。CCUS 技术是指将工业排放的 CO2捕集分离后，输送至油气田或封存点，用于提高油气采收率或永久封存于地下7。CO2的输送是 CCUS 技术中至关重要的一环8，对于长距离和大规模运输 CO2来说，使用管道输送具有更低的经济成本和更高的安全性9-10。根据国外半个多世纪的 CO2管道输送经验，由于超临界具有高密度、低黏度的特点，采用超临界来输送 CO2效率最高11-13。但由于超临界在输送时需要更大的管道压力14，并且会遭受管道内外腐蚀等伤害15-17，易造成管道断裂。管道起裂后会产生 CO2泄漏，管内压力会迅速减小，使 CO2发生相变18，进而发生 CO2管道断裂事故。CO2本身为窒息性气体19，也会对管道处的环境造成破坏。CO2不同于天然气，其具有相对较高的焦耳-汤姆逊系数20，会在 CO2泄漏时造成温度降低，从而使管道韧性值大大减小21，导致管道断裂转变为脆性断裂。同时也会改变 CO2相态，进而造成裂纹在短时间内急速扩展22-23，因此，针对管道的止裂韧性研究格外重要。经过大量实验研究，国内外各大研究机构提出以 CVN（止裂所需的最低夏比能量值）为参数的止裂依据，即可计算出管道止裂所需的最小韧性值。结合国内外相关研究，发现基于 CCUS 的超临界 CO2管道止裂韧性研究的综述性文章较少。基于此，本文综合了该方面理论基础和优化设计方法，对超临界 CO2管道止裂韧性研究原理及具体止裂方法Battelle 双曲线法进行了分析和总结，并对相关 CO2管道设计标准进行整理阐述，凝练出止裂韧性研究存在的不足并提出合理展望。以期为 CCUS技术的发展和降低 CO2输送时的泄漏风险提供建议，进一步完善中国在超临界长输 CO2管道相关标准与规范方面空缺，填补 CCUS 运输行业规范的空白。1CO2管道延性扩展理论基础CO2管道的断裂形式分为动态脆性扩展和动态延性扩展24，二者的主要区别在于管道断裂时的塑性变形，脆性扩展的断口平直，裂纹扩展时无明显塑性变形，其裂纹扩展驱动力仅来自管壁中的弹性应变能；而延性扩展的断口会出现显著的撕裂和剪切痕迹，裂纹扩展时有明显的塑性变形25。随着冶炼工艺的不断改进，管道材料的韧性显著提高，同时 CO2管道材料的韧脆转变温度显著降低，这意味着 CO2管道裂纹脆性断裂的安全事故基本得到了控制。目前 CO2管道断裂事故主要由于管道裂纹的延性扩展26。1.1超临界含杂质 CO2的特殊性Battelle 双曲线模型最早应用于天然气管道设计，大多数 CO2止裂韧性的经验公式是借鉴天然气管道止裂经验公式或由其发展而来，但 CO2和天然气等介质的减压波规律和运输施压压力等规律并不完全相同。鉴于此，对超临界含杂质 CO2的特殊物化性质进行精确分析是开展 CO2管道运输研究的基础。CO2具有较高的焦耳-汤姆逊系数27，会导致断裂口出现较大程度的温降，从而导致管道的韧性值迅速下降，使其由动态延性扩展转变为动态脆性扩展。同时 CO2在管道运输时的减压波规律不同于天然气等介质，CO2相态的改变会影响减压波平台的升降（见图 1）。天然气或单相气体管道运输时减压波速度曲线近似绿色曲线，但 CO2相态改变为两相态时减压波速度曲线会变成近似红色曲线的类型，CO2减压波压力平台明显上升。可见，随着减压波压力平台的升高，止裂所需的最小韧性值也不断增加。因此，针对 CO2特殊性开展止裂韧性研究尤为重要。4005006003002001000246810121416压力/MPa裂纹扩展速度或减压波速度/（m s-1）曲线1曲线2 曲线3裂纹扩展速度曲线两相减压曲线止裂韧性提高单相减压曲线图 1Battelle 双曲线法示例但在实际工程应用上，从捕集地捕集并处理过的 CO2一般仍含有不同种类和浓度的杂质，如 H2O、CO、N2、H2、O2、H2S、NO2、SO2和 CH4等。杂质不仅占用 CO2的运输空间、泄漏时破坏环境，还影响CO2的物化性质28。杂质对 CO2混合物临界参数的影响：NO2、SO2等氮氧化合物和硫氧化合物类型杂质的存在会增加超临界的临界温度和临界压力，而CO、N2、H2、O2、H2S、CH4等杂质的存在则会降低103第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月南同庆等：基于 C C U S 的超临界 C O2管道止裂韧性研究进展超临界的临界温度和增加临界压力。