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2024年05期 43  封面 目次  
张对红1,李玉星2
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【目的】随着“双碳”目标任务持续推进,中国的碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)作为实现大规模碳减排的托底技术迅速发展,作为CCUS产业链中连接上下游的关键环节——CO2管道工程建设也迎来了黄金发展机遇。然而,中国CO2管道工程建设起步较晚,为了推动中国CO2管道工程建设与发展,亟待对CO2管道输送关键难题与核心技术开展系统攻关,并建立CO2管道输送技术标准体系。【方法】基于文献调研对中国CO2管道输送技术发展现状进行梳理评述,从CO2相特性、管输工艺、管道安全、软件仿真、标准规范等方面总结分析了CO2管道输送技术的重要进展,并根据中国的碳源碳汇分布特点对未来CO2管道规划及管输技术发展提出建议与展望。【结果】与欧美国家相比,目前中国长距离超临界CO2管道工程较为欠缺,仅齐鲁石化—胜利油田的密相CO2管道工程建成投产,此外大庆石化、吉林石化CO2管道工程处于初步设计阶段,未来CO2管道工程建设将持续加速。【结论】中国的超临界CO2管道输送已拥有一定的技术储备,但在中试试验的测试及理论模型改进方面仍需继续攻关,同时应加速推动相关技术的工程示范应用,完善CO2管道输送技术标准体系,以期为未来区域千万吨级CO2管道运输网络以及区域间CO2干线管道规划建设提供全面有力支撑。(图1,表1,参49)
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苗青
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【目的】碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)是减少大气中CO2含量的关键技术之一,超临界/密相态CO2管道运输是将CO2从捕集点输送至封存点最经济、最可行的方法。对于超临界/密相CO2的管道设计而言,关键要求是管道产生裂纹后阻止管道的长程韧性断裂,全尺寸爆破试验是目前验证管道在发生爆裂时能否止裂的最直接手段。【方法】据调研,国外共开展了11次全尺寸爆破试验。考虑到国内外制管工艺的差异性以及实际CO2运输的不同情况,为探究中国超临界CO2管道的止裂韧性,成功开展中国首次CO2管道全尺寸爆破试验。试验采用X65钢级、外径323.9mm、壁厚7.2~7.6mm的焊管,试验气体的组成为95%CO2+4%N2+1%H2,试验压力为11.85MPa,试验温度为12.6℃。【结果】CO2管道全尺寸爆破试验进展顺利,管道裂纹从起裂管开始扩展,在起爆位置西侧两根管道的环焊缝处环切止裂,在起爆位置东侧由于管道母材韧性止裂,试验钢管表现出典型的韧性剪切断裂特征,采集到裂纹扩展速度、压力及温度等多项重要试验数据。【结论】该试验为中国掌握百万吨级CO2输送管材研制、管道设计及建设技术提供了重要数据支撑,标志着中国在CCUS技术研究领域取得了重要的突破性进展。(图8,表2,参20)
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张俊朋1,苗青2,荆少东1,王永胜3,欧阳欣2,范振宁1,梁海宁1,张建1
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【目的】CO2管道输送是碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)技术产业链中的关键环节,其在运行过程中存在意外泄漏风险。相比于地上管道,受土壤阻力的影响,埋地高压管道的泄漏扩散机制更加复杂。然而,目前对于CO2管道泄漏扩散特征的研究综述主要聚焦于地上管道泄漏的场景。【方法】针对埋地管道小孔泄漏与全尺寸断裂两种常见场景,基于文献调研对目前埋地管道泄漏扩散的实验与模拟研究现状进行梳理评述,探究了土壤地质条件、土壤温度、外界压力以及外界风速对CO2气体土壤渗流扩散过程中的影响,并总结了当前模拟埋地CO2管道全断裂泄漏扩散的建模方式与物理模型。