陳磊，閆興清，胡延偉，于帥，楊凱，陳紹云，關(guān)輝，喻健良，HMAHGEREFTE Haroun，MARTYNOV Sergey

（1 大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024；2 大連大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 大連 116622；3 Department of Chemical Engineering,University College London,London WC1E 6BT,UK）

CO是一種典型的溫室氣體，其日益增加的排放量對(duì)全球氣候變暖有較大貢獻(xiàn)。我國(guó)是CO排放大國(guó)，在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間我國(guó)明確提出：“采取更加有利的政策和措施，CO排放量于2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！薄O的捕集、利用及封存（CCUS）是降低碳排放最具有潛力的技術(shù)。在CCUS產(chǎn)業(yè)鏈中，相較于槽車(chē)、鐵路罐車(chē)和船舶等輸運(yùn)方式，管道在輸運(yùn)大量、連續(xù)二氧化碳時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已投入使用的CO輸運(yùn)管道約5100km，主要分布在歐美國(guó)家。工業(yè)過(guò)程中，以密相或超臨界相CO的管道輸運(yùn)方式較為經(jīng)濟(jì)和高效。我國(guó)CO管道輸運(yùn)技術(shù)起步較晚，2007 年中國(guó)第1 套CCSEOR（enhance oil recovery，EOR）示范項(xiàng)目在吉林大情字井油田進(jìn)行，管道全長(zhǎng)53km，管內(nèi)為氣態(tài)CO，產(chǎn)能達(dá)50 萬(wàn)噸/年。據(jù)中國(guó)國(guó)家科技部公布，國(guó)內(nèi)有20個(gè)CCUS示范項(xiàng)目處于建設(shè)和使用中。

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)CO輸運(yùn)管道安全問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，取得了較多進(jìn)展。郭曉璐等基于實(shí)驗(yàn)和模擬研究對(duì)超臨界CO管道泄漏后管內(nèi)減壓、近場(chǎng)射流膨脹和遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了綜述和展望；李玉星等歸納了含雜質(zhì)氣態(tài)CO輸送管道腐蝕的研究成果，展望了管道腐蝕研究亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。這些綜述對(duì)了解目前CO管道安全問(wèn)題提供了較強(qiáng)參考和指導(dǎo)。

CO輸運(yùn)管道在運(yùn)行時(shí)受第三方損害、管內(nèi)外受腐蝕、焊接質(zhì)量、地震、管道材料或結(jié)構(gòu)失效、超壓、違規(guī)操作等影響均可能造成管道泄漏或斷裂。因CO的焦耳-湯姆遜系數(shù)較大，導(dǎo)致泄漏口附近出現(xiàn)較大溫降，使管道韌性值降低。因CO管道減壓波的規(guī)律與天然氣等介質(zhì)不同，管道在低溫環(huán)境中易發(fā)生裂紋長(zhǎng)程擴(kuò)展斷裂，泄漏的CO經(jīng)壓力和溫度變化、近場(chǎng)射流膨脹、遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散后形成重氣高濃度區(qū)易造成環(huán)境和安全災(zāi)害。故CO輸運(yùn)管道的安全問(wèn)題備受研究人員關(guān)注。

分析國(guó)內(nèi)外研究CO輸運(yùn)管道成果發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)屬于CO輸運(yùn)管道安全問(wèn)題的重要方向之一——管道泄漏減壓過(guò)程的斷裂控制，還未有綜述性文獻(xiàn)，不便于研究人員快速、系統(tǒng)了解該研究方向的進(jìn)展及成果。基于此，本文綜述CO輸運(yùn)管道泄漏減壓過(guò)程的斷裂控制研究進(jìn)展，凝練提出當(dāng)前CO管道斷裂控制研究亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，為我國(guó)CO管道安全及CCUS技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 管道泄漏減壓行為