杂质对 CO2混合物相态的影响29：H2、O2、N2、Ar、CH2等杂质对 CO2的蒸气压影响较大，会影响两相区的出现，造成管道运输 CO2时相态改变，从而造成 CO2泄漏时减压波压力平台的升降，使裂纹持续扩展。但目前对于描述含杂质 CO2热力学性质的状态方程尚未形成共识13，PR 方程、BWRS 方程和 GERG-2008 方程常用来描述 CO2的相态图和物化性质。1.2CO2管道止裂判据止裂判据是控制 CO2管道裂纹扩展的理论依据，根据动态断裂力学基本理论，主要形成了以下两种研究管道裂纹动态扩展的止裂判据。1.2.1能量判据Griffith30最先提出了能量平衡理论，他认为管道裂纹延性扩展中裂纹的增长驱动力是由管道内部能量提供的，管壁裂纹单位尺寸上受到的力被称为裂纹驱动力，同时管壁也存在阻止裂纹扩展的阻力。根据该理论可知：当使裂纹不断扩展的驱动力等于管道自身阻力时，裂纹会处于平稳扩展状态；当阻力大于驱动力时，管道就会自行止裂。常用动态断裂韧性、动态 J 积分的临界值及裂纹尖端张开角的临界值来度量管材抵抗动态断裂的阻力，它们取决于裂纹的扩展速度，也与温度有关。1.2.2速度判据速度判据即 Battelle 双曲线法，管道中裂纹的扩展速度及管内介质在管道破裂时的减压波速度决定了管道中的裂纹是止裂还是持续地快速扩展31。1974 年 Battelle 公司的 Maxey 等32提出了针对管道的止裂模型，即双曲线模型。CO2管道开裂后会在断裂点形成一个减压波并向两边传播33，当气体减压为单相行为时，该模型认为：若管内减压波速度大于裂纹延性扩展速度，裂纹尖端压力会大大减小，管道会自行止裂；若管内减压波速度小于裂纹延性扩展速度，裂纹尖端压力会持续增大，管道会持续开裂24,34。CO2管道止裂设计的判据一般采用速度判据。该方法最大的创新点在于不需要研究管道中流体的瞬态减压规律，极大地减少了计算量，将压力作为独立变量，通过改变压力得到减压波速度曲线和裂纹延性扩展速度曲线，从而确定管道止裂所需的CVN 值35。描述止裂的两种判据是统一的，当减压波速度大于裂纹延性扩展速度时，裂纹尖端已处于经过减压的低压区，裂纹扩展失去了驱动力或驱动力大大减小，裂纹扩展便得到止裂；反之，当减压波速度小于裂纹延性扩展速度时，裂纹扩展的驱动力始终大于材料对裂纹扩展的阻力，裂纹将持续扩展。2CO2减压行为及裂纹延性扩展研究止裂韧性预测方法一般采用止裂判据中 Battelle双曲线法，而管道内介质的减压行为及管道的裂纹延性扩展作为其重要组成部分，若想开展 CO2管道止裂韧性研究则必须要对其减压行为及管道的裂纹延性扩展进行分析。2.1CO2减压行为2.1.1理论研究当管道上裂纹起裂和扩展时，超临界的 CO2压力将直接作用在有缺陷的管道管壁上，使管壁裂纹进一步扩展，造成管道断裂。由于 CO2特殊的热力学性质，管道断裂后断口处的压强并非立即下降至大气压强，而是在断口处向两端各传播一个减压波36-37（见图 2）。减压波速度 W 被定义为局部声速 C 与介质流出平均速度 U 的差值38，即 W=C-U。开裂口管道开裂区减压波泄漏的管内介质裂尖减压波图 2超临界 CO2减压波传播示意CO2管道断裂时减压波的传播受杂质、温度和压力等影响。实际 CCUS 产业中 CO2的输送仍含有少量的杂质，如 H2、CH4、N2等。杂质的存在会改变 CO2的相界线和热力学参数，造成减压波平台的升降，给管道止裂带来不确定性39-40。而压力和温度则共同决定了 CO2的相态，同时也会对其热力学性质产生影响。2.1.2实验模拟研究2.1.2.1实验研究Ahmad 等41基于 COSHER 联合工业项目，在104油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023英国 Spadeadam 实验基地对密相 CO2管道进行了全尺寸断裂实验，实验结果证明在泄漏初期 CO2管内压力快速下降时 CO2会出现相变情况。