【结果】对于埋地CO2管道小孔泄漏近场泄漏源特征,主要以开展小型实验的方式研究泄漏口附近土壤温度变化以及干冰层、冻土层的增长规律。对于埋地CO2管道小孔泄漏远场扩散特征的模拟研究,大多假设土壤孔隙度不发生变化,并未考虑流体相变与冲击压力对土壤孔隙度的影响。埋地管道全尺寸断裂条件下气体射流扩散的研究主要以模拟为主,且大多数模型直接以形成的洞坑为物理原型,未考虑洞坑形成对气体射流扩散的影响。【结论】埋地CO2管道全尺寸断裂的现场测试和小孔泄漏扩散理论模型建立仍有很大发展空间,建议通过专项攻关完善地质条件和外界环境影响下CO2气体在土壤中的扩散机制,加大投入开展埋地CO2管道大孔径或者全尺寸断裂泄漏扩散试验,获取更多实验数据,以建立更加全面准确的数学物理模型。(图3,表2,参56)
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刘广瑜1,支树洁2,柳歆3,柴冲2,王财林1,俞欣然1,胡其会1,饶世铎1
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【目的】碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)技术是实现双碳战略的有效途径,具有广阔的应用前景。长距离CO2管道输送是CCUS技术的重要一环,对于管道安全生产运行而言,管道内腐蚀是威胁CO2管道安全的关键问题。【方法】围绕超临界CO2为主相的腐蚀展开调研,综述了超临界/密相CO2管道内腐蚀的研究成果,分析了相关研究成果之间存在的问题,并展望了其未来发展方向。【结果】重点介绍了超临界态和密相态下CO2管道腐蚀的影响因素,阐述了温度、压力等工作参数对水与CO2互溶程度的影响,解释了目前现有研究成果存在相互矛盾结果的原因,归纳了主要杂质气体对CO2管道内腐蚀的影响机制,分析了在不同的CO2相态下,腐蚀产物膜的结构、密度及完整性对腐蚀动力学的影响,整理了适用于超临界CO2环境下的腐蚀特性表征技术,总结了适用于薄液膜超临界CO2环境的腐蚀速率预测模型。【结论】要实现CO2输送管道的安全平稳运行,目前超临界-密相CO2输送管道腐蚀研究有待解决的问题包括:标准实验流程的建立;杂质耦合作用对腐蚀机理和腐蚀产物膜结构的影响;定量描述腐蚀产物膜的特性对基体的保护作用;水饱和CO2相中薄液膜环境下的腐蚀电化学参数测量与分析;耦合多杂质相互作用下的超临界/密相CO2腐蚀预测模型建立。(图2,表2,参108)
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陈兵,李磊磊,齐文娇
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【目的】CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)技术对实现“碳中和”战略目标具有至关重要的作用,而管道输送作为CCUS产业链的关键环节,面临的主要挑战之一是密相CO2管道延性裂纹止裂问题。【方法】从裂纹止裂控制机理出发,深入调研了巴特尔双曲线(Battelle Two-Curve, BTC)方法的研究进展,并剖析了其应用于天然气管道止裂控制的技术现状及局限性。针对裂纹止裂韧性BTC修正方法,从夏比冲击吸收能量、落锤吸收能量及裂纹尖端张开角3个角度进行评述,根据密相CO2的特性,探究了BTC方法应用于CO2管道止裂韧性计算的可行性。【结果】借鉴应用于天然气管道止裂控制的BTC修正方法,基于管道裂纹动态延性扩展止裂设计判据中的速度判据,从驱动力与阻力两个方面,提出了BTC应用于CO2管道裂纹止裂控制的修正方法。CO2管道全尺寸爆破试验是目前确定密相CO2管道止裂韧性最有效的方法,根据前人研究中CO2管道全尺寸爆破试验数据,提出了BTC方法的修正系数范围,为CO2管道的安全运行、CCUS技术的规模化应用提供了参考依据。【结论】利用BTC修正方法计算密相CO2管道止裂韧性的研究尚处于起步阶段,虽然基于CO2管道全尺寸爆破试验数据得到了BTC方法的修正系数,但可供参考的试验数据较少且适用范围有限,今后可以进一步结合数值模拟研究,提出更有效的修正方法。(图2,表2,参82)
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陈磊1,2,胡延伟1,闫兴清1,于帅1,刘镇溪1,乔帆帆1,喻健良1,陈绍云1,2