CO管道一旦開(kāi)裂，泄漏口處壓力并非立即下降至大氣壓力，而是由斷裂位置向管道兩端產(chǎn)生減壓波，如圖1所示。在氣體介質(zhì)中減壓波傳播速度慢，通常低于管壁上發(fā)生的裂紋擴(kuò)展速度，在這種條件下，斷裂將形成持續(xù)擴(kuò)展。減壓波速度為局部聲速與流質(zhì)平均速度的差值，即-。當(dāng)減壓波速度小于裂紋擴(kuò)展速度時(shí)，管道持續(xù)斷裂擴(kuò)展，反之管道實(shí)現(xiàn)止裂。故理解管道泄漏減壓行為，是開(kāi)展斷裂控制研究的基礎(chǔ)。

圖1 管道斷裂擴(kuò)展

1972年Maxey等結(jié)合巴特爾管道紀(jì)念所對(duì)天然氣管線(xiàn)鋼全尺寸斷裂做的工作，提出了適用于烴類(lèi)介質(zhì)的巴特爾雙曲線(xiàn)法（Battelle two curve model，BTCM），如圖2 所示。Battelle 雙曲線(xiàn)法將減壓波速度曲線(xiàn)（黑色粗實(shí)線(xiàn)）和管道斷裂速度曲線(xiàn)（黑色細(xì)實(shí)線(xiàn)）相匹配而成，當(dāng)兩曲線(xiàn)相切時(shí)，定義為管道止裂所需的最小止裂韌性。因CO管道泄漏時(shí)存在相變，裂尖處隨著高壓氣體的膨脹產(chǎn)生較高的壓力平臺(tái)，該壓力為裂尖端持續(xù)擴(kuò)展提供了驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致管道裂紋長(zhǎng)程斷裂擴(kuò)展，斷裂擴(kuò)展速度的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[21]。

圖2 Battelle雙曲線(xiàn)法

因CCUS 產(chǎn)業(yè)鏈輸運(yùn)時(shí)并不是純CO，而是存在不同種類(lèi)和濃度的雜質(zhì)。當(dāng)含有H、N、O、Ar、CH、SO、NO等雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)的含量程度將造成管道內(nèi)CO輸運(yùn)時(shí)相變分層、泄漏時(shí)減壓波平臺(tái)升降、泄漏擴(kuò)散距離不易掌握等不確定性。對(duì)管道內(nèi)純CO和含雜質(zhì)CO物性參數(shù)變化規(guī)律的研究有助于對(duì)減壓波更深入地認(rèn)識(shí)，對(duì)管道安全控制起到至關(guān)重要的作用。而對(duì)管道泄漏減壓規(guī)律的探究有助于深入了解管內(nèi)介質(zhì)熱力學(xué)變化特性，同時(shí)可指導(dǎo)近場(chǎng)膨脹射流、遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究。減壓過(guò)程CO熱力學(xué)特性參數(shù)如相特性、密度、可壓縮性等參數(shù)可影響減壓波傳播速度，繼而影響管道斷裂控制。對(duì)CO熱力學(xué)特性的研究離不開(kāi)狀態(tài)方程（equation of state，EOS）。CO作為一種實(shí)際氣體，狀態(tài)方程復(fù)雜，類(lèi)型多樣，故一定程度上增加了管道泄漏減壓行為研究的難度。

從研究方法看，早期針對(duì)減壓行為的研究主要采用理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，興起了采用數(shù)值模擬方法研究減壓波的熱潮。本節(jié)以理論及實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究?jī)煞矫婢C述管道泄漏減壓行為研究進(jìn)展。

1.1 理論及實(shí)驗(yàn)研究

Cosham 等、Barnett 等、Massimo 等、Aursand 等、Liu 等、Wareing 等、Porter等通過(guò)已開(kāi)展的全尺寸斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO的減壓波變化規(guī)律與天然氣等烴類(lèi)介質(zhì)截然不同，不同相態(tài)和組分的CO輸運(yùn)管道泄漏后減壓波與貧氣和富氣相比具有較長(zhǎng)的減壓波壓力平臺(tái)，因此BTCM 止裂判據(jù)不能直接用于CO輸運(yùn)管道斷裂擴(kuò)展的研究中。現(xiàn)有的研究也發(fā)現(xiàn)，密相態(tài)或超臨界態(tài)CO在減壓過(guò)程中相較于天然氣管道輸運(yùn)更易發(fā)生延性斷裂。