英国国家电网公司开展的激波管实验方案，初步掌握了气态和密相 CO2在全尺寸爆破管道中的减压行为42，并将观测到的减压行为与使用简单（等熵）减压模型预测的行为进行了对比，得出 CO2与天然气等介质在管道泄漏时表现出的减压特性不同的结论，因此天然气管道的建设经验不能完全应用于 CO2管道。Davis 等43对 DWTT（落锤撕裂实验）和全尺寸断裂实验的断口分离进行了分析，并对含有 CO2、N2混合物的管道进行了两次全尺寸爆破实验，结果表明 DWTT 与全尺寸断裂实验二者可实现相同的实验结果，但由于管材标准的差异，也可能造成管道内 CO2减压行为不一致的情形。Drescher 等44分别以含量为 10%、20%、30%的 N2为杂质，对 CO2进行了减压波行为测试实验，实验是在管长为 140 m，管道内径为 5 mm 的管道中进行的，重点讨论减压开始时减压波的变化，将实测结果与模拟结果进行对比分析，最终发现当 N2含量越高时，管道温度下降越快，更易发生断裂事故。Teng 等45对不同相态的 CO2进行了中尺寸爆破实验，并搭建了具有高速摄像系统的实验装置对其过程进行记录。基于与泄漏瞬态流动模型模拟数据的对比，得到了超临界 CO2与气态 CO2的流动特征和减压特征相似的结论。郭晓璐等46基于欧盟第七框架国际合作项目Techno-economic Assessment of CO2 Quality Effect on Its Storage and Transport（简称 CO2QUEST），制作可重复使用的工业规模管道实验装置用于研究纯CO2管道的排污，记录了管道顶部和底部流体温度的变化，观察到致密相 CO2泄漏在释放过程中伴随相变过程的压力响应的典型波形特征，即：致密相CO2释放在降压过程中发生了复杂的相变，在致密相 CO2释放过程中，当压力低于三相点时，将出现气固相或气液固相。结合已开展的实验发现，传统天然气管道止裂经验并不能完全适用于超临界 CO2管道的安全设计，同时针对 CO2杂质组分及其含量和相态等条件对管道裂纹延性扩展规律的影响仍处于起步阶段，今后仍需通过不同类型的全尺寸爆破实验来加深对 CO2断裂机理的研究。2.1.2.2模型建立和数值模拟研究Jie 等47基于 ALE（任意拉格朗日欧拉方法）和 HEM（均相流模型），使用 Fluent 软件建立了CFD-DECOM（计算流体力学的管道减压模型），研究了不同杂质对不同相态 CO2减压波的影响，得出管壁摩擦、传热、不同的杂质及状态方程的选取对CO2减压行为有直接影响的结论。Park 等48基于 PR 方程，通过 Fluent 软件建立了模型，对含杂质 CO2管道减压波变化规律进行分析，并考虑内部流体与管壁之间的对流换热问题，得出不改变初始压力的情况下，减压波速度随着初始温度的提高而下降，减压波平台在不同的杂质影响下也呈现不同的趋势的结论。Mahgerefteh 等49通过瞬态多相流模型开展了摩擦力和热换率对管道内 CO2减压波速度的影响的模拟，得出摩擦力和热换率只有在管道泄漏后期才会对减压波产生影响，摩擦力会增大管道介质的减压波速度，从而增加裂纹延性扩展的风险，但热换率会降低减压波速度。模拟结果与实验数据相比，减压行为后期有一定误差。宫敬等50通过引入两相流声速计算统一模型，基于 PR、SRK、BWRS-PR 及 BWRS-SRK 状态方程也建立了新的减压波模型。该模型既可计算干气输送管道断裂过程中的减压波传播特性，也可描述富气管道减压波传播过程中出现的相变过程及进入两相区后的减压波特性。任科19通过 ANSYS Workbench 软件（数值模拟计算类软件）建立了超临界 CO2减压波计算模型，分析了杂质、温度和压力对减压波曲线的影响，得出杂质的加入、温度的下降和压力的增大会使超临界 CO2进入两相态从而增大管道破裂的风险。结合现有实验进展分析，发现对于杂质、温度和相态对 CO2减压波造成影响的研究仍处于初级阶段，仍有部分现象并未给出合理解释，需要结合计算机数值模拟及全尺寸爆破实验来开展更加深入的研究。同时，应更加科学选择针对含不同杂质的状态方程，以提高计算的准确度。2.2管道裂纹延性扩展2.2.1理论研究根据 Battelle 双曲线法，可由 CO2的减压波速度曲线和管道的裂纹延性扩展速度曲线之间的匹配105第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月南同庆等：基于 C C U S 的超临界 C O2管道止裂韧性研究进展关系得到管道止裂的 CVN 值。