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【目的】管道是CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)技术最主要的输送工具,研究其动态断裂扩展规律显得尤为重要。全尺寸断裂实验的准备周期长、技术门槛高、资金投入大、不确定因素多,严重制约了CO2输送管道断裂扩展过程中管道断裂与管内减压规律的研究。【方法】基于双向流固耦合技术,使用Frotran语言开发了用户自定义子程序来描述流体减压特性,通过材料性能实验构建管道材料的GTN(Gurson-Tvergarrd-Needleman)本构方程,在ABAQUS/Explicit软件中构建了超临界CO2输送管道裂纹动态扩展与管内减压的流固耦合数值模型,用于开展管道裂纹扩展特性与管内介质减压规律的协同分析,通过Python脚本完成模拟结果批量处理。【结果】数值模拟得到的管道断裂形态与实验结果非常相似;管道断裂速度在管内介质溢出后呈现快速上升并逐渐稳定的趋势,最终稳定在约225m/s;裂纹尖端张开角(Crack Tip Opening Angle, CTOA)呈现先减小后增大的趋势,最终稳定在约7.22°;CO2在裂纹扩展尖端附近仍保持高压状态,其在裂纹尖端处降压膨胀所形成的饱和蒸汽加大了管道止裂难度。【结论】通过开展仿真模拟可以准确复现全尺寸断裂实验,在揭示管道断裂过程中CTOA、裂纹尖端及开裂区压力演变历程等诸多实验无法捕捉的参数方面具有优势。所构建的CO2流固耦合数值模型有助于对CO2输送管道断裂特性开展深入分析,可为不同管道尺寸及气体参数下的CO2管道安全控制评估提供参考。(图12,参19)
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谢乃雅1,闫锋2,朱建鲁1,陈俊文3,程磊2,王启航1
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【目的】杂质的存在会影响CO2的相平衡性质,进而影响CO2管道输送安全。随着CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)技术的进一步应用,含杂质CO2体系相平衡研究对推广CCUS技术至关重要。【方法】自主设计了一套基于气体、液体可压缩性差异的含杂质CO2体系相特性测量实验装置,可以在-30~50℃范围内测量并计算含杂质CO2体系的泡点压力、露点压力。将实验结果与PR方程、GERG-2008方程、BWRS方程、SRK方程、PRSV方程模拟结果进行对比,分析各方程预测精度。【结果】针对不同比例的N2-CO2二元体系,随N2含量增加,各状态方程对于泡点压力、露点压力的预测精度下降。不同温度区间各状态方程预测精度不同,PR方程在0℃以下的泡点压力、露点压力预测精度较高,在0℃及以上,预测精度下降;GERG-2008方程在0℃以下的泡点压力、露点压力预测精度较低,在0℃及以上,预测精度较高;BWRS方程无明显规律性,但对各体系总体预测精度较低;SRK方程在0℃及以下预测精度较低,在0℃以上预测精度较高;PRSV方程在0℃以下预测精度较低,在0℃及以上预测精度较高。【结论】除BWRS方程无明显规律性外,其他方程在不同温度区间表现出不同的预测精度。状态方程优选建议:针对纯CO2,在0℃以下推荐使用PR方程,在0℃及以上推荐使用PRSV方程;对于99.5%CO2+0.5%N2的体系,在-20~20℃范围内,推荐使用PR方程;对于96%CO2+4%N2的体系,在-30~20℃范围内,推荐使用PR方程、PRSV方程。(图10,参21)
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黄晓辉1,2,毕宗岳1,2,赵西岐1,2,张锦刚1,2,韦奉1,2,王博玉1,2,詹文文1,2