Cosham等基于Span&Wagner（SW）狀態(tài)方程、Groupe Européen de Recherches Gazières（GERG）狀態(tài)方程、Peng&Robinson（PR）狀態(tài)方程對(duì)純CO和含不同摩爾濃度雜質(zhì)的CO混合物臨界壓力、溫度、減壓波速度等物性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并與Maxey實(shí)驗(yàn)得到的減壓波數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，PR狀態(tài)方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，誤差在允許范圍內(nèi)，其編寫(xiě)的GASDECOM 軟件為開(kāi)展預(yù)測(cè)減壓波速度研究建立了基礎(chǔ)理論。Massimo等采用該理論，開(kāi)展了兩種摩爾濃度N的X65 管道全尺寸斷裂實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)的GASMISC 模型與管道斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了Cosham 等建立的理論體系的可行性。Aursand 等采用PR 狀態(tài)方程、EOSCG-GERG 狀態(tài)方程對(duì)純CO和含雜質(zhì)CO減壓波進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)考慮了CO在管道存在摩擦和傳熱，研究發(fā)現(xiàn)CO的飽和壓力計(jì)算值與采用的狀態(tài)方程和雜質(zhì)有關(guān)，雜質(zhì)的存在和比例提高了飽和壓力值和臨界凝析壓力值，其引入摩擦和傳熱的因素是對(duì)減壓理論的優(yōu)化。Botros 等在理論基礎(chǔ)上用激波管試驗(yàn)了不同摩爾濃度的Ar、O、N雜質(zhì)的減壓過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)GERG-2008狀態(tài)方程比PR 狀態(tài)方程的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更吻合，因GERG-2008狀態(tài)方程引入的數(shù)據(jù)豐富，但編寫(xiě)狀態(tài)方程程序較為復(fù)雜。同時(shí)發(fā)現(xiàn)含Ar的比例越高，在臨界點(diǎn)附近更難定義相包線(xiàn)，CO初始溫度偏低（5～10℃）時(shí)，減壓波壓力平坦降低更益于止裂，從管道阻裂韌性值角度來(lái)看，GERG-2008狀態(tài)方程的預(yù)測(cè)結(jié)果給出的安全系數(shù)偏高，其給出的安全系數(shù)與實(shí)際應(yīng)用間的關(guān)系需深入研究。Dall’Acqua等將管內(nèi)介質(zhì)看作是一個(gè)孤立系統(tǒng)，假設(shè)CO在相變和流動(dòng)時(shí)與管道間不存在熱交換的等熵模型，并基于均相流模型（homogeneous equilibrium model，HEM）和PR 狀態(tài)方程開(kāi)發(fā)了PRDECOM 程序，比Cosham等開(kāi)發(fā)的程序預(yù)測(cè)精度高，因?yàn)镻RDECOM開(kāi)發(fā)時(shí)引用的CO物性數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)多次修正的，物性參數(shù)更準(zhǔn)確。

Drescher 等基于均相流模型、均勻松弛模型（homogenous relaxation model，HRM）開(kāi)展了含有N的CO管道減壓波測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)N含量越高，溫度下降越快，溫降幅度也最大，HRM 理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更吻合。Munkejord 等在HEM、HRM理論基礎(chǔ)上考慮摩擦和傳熱因素對(duì)純凈和含有N、He 的CO開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，在兩相區(qū)域內(nèi)HRM 比HEM 理論對(duì)減壓波速度與預(yù)測(cè)值吻合更好，因此綜合考慮影響實(shí)驗(yàn)的因素對(duì)建立理論模型更為準(zhǔn)確。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)HRM 是目前研究管內(nèi)相變最理想的模型。