对于管道延性扩展速度的计算方法，美国 Battelle 双曲线法和日本 HLP方法得到了广泛使用。2.2.1.1Battelle 双曲线法Battelle 公司在进行一系列管道全尺寸爆破模型实验的基础上，拟合出了裂纹延性扩展速度公式。该公式分为两部分，先计算出止裂压力，然后在计算压力高于止裂压力的情形下，才可得出裂纹延性扩展速度51。而后，美国 Battelle 公司基于此公式并结合全尺寸爆破实验得到了 CO2管道止裂韧性计算公式52：CVN=2.38210-5H2（0.5Dt）（1）式中：CVN止裂所需的最低夏比能量值，J；H 环 向 应 力，MPa；D 钢 管 外 径，mm；t钢管壁厚，mm。但随着管道钢材不断向大口径、高纲级和富气运输的转变，国内外的全尺寸爆破实验结果也表明 Battelle 公式已不能有效保证安全止裂。Michal等53在英国 Spadeadam 实验室进行了全尺寸爆破实验，从传统管道韧性断裂控制技术应用于超临界CO2管道的角度展开分析，着重分析材料和 CO2混合物特性相关的断裂速度和瞬态压力数据，发现了Battelle 双曲线的局限性，验证了原始 Battelle 双曲线模型并不能直接应用于超临界 CO2管道。国内外均对公式进行了一定的修正：Leis 等54发现：当预测的 CVN 超过 94 J 时，Battelle 经验公式的预测值低于实验值，且随着韧性的增大，误差也随之增大。为解决这一问题，Leis等54基于 Battelle 经验公式提出以下修正：CVN 94 J 时，CVN=CVNBMI（2）CVN 94 J 时，CVN=CVNBMI0.002CVNBMI2.04-21.18（3）式中：CVNBMI利用 Battelle 双曲线法计算得到的管道止裂所需的夏比能量值。同时，Leis 等54指出为了计算结果更加保守，可把指数 2.04 换成 2.1。但该修正方法对以下情形并不适用：出现断口分离；管内介质为富气；管道设计参数未被实物实验数据库收录。李红克等55根据 20 世纪 70 年代到 20 世纪末不同钢级全尺寸爆破实验，得出以下公式：CVN=0.002 392 2P2.109 1D1.62t-1.911（4）式中：P全尺寸爆破实验管道内压，MPa。同 Leis 修正公式比较，得出：当 CVN 小于 92 J时，适用 Battelle 经验公式；当 CVN 在 92 102 J范围时，适用 Leis 修正公式；当 CVN 在 102 151 J范围时，式（4）更为适用。使用高强度管道钢时往往会出现断口分离的现象56。这类钢的 CVN 转变曲线会出现上升平台行为。此时预测韧性值并不能保证管线钢安全，可做出以下修正：CVN=CVNBMICVP/CV100（5）式中：CVP冲击转变曲线上平台能，J；CV100出现全部剪切面积时的冲击能，J。此修正法可减少断口分离情形时 Leis 修正法带来的误差。2.2.1.2HLP 法日本 HLP 模型57是根据多次全尺寸输气管爆破实验的结果拟合而来。该模型不仅可以以抑制裂纹 DWTT 的吸收能作为管道的韧性值，还可以计算出精确的气体减压曲线，应用于双曲线模型。2.2.2实验模拟研究2.2.2.1实验研究1960 年美国 Trans-Western 管道进行气压实验时，发生重大断裂事故。管道在裂纹源外起裂后，裂纹分别向两端扩展，一端遇到一根高韧性的管段止裂，另一端遇到一根锻造的厚壁管而止裂24，由此可知，高韧性管段和管壁加厚均可达到止裂目的。高韧性钢管的全尺寸爆破实验58-59表明除了临界止裂韧性值以外，还可以用裂纹的扩展长度来描述管道的止裂能力，一方面可以抑制裂纹扩展，使其危害减小；另一方面可以降低规定的管道止裂韧性值，从而降低管材的成本。Biagio 等60开展了含 N2杂质的 CO2管道全尺寸爆破实验，实验管道壁厚为 12.5 13.7 mm，钢管等级为 L450。实验发现 N2的存在会加大管道断裂风险，且 BTCM 模型（巴特尔双曲线模型）也不能直接应用于含杂质的 CO2管道的止裂韧性研究。