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【目的】随着“双碳”目标的推进,超临界CO2输送管道用钢朝着更高钢级方向发展。【方法】采用低C、中Mn、微Ni合金化设计、高洁净化炼钢及大吨位压下轧制技术,开发出微观组织以细小扁平的多边形铁素体+铁素体+少量珠光体为主的L450M钢级(X65钢级)超临界CO2输送管用热轧卷板。针对设计压力16MPa的超临界输送用OD219.1mm×10mm(管径×壁厚)高频焊接(High Frequency Welding, HFW)焊管,为保证该HFW焊管运行时具有抗起裂与抗断裂扩展能力,经过计算,要求-45℃下母材夏比冲击吸收能量单值不小于88J、均值不小于117J,-45℃下焊缝、热影响区夏比冲击吸收能量单值不小于42J、均值不小于56J。【结果】经成型、焊接及热处理工艺研究,在成型挤压量5.25mm,焊接速度17m/min,焊缝热处理温度930℃工艺下,开发出低温性能优异的L450M钢级超临界CO2输送用HFW焊管。经第三方检测,该焊管性能完全符合APISpec5L《管线钢管》(46版)标准与低温韧性要求,经压扁试验压至贴合,母材与焊缝均未出现任何裂纹,表明母材与焊缝具有很强的塑性,焊缝质量优异。母材屈服强度534MPa,母材、焊缝的抗拉强度基本一致,分别为619MPa、620MPa,均达到不低于535MPa的标准要求,强度裕量大。母材、焊缝及热影响区的硬度均不高于220HV10且分布均匀。-45℃下焊缝冲击吸收能量为177~401J、热影响区冲击吸收能量为200~415J、母材冲击吸收能量为248~416J,且母材、焊缝、热影响区的韧脆转变温度均低于-60℃。【结论】该HFW焊管低温韧性优异,抗低温延性止裂能力高,且承受最大内压与外压能力分别达到62.29MPa、38.9MPa,完全满足超临界CO2输送用HFW焊管的运行需求。(图10,表3,参25)
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闫冰1,史博会1,陈俊文2,汤晓勇2,昝林峰2,王妍静1,李玉培1,宫敬1
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【目的】碳捕集,利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)技术作为实现碳中和的重要手段,其中CO2的安全高效输送是关键环节。超临界相CO2管道输送已在国际上得到广泛应用,国内现已基本掌握了超临界CO2管道稳态输送的工艺规律,但对于具有起伏地形的超临界CO2管道放空作业的动态规律和安全风险认识尚不够深入。【方法】借助OLGA软件,建立具有起伏地形的超临界CO2管道两端阀室放空物理模型,开展管道放空的动态模拟分析,揭示了放空过程中主管道内低温现象的物理本征,探讨了地形起伏超临界CO2管道放空过程中的关键问题,特别关注了地形起伏对相态变化、低温风险及干冰生成的影响,提出了控制背压的安全放空方案。【结果】具有地形起伏超临界CO2管道放空应尽量避免在高压、低温下进行;需设计适宜的放空管径和开度,以规避低温脆断、干冰生成等风险;所提出的放空方案在具体地形条件下表现良好,能有效解决主管道放空过程中低洼地段的极致低温问题,并对放空出口的危害较小。【结论】研究成果为地形起伏地区超临界CO2管道的安全放空工艺设计与工程建设提供了理论支持,对工程实际应用具有参考价值,有助于保障CO2管道的安全高效输送。(图11,表5,参27)
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闫锋1,殷布泽2,欧阳欣1,胡其会2,支树洁1,李玉星2,龚霁昱2
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【目的】超临界/密相CO2管道是目前长距离运输CO2的主要方式,由于超临界/密相CO2管道维持高压运行,对其管材止裂韧性的计算评估极其重要。减压波特性是评估管材止裂韧性的重要依据,然而CO2泄漏涉及跨相态减压过程,导致其减压波传递规律复杂,预测难度增加,影响管材止裂评估。【方法】为研究CO2管道泄漏时减压波的传递规律,搭建了CO2泄漏减压波实验平台,以均相流模型为框架,结合气体状态方程、声速模型及出流速度模型建立了减压波数值计算模型,通过将模型计算结果与实验数据进行对比,验证了模型的准确性,并以此为基础,开展了不同初始温度、压力下的数值计算。【结果】不同相态CO2减压波平台的起始点波速均随压力的升高而升高,随温度的升高而降低。与气态CO2不同,密相和超临界CO2减压波平台的高度均随压力的升高而降低,随温度的升高而升高。温度和压力对减压波平台影响的本质为对初始熵值和密度的影响。减压平台的高度取决于初始熵值,对于气相,初始熵值越低,减压波平台越高;对于密相和超临界相,初始熵值越高,减压波平台越高。无论何种相态,初始密度越高,平台长度越长。【结论】实际工程中应重点关注起点高温高压位置的管道止裂,该实验方法和减压波计算模型可为CO2管道止裂韧性计算评估和管道设计提供理论支撑。(图11,表1,参21)