中國(guó)石油大學(xué)李玉星等基于搭建的實(shí)驗(yàn)管道對(duì)純凈和含有不同濃度N的氣、液/密、超臨界相CO進(jìn)行了減壓波泄放實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)管道中透明視窗可觀察泄漏過(guò)程中管內(nèi)相態(tài)變化規(guī)律，基于HEM、HRM理論研究了減壓過(guò)程中單相、兩相形成過(guò)程中壓降、溫降、密度、焦耳-湯姆遜系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)變化特性，綜合考慮了管壁摩擦、換熱等因素，建立了減壓波預(yù)測(cè)模型，在BTCM法基礎(chǔ)上建立了一種由管內(nèi)介質(zhì)初始條件可迭代計(jì)算符合輸運(yùn)要求的管道尺寸和韌性值的理論。搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 中國(guó)石油大學(xué)（華東）搭建的實(shí)驗(yàn)裝置

大連理工大學(xué)喻健良等基于歐盟第七框架COPipeHaz和COQUEST合作項(xiàng)目，結(jié)合熱力學(xué)定律、氣泡成核理論、傳熱理論分析，研究了不同相態(tài)、壓力、溫度下泄放后管內(nèi)和管外CO熱力學(xué)特性、相變規(guī)律、擴(kuò)散規(guī)律。郭曉璐等在該裝置上開(kāi)展了氣相、密相、超臨界相實(shí)驗(yàn)，基于最大應(yīng)力起裂準(zhǔn)則和BTCM 法對(duì)X80、X90、X100 管線(xiàn)鋼不同安全系數(shù)（=1.5、2.0、2.5）下CO管道斷裂中減壓波速度和管道斷裂速度的關(guān)系進(jìn)行安全分析，研究結(jié)果表明：相較于氣相和密相CO，超臨界CO的初始減壓波速度最小，而對(duì)管道安全系數(shù)的要求最高。圖4所示為大連理工大學(xué)建立的工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置。

圖4 大連理工大學(xué)建立的工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置

目前對(duì)于純CO輸運(yùn)管道泄漏/斷裂后管內(nèi)減壓過(guò)程中管內(nèi)介質(zhì)參數(shù)物性變化的研究不斷受到關(guān)注，研究成果也日益增多，但主要集中于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。因CCUS 產(chǎn)業(yè)鏈中輸運(yùn)的CO不可避免含有不同濃度和種類(lèi)的雜質(zhì)，進(jìn)而造成管內(nèi)介質(zhì)物性、熱力學(xué)特性發(fā)生改變，目前對(duì)含雜質(zhì)CO輸運(yùn)管道泄漏減壓方面研究處于起步階段，研究方法上主要尋求最優(yōu)氣體狀態(tài)方程，以求獲得精準(zhǔn)的減壓波預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的GASDECOM、GASMISC、EOSCG-GERG、PRDECOM減壓波預(yù)測(cè)軟件在不同狀態(tài)方程基礎(chǔ)上均基于范德華型組分混合規(guī)則建立，這就意味著除單一組分的臨界性質(zhì)，混合物中分子之間作用力、分子形狀（偏心性）等因素都會(huì)影響混合物的相性質(zhì)。挪威船級(jí)社發(fā)布的DNV RP J202 文檔中對(duì)含有雜質(zhì)的CO管道設(shè)計(jì)推薦建議使用PR 狀態(tài)方程?，F(xiàn)階段混合模型主要針對(duì)二元混合氣體，應(yīng)深入對(duì)于多元?dú)怏w混合模型的研究，有益于多元雜質(zhì)下的安全輸運(yùn)。表1 為國(guó)內(nèi)外CO泄漏減壓方面具有代表性的理論和實(shí)驗(yàn)研究成果。