Linton 等61基于 CO2SAFE-ARREST 项目中含杂质的密相 CO2全尺寸管道爆破实验，着重分析了管材和含杂质 CO2对裂纹扩展速度与瞬态压力的影响，发现 BTCM 模型不能直接适用于密相 CO2管道的止裂韧性设计。106油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023Cosham 等62以初始 CO2浓度、初始裂纹长度和管道初始状态为变量开展了 3 次全尺寸爆破实验，发现 Battelle 双曲线模型不适用于运输介质为液态或密相 CO2及富 CO2混合物的管道，并且初始裂纹长度是导致裂纹延性扩展速度的主要原因。Cosham 等63针对不同初始状态进行了 3 次致密相 CO2全尺寸裂缝扩展实验，其中第一次和第二次实验使用的是外径为 914 mm、壁厚为 25.4 mm、等级为 L450 的管道，第三次实验为外径 610 mm、壁厚 19.1 mm、等级为 L450 的管道。3 次实验结果表明，使用双曲线模型和 Wilkowski 等64提供的修正因子对于起爆管和过渡管来说，结果并不保守。同时也提出双曲线模型目前并不适用于输送液态CO2或密相富 CO2混合物的管道，需要额外修正。结合现有实验研究结果分析发现，传统的Battelle 双曲线法并不能直接简单地应用于管道止裂韧性的计算，在某种特定情形下，使用 Battelle 双曲线法会产生较大误差。因此，需要根据具体情况对Battelle 双曲线法做出适当修正；同时，也要加深杂质和 CO2相态对 CO2管道裂纹延性扩展影响的研究。2.2.2.2模型建立和数值模拟研究国际上在 CO2管道韧性断裂扩展的计算建模方面取得了很大的进展。Aursand 等65对管道变形和断裂进行数值模拟，将模型预测结果与使用非耦合BTC 和 HLP 模型获得的结果进行比较表明，后者可能无法准确计算 CO2管道中的裂纹延性扩展。另外，在 CO2QUEST 项目的模拟结果中，使用 HLP 模型和结构力学 FEM 代码中实施的改进 Bai-Wierzbicki 延性失效模型描述了 CO2管道中的延性断裂扩展。Hu 等66根据减压波预测模型和改进的 BTCM模型，建立了超临界 CO2管道止裂韧性模型。对减压波速度和裂缝扩展速度进行比较，来确定管道能否自行止裂。不足之处在于，其使用 MATLAB 软件进行计算，并没有可视化界面和参数输入入口，若将此止裂韧性模型设计开发成软件将极大增加使用的便捷性。Okodi 等67将最大主应变和断裂能作为损伤参数，通过使用扩展有限元法，在 ABAQUS 软件上建立了可用于预测具有不同尺寸纵向裂纹的管道试件的爆破压力的模型。但并没有针对不同的裂纹类别和管道尺寸展开全面的分析。Martynov 等68建立了管道传热和裂纹扩展的耦合模型，对不同的传热条件下埋地管道与地面管道在泄漏处的温度分布进行了分析，将传热与 CO2管道裂缝扩展结合起来，为控制管道的脆性断裂提供指导建议。在高于特定的温度和压力下，介质的减压波速度可能会低于管道裂纹扩展的速度，从而增加裂纹延性扩展的可能性。李哲69基于 X80 管线钢疲劳实验，建立管材的有限元模型，通过使用虚拟裂纹闭合法和有限元数值分析相结合的方法得到裂纹尖端的应力强度因子 K 值，从而绘制出管道钢材试件的裂纹扩展曲线，总结了裂纹疲劳扩展机理及扩展规律，并进一步得到了管道疲劳寿命的计算方法。金峤等70基于 ABAQUS 软件建立了包含单一半椭圆型轴向内壁裂纹的三维有限元管段模型，研究内压波动作用下 CO2管道内表面裂纹的疲劳扩展路径问题，结果表明裂纹体的初始几何形状与裂纹的疲劳扩展路径密切相关。徐源26就含杂质超临界 CO2的输送进行模拟计算，发现在工况条件允许的范围内适当提高输送压力，可以使减压波压力平台下降提高管道运行的安全系数，更有益于管道裂纹扩展的控制，降低管道裂纹延性扩展的风险。结合现有实验及模拟发现，由于计算机软件技术的发展，通过使用 ABAQUS 和 MATLAB 等软件开展了深入的研究，裂纹扩展模型分析方面取得了很好的进展。由于裂纹延性扩展的复杂性，未来可结合流体力学、材料力学等众多交叉学科来开展工作。3CO2管道设计规范3.1国外相关标准规范国外利用管道输送 CO2工程始于 20 世纪 60 年代，早期多用于驱油，后期开始应用于 CCUS 技术，管道输送超临界 CO2已经有半个多世纪的历史。