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李欣泽1,孙晨1,张雪琴2,邹炜杰1,袁亮3,熊小琴1,邢晓凯1,徐宁1
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【目的】超临界CO2管道不同于原油、天然气管道,其在停输的瞬态过程中存在相特性变化问题。为保障超临界CO2管道停输后的安全,确定其停输前的安全运行工艺(输送压力、输送温度)边界具有重要意义。【方法】为准确描述管道停输后的瞬态过程,以新疆油田超临界CO2管道示范工程为例,采用OLGA软件建立了水力热力计算模型。同时基于管流连续性方程、运动方程、能量方程、PR状态方程及热力学关系式,采用Matlab编程计算的方式对商业软件模型的准确性进行了验证。根据获得的管道停输过程中管内温度、压力、密度及相态协同变化波动规律,提出在压力和温度协同作用下,以CO2密度发生阶跃变化来确定管道安全停输时间的原则,从而将安全停输时间问题转化为避免输送体系中超临界CO2转变为气相的问题。【结果】基于该示范工程的压力和温度运行参数范围,分别确定了夏季和冬季工况下高压低温、高压高温、低压低温、低压高温共8种典型工艺运行边界。同时对比分析了不同季节、不同边界条件下的停输过程管内参数波动变化特征、温压协同变化关系、相态转变路径及规律等。【结论】高压低温边界最安全,低压高温边界最危险;冬季相比夏季,管道安全停输时间大幅缩短。为指导工程实际,分别给出了夏季和冬季示范工程安全停输工艺边界范围及函数表达式。研究结果可为超临界CO2管道安全运行提供理论支持和技术保障。(图8,表4,参24)
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马馨苑1,欧阳欣2,朱建鲁1,陈俊文3,刘罗茜2,杨腾1,宋光春1
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【目的】CO2管道运行过程中涉及泄漏、投产等瞬态过程,由于CO2具有特殊的物性和相特性,使得CO2管道瞬态过程模拟难度较大,目前尚缺乏CO2管道瞬态过程数值模拟软件的适应性评价。【方法】选取OLGA与LedaFlow两款主流瞬态模拟软件建立CO2瞬态泄漏数值仿真模型,并利用自行搭建的DN200高压CO2管道泄漏实验装置,开展不同相态CO2瞬态泄漏实验,从压力变化、温度变化、相特性等多个角度评价软件的适应性;以中国某长输CO2管道为例,将该CO2管道瞬态投产现场数据与软件模拟结果进行对比,从工程角度验证两款软件的适应性。【结果】通过对比泄漏实验结果与软件模拟结果发现,对于两个设定的泄漏工况,OLGA软件泄漏压力计算的平均误差分别为15.3%、14.7%,而LedaFlow软件则为16.7%、18.0%,故OLGA软件与LedaFlow软件压力求解准确度相近。OLGA、LedaFlow软件分别存在低估、高估泄漏过程管内最低温度的情况,OLGA软件预测两个测点处最低温度的平均相对误差分别为21.2%、24.5%,而LedaFlow软件平均相对误差分别为13.1%、11.1%。对于某CO2管道投产过程中的压力、温度,OLGA软件模拟的结果平均相对误差分别为1.2%、6.1%,而LedaFlow软件则分别为1.3%、5.2%,可见两款软件模拟结果与现场数据均较为接近。【结论】在CO2管道泄漏过程中,OLGA软件低估泄漏过程最低温度可保证管道低温安全性,且OLGA软件更适用于CO2泄漏过程中管内压力、温度及相特性的预测;在CO2管道投产过程中,OLGA、LedaFlow两款软件均适用于管内的压力、温度模拟研究。(图9,表4,参31)
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刘朝阳
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