表1 國(guó)內(nèi)外CO2泄漏減壓方面理論和實(shí)驗(yàn)研究成果

1.2 基于減壓理論的模擬計(jì)算

因全尺寸管道實(shí)驗(yàn)資金投入高、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性低等特點(diǎn)，在上述實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬方法可對(duì)CO輸運(yùn)管道減壓波變化特性進(jìn)行更深入的研究。

Godbole 等基于管內(nèi)介質(zhì)與管壁間摩擦和管道直徑對(duì)減壓波的傳播速度有影響的考慮，在CFX軟件中模擬了全尺寸管道打開(kāi)后管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)形態(tài)變化?；趯?duì)出口平面的流動(dòng)總是趨向于一個(gè)阻塞的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將全孔徑減壓建模為瞬態(tài)范諾流模型，預(yù)測(cè)了管內(nèi)馬赫數(shù)值隨減壓過(guò)程的變化規(guī)律，該模型全面考慮了減壓過(guò)程中管道對(duì)減壓波的影響。

Elshahomi等采用Fluent軟件，通過(guò)用戶(hù)定義函數(shù)（user defined functions，UDF）程序調(diào)用了GERG-2008 狀態(tài)方程動(dòng)態(tài)庫(kù)，基于密度求解器的平流上游分裂法計(jì)算了CO混合物的熱力學(xué)性質(zhì)，并依據(jù)Cosham 等、Botros 等的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬了初始溫度和雜質(zhì)對(duì)減壓波速度的影響，提出流體中“雜質(zhì)”的冷凝可影響管內(nèi)流體相變化，目前該觀點(diǎn)需在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行論證。Park 等將GERG-2008 狀態(tài)方程編寫(xiě)成UDF 程序在Fluent 軟件中對(duì)含雜質(zhì)CO管道減壓波變化規(guī)律進(jìn)行了模擬，該CFD 模型成功跟蹤了減壓過(guò)程中壓力的快速下降規(guī)律，并解釋了減壓過(guò)程中的相變現(xiàn)象，在相同初始?jí)毫ο?，提高初始溫度可降低初始減壓波速，同等雜質(zhì)摩爾比例下含有H的減壓波平臺(tái)最高，CO、O、N依次次之，與Aursand 等的實(shí)驗(yàn)規(guī)律相似，但和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差。Liu 等采用同種理論分析了減壓過(guò)程中管內(nèi)CO處于液相、氣相的熱力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)引入傳質(zhì)和潛熱的源項(xiàng)和時(shí)間松弛因子的非平衡氣液理論模擬了相變過(guò)程，模擬研究發(fā)現(xiàn)松弛因子的取值可改變相變過(guò)程，對(duì)減壓波速度數(shù)值的影響更為明顯。該模型獲得的減壓波速度模擬結(jié)果與其開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究具有高度吻合，但GERG-2008 狀態(tài)方程封裝為動(dòng)態(tài)文件且受版權(quán)保護(hù)，無(wú)法廣泛推廣。Tatiana等同樣引入質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)通過(guò)Fluent 軟件基于PR 狀態(tài)方程建立了考慮非平衡相變的純CO二維多相減壓模型，與文獻(xiàn)中參考的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度高，但PR 狀態(tài)方程比GERG-2008 方程構(gòu)建簡(jiǎn)單，模擬結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)。PR 狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于掌握且預(yù)測(cè)誤差相較于GERG狀態(tài)方程僅在高溫度、高壓力區(qū)存在差異，故圍繞該狀態(tài)方程建立理論模型的研究較豐富。