但迄今尚无针对 CO2管道设计和运行的统一标准，大部分借鉴油气管道输送技术领域相关标准和法规。国内外有关油气管道技术标准和法规，包括 ISO（国际标准化组织）标准，美国、欧盟（欧洲联盟）、加拿大、英国、澳大利亚等国家或组织的法规和标准，涵盖了管道设计、施工、操作维护等方面，并且随着近年来长输管道的发展，还在不断更新和补107第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月南同庆等：基于 C C U S 的超临界 C O2管道止裂韧性研究进展充。可参考的标准规范及适用性分析如下。DNVGL-RP-F104 Design and Operation of Carbon Dioxide Pipelines71（二 氧 化 碳 管 道 的 设 计 和 运行）：此标准概述了超临界 CO2管道避免发生韧性断裂的特殊要求。输送 CO2管道的止裂性能取决于管道的壁厚、材料性能（特别是韧性和屈服强度）和 CO2组分的物理特性。在设计管道时，应采用韧脆转变温度低于相关设计温度的材料，且在最低设计温度下，材料应具有足够的韧性；采用饱和压力下的环向应力水平较低的设计思路；或采用裂纹止裂器来阻止韧性断裂扩展。为了防止韧性断裂，裂纹尖端的减压压力必须低于管道的止裂压力。ISO 27913:2016 Carbon Dioxide Capture,Transportation and Geological StoragePipeline Transportation Systems72（二氧化碳捕集、输送和地质封存管道输送系统）：此标准的目的是就用于大规模输送 CO2的管道的安全性设计、施工和运行的某些方面提出要求和建议。此标准推荐的计算止裂韧性的方法为 Battelle 双曲线法，指出当CVN 100 J 时会出现计算结果不保守的现象，尤其当 CVN 330 J 时，会出现额外的不确定性，针对 CVN 330 J 的情形，建议对相关环向应力施加额外的修正因子 Ccf 1。ASME B31.4-2019 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries73（液体和浆体管道输送系统）：此标准针对内部运输主要为液体的危险产品的管道。在 CO2管道系统章节中，对管道系统的设计、材料、制造、安装、测试和维护方面给了一定说明，但并不详细。3.2国内相关标准规范目前，国内对 CO2短距离输送管道的设计、建设和运行有一定的工程经验，但对于超临界态的CO2长输管道，尤其是其安全运行方面仍缺乏相关技术研究和标准规范。已建 CO2管道工程大多参考GB 503502015油气集输设计规范、GB 502512015输气管道工程设计规范和 SH/T 32022018CO2输送管道工程设计标准等74-76，其中，SH/T 32022018 虽然对输送工艺、线路、站场、管道及其附件的设计、辅助系统、焊接与检验、清管与试压、干燥等内容都有涉及，但每部分内容都很简略，如：杂质成分，该标准仅规定了输送介质中 H2S 和H2O 这两类杂质的含量限值。特别是，对超临界CO2管道减压波、管道裂纹扩展速度曲线及临界止裂韧性相关内容，该标准均未涉及。因此，亟待制订完善的超临界 CO2管道工程设计标准。3.3国内外标准对比分析对国内外管道设计标准及其适用性对比分析，发现无论是国内还是国外，对管道止裂韧性计算公式、不同环境下管道工艺参数的选用等都尚未有一个明确标准，如：气体状态方程的选取对计算止裂韧性的精确度具有重要作用，目前对此选取并未达成共识；杂质的存在会影响管道止裂，对杂质的类型及含量的规范也并未统一说明；管道材料的选取及壁厚、管径的要求依旧没有具体规范。特别是国内，针对超临界 CO2管道运输设计规范并不完善，已建或在建超临界 CO2管道工程大多参考油气领域相关标准，但由于超临界 CO2独特的物理化学性质，在管道止裂韧性要求等方面差异较大，相关标准不能完全适用，应尽快建立适应技术发展的新标准。