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