Jie 等采用任意拉格朗日歐拉方法（arbitrary Lagrangian Euler method，ALE）和HEM 以Cosham等公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為初始條件在Fluent 軟件上建立了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，該模型可預(yù)測(cè)含雜質(zhì)的氣相和密相CO的管道破裂后的瞬態(tài)流動(dòng)和管內(nèi)介質(zhì)的熱力學(xué)行為，減壓波的模擬結(jié)果的變化規(guī)律與Cosham 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。Jie 等的研究成果說(shuō)明綜合考慮管壁壁摩擦和管間換熱、不同的狀態(tài)方程、雜質(zhì)種類(lèi)對(duì)減壓波速度的預(yù)測(cè)著直接的影響。Xu等基于CFD 和HEM 建立的管道排空減壓模型CFD-DECOM，對(duì)Maxey發(fā)布的富氣、氣相、液相CO實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，可預(yù)測(cè)減壓波和反射波的傳播規(guī)律，對(duì)反射波的研究Guo等開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究中雖有描述，但反射波對(duì)管內(nèi)介質(zhì)特性的變化和減壓波的影響尚未開(kāi)展研究。

除CFX、Fluent 模擬軟件，油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具OLGA多相流瞬態(tài)模擬平臺(tái)可模擬地面管網(wǎng)中流體與時(shí)間相關(guān)的瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程，精確預(yù)測(cè)生產(chǎn)系統(tǒng)中如流量、壓力、溫度、流體組分等關(guān)鍵參數(shù)。Gelein 等利 用OLGA 軟 件 中SPT 模 塊 對(duì)Sn?hvit CO研究項(xiàng)目中減壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬，認(rèn)為該模塊預(yù)測(cè)的減壓波數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值有一定的吻合性，但還需改進(jìn)預(yù)測(cè)精度，開(kāi)展的泄放實(shí)驗(yàn)指出減壓過(guò)程中存在相態(tài)變化和傳熱，并測(cè)定了泄放過(guò)程中管內(nèi)、外和總換熱系數(shù)。OLGA軟件功能模塊缺乏靈活的自定義函數(shù)修改，相關(guān)操作教程不易獲取，對(duì)CO管道輸運(yùn)方面的研究適用性不具優(yōu)勢(shì)。

常規(guī)的計(jì)算機(jī)模擬主要通過(guò)建立幾何模型、構(gòu)建理論方程、選擇合適的求解器等操作，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究方面的補(bǔ)足。在進(jìn)行減壓波傳播過(guò)程模擬時(shí)，使用Fluent軟件居多，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差在可接納范圍內(nèi)。研究理論上主要以均相流模型為主，早期的研究人員認(rèn)為泄漏時(shí)屬于高速射流階段，介質(zhì)流速較快，可忽略相間滑移。Park等和Tatiana等認(rèn)為流速在一定范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)考慮，同時(shí)需考慮介質(zhì)與管壁間的換熱，在長(zhǎng)距離輸運(yùn)時(shí)等熵模型是不適用的。因此隨著科研成果的增多，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)更充分地考慮模型的邊界條件的設(shè)置。表2 為國(guó)內(nèi)外CO泄漏減壓方面具有代表性的模擬研究成果。

表2 國(guó)內(nèi)外CO2泄漏減壓方面模擬研究成果

2 管道斷裂控制

現(xiàn)有的輸運(yùn)管道失效研究借鑒于油氣管道的起裂、擴(kuò)展、止裂判據(jù)，Zhu、謝麗華等對(duì)國(guó)內(nèi)外輸氣管線(xiàn)止裂韌性的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了綜述，純CO和含雜質(zhì)CO在不同相態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究和模擬研究成果尚未進(jìn)行歸納與總結(jié)?；诖?，從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬計(jì)算兩個(gè)方向?qū)艿腊踩刂品矫娴难芯窟M(jìn)展進(jìn)行了綜述。

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

1972 年Canyon Reef Carriers 公司建成第一條CO輸運(yùn)管道，Maxey等陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)CO管道安全輸運(yùn)方面的研究，研究結(jié)果和建議一直推動(dòng)著全球CO管道輸運(yùn)的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)研究規(guī)模比較大 的 主 要 為COOLTRANS 項(xiàng) 目、COQUEST 項(xiàng)目、COPipeHaz項(xiàng)目、DNV GL項(xiàng)目、BIGCCS項(xiàng)目。

管道受管內(nèi)介質(zhì)的作用，受周向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，所以管道在斷裂擴(kuò)展時(shí)以軸向擴(kuò)展，在周向方向上形成止裂。未避免運(yùn)行斷裂及延性擴(kuò)展，提高管道管體韌度值的設(shè)計(jì)使管道通過(guò)管體韌性形成止裂，或者是采用不同結(jié)構(gòu)的止裂器強(qiáng)制止裂。Cosham 等開(kāi)展了采用不同預(yù)置裂紋長(zhǎng)度、不同CO濃度和初始狀態(tài)下的三組全尺寸斷裂實(shí)驗(yàn)。Test1-Test2 斷裂張開(kāi)口為“皮瓣”型和“魚(yú)嘴”型，Test3 斷裂張開(kāi)口呈“平鋪”型，并形成了斷裂擴(kuò)展，研究發(fā)現(xiàn)造成管道斷裂外觀不同的兩個(gè)因素是初始缺陷的長(zhǎng)度和管道的韌性與阻止延性斷裂所需的韌性的比率，同時(shí)指出與烴類(lèi)介質(zhì)的管道斷裂形態(tài)不同。該實(shí)驗(yàn)因?qū)嶒?yàn)成本高，實(shí)施周期長(zhǎng)，因此無(wú)法進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，但從文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)看，斷裂形態(tài)符合不同相態(tài)具有的特點(diǎn)，而管道埋地覆蓋條件對(duì)斷裂速度的影響并未進(jìn)行分析，圖5為Cosham等開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究獲得的成果。

圖5 Cosham等[29]開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

Barnett等于2011—2014年在英國(guó)國(guó)家管網(wǎng)資助COOLTRANS 項(xiàng)目（COliquid pipeline transportation）支持下，在英國(guó)坎布里亞郡Spadeadam測(cè)試場(chǎng)開(kāi)展了100多項(xiàng)（有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)99組）CO管道輸運(yùn)測(cè)試項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為適用于判斷烴類(lèi)介質(zhì)的Battlelle 雙曲線(xiàn)判據(jù)不能直接應(yīng)用于氣相、液相、密相CO管道運(yùn)輸?shù)墓艿罃嗔阎沽阎校瑢?shí)驗(yàn)結(jié)論與Cosham 等的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，實(shí)驗(yàn)成果如圖6 所示。Massimo等開(kāi)展的采用X65管道用于含3.8%、6%N雜質(zhì)的密相CO管道進(jìn)行了全尺寸斷裂拓展和止裂實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)BTCM不能直接用于含雜貨CO管道斷裂與止裂的指導(dǎo)中，需要根據(jù)更多的全尺寸斷裂實(shí)驗(yàn)修正該方法，同時(shí)發(fā)現(xiàn)N濃度越高所需管道止裂韌性值越大。Valerie 等、Michal 等系統(tǒng)介紹了COSAFE-ARREST 項(xiàng)目中1 條采用9 種不同韌性值管道焊接而成的85m 全尺寸實(shí)驗(yàn)管道，管內(nèi)介質(zhì)為密相含雜質(zhì)CO，回填土深度為1m，重點(diǎn)分析了管道材料和CO混合物性質(zhì)、破裂速度和瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明原來(lái)的BTCM 不適用于密相CO輸送管道止裂設(shè)計(jì)指導(dǎo)中。 Cosham 等、 Barnett 等、 Massimo 等、Valerie 等、Michal 等開(kāi)展的全尺寸實(shí)驗(yàn)中均采用埋地鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)管道，但缺乏對(duì)不同埋地條件管道斷裂速度、形態(tài)方面的分析與研究。埋地覆蓋物質(zhì)、施工碾壓、物質(zhì)密度對(duì)管壁的作用力均會(huì)影響管道擴(kuò)展速度和斷裂形態(tài)，故在搜集的文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)斷裂開(kāi)口朝向地面，且目前尚未見(jiàn)到水下輸運(yùn)情境下的全尺寸實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)。