4结论通过对基于 CCUS 的超临界 CO2管道止裂韧性研究的探索和实践认识分析，对止裂韧性相关研究和国内外管道设计标准进行了综述，提出以下认识：结合国内外关于减压波与裂纹扩展的研究现状、相关设计标准及现有全尺寸爆破实验数据分析，推荐使用 Battelle 双曲线法为止裂依据。但是 Battelle双曲线法具有一定局限性，超出适用范围会产生误差，为此，应基于现有全尺寸爆破实验对公式进行科学合理的修正。针对超临界 CO2管道止裂韧性研究开展的实验研究仍然较少，应积极开展与 CCUS 相关的 CO2管输项目示范工程，结合实际实验数据，为超临界CO2管道止裂韧性研究提供相应的理论和实验支撑，完善相关基础及工艺技术研究。管道的全尺寸止裂爆破实验成本昂贵，对各级管道钢材全都进行实验并不现实，应基于国内外已开展的实验，合理进行实验设计，得到具有普遍性的实验结果，让实验具有更广的适用性。针对国内尚无超临界长输 CO2管道建设与营运经验，且缺乏相关标准，建议借鉴国外成功的 CCUS工程案例，以及相关标准和规范，努力完善国内108油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023CO2管道系统相关标准。针对管道自身无法提供足够的韧性来阻止裂纹延性扩展的情况，国内外会采取管道整体补强及安装止裂器的方法来进行止裂。管道整体补强即适当增加管道壁厚，提高管道整体韧性，达到止裂的目的；而止裂器分为同轴止裂器和外部止裂器，使管道局部韧性提高，从而增大管道裂纹扩展到止裂器时受到的阻力，降低裂纹扩展驱动力，最终实现止裂。参考文献：1 窦立荣,张兴阳,郜峰,等.应对气候变化一甲子:国际石油公司从共知到共建J.石油科技论坛,2022,41(4):1-10.2 罗琼.习近平关于碳达峰碳中和重要论述：逻辑理路、价值意蕴与践行路径J.治理现代化研究,2022,38(4):5-13.3 汪梦诗,金亦秋,张红超,等.“双碳”目标下我国能源行业高质量发展思考与建议J.石油科技论坛,2022,41(1):92-99.4 张立宽.CCUS技术在“双碳”进程的地位与作用N.中国矿业报,2022-03-02(4).5 Wang Y,Guo C,Chen X,et al.Carbon peak and carbon neutrality in China:Goals,implementation path and prospectsJ.China Geology,2021,4(4):720-746.6 雷英杰.中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)发布 建议开展大规模CCUS示范与产业化集群建设J.环境经济,2021(16):40-42.7 陈兵,肖红亮,李景明,等.二氧化碳捕集、利用与封存研究进展J.应用化工,2018,47(3):589-592.8 Tapia J F D,Lee J Y,Ooi R E H,et al.A review of optimization and decision-making models for the planning of CO2 capture,utilization and storage(CCUS)systemsJ.Sustainable Production and Consumption,2018,13:1-15.9 郑建坡,史建公,刘志坚,等.二氧化碳管道输送技术研究进展J.中外能源,2018,23(6):87-94.10 李凯旋,刘斌,尚文博,等.管道输送含杂质CO2的影响因素分析J.天然气化工(C1化学与化工),2022,47(3):94-100.11 Vermeul V R,Amonette J E,Strickland C E,et al.An overview of the monitoring program design for the FutureGen 2.0 CO2 storage siteJ.International Journal of Greenhouse Gas Control,2016,51:193-206.12 Prah B,Yun R.Investigations on CO2 hydrate slurry for transportation in carbon