圖6 Barnett等[33]開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

Davis 等對(duì)比了相同管道材料在全尺寸實(shí)驗(yàn)和落錘沖擊實(shí)驗(yàn)后測(cè)試管段的前部、中部和尾部的斷口表面，引入分離指數(shù)來(lái)量化管道端口面裂紋與原尺寸間關(guān)系。全尺寸實(shí)驗(yàn)的SI 值低于夏比實(shí)驗(yàn)值，但與落錘沖擊實(shí)驗(yàn)值較為接近，認(rèn)為在研究管道解理面方面落錘沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果可替代全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但Davis 指出全尺寸實(shí)驗(yàn)管材采用的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)役標(biāo)準(zhǔn)存在差距，CO輸運(yùn)管道斷裂時(shí)管內(nèi)減壓行為可能導(dǎo)致全尺寸實(shí)驗(yàn)和落錘沖擊之間存在不相關(guān)的分離行為。

對(duì)于大型管道，全尺寸實(shí)驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)，耗資較大，同時(shí)需要具備采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所需儀器設(shè)備，因此目前具備有全尺寸管道斷裂控制實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的僅有英國(guó)、意大利、俄羅斯、中國(guó)、挪威。Cosham等、Barnett 等、Massimo 等開(kāi)展的CO輸運(yùn)管道的全尺寸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用于預(yù)測(cè)烴類(lèi)介質(zhì)的Battelle雙曲線(xiàn)法不能直接指導(dǎo)CO輸運(yùn)管道安全設(shè)計(jì)，目前對(duì)于不同相態(tài)、不同掩埋條件輸運(yùn)背景下管道斷裂過(guò)程中的規(guī)律，如斷裂擴(kuò)展規(guī)律、裂紋形態(tài)、韌脆轉(zhuǎn)變溫度條件等均處于初步階段。因此有必要從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中尺寸型規(guī)模、工業(yè)使用規(guī)模開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。表3 所示為CO輸運(yùn)管道斷裂實(shí)驗(yàn)研究成果。

表3 CO2輸運(yùn)管道斷裂實(shí)驗(yàn)研究成果

2.2 模擬計(jì)算

全尺寸實(shí)驗(yàn)具有準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、耗資大、可重復(fù)性不強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn)，而基于動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)的數(shù)值計(jì)算技術(shù)在探究CO輸運(yùn)管道諸多機(jī)理方面相比與實(shí)驗(yàn)研究存在一定的優(yōu)勢(shì)和科學(xué)性。對(duì)于不具備全尺寸實(shí)驗(yàn)條件的科研人員，也可通過(guò)現(xiàn)已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)研究的文獻(xiàn)結(jié)合ANSYS、LSDYNA、ABAQUS等分析軟件進(jìn)行更深入的研究。

Martynov等基于ANSYS軟件結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)、斷裂力學(xué)建立了密相和超臨界輸運(yùn)管道泄漏、熱傳遞、斷裂擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)流固耦合模型，研究指出雜質(zhì)的存在會(huì)加大管道止裂難度，使斷裂擴(kuò)展速度和擴(kuò)展距離更不確定，該結(jié)論與Barnett 等和Massimo 等實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同。任科基于ANSYS 軟件建立了超臨界CO輸運(yùn)管道三維含外部裂紋的模型，研究了不同溫度和壓力對(duì)管道的影響，溫度的下降導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展區(qū)的等效應(yīng)力和應(yīng)變變大、J積分值變小，加快了管道裂紋的擴(kuò)展。ANSYS Mechanical在非線(xiàn)性分析方面也能符合模擬要求，但ABAUQS軟件在裂紋擴(kuò)展領(lǐng)域功能更強(qiáng)大，算法更成熟。

Hu等基于減壓波預(yù)測(cè)模型和改進(jìn)的BTCM模型，建立了超臨界CO管道斷裂過(guò)程中的止裂韌性模型，對(duì)減壓波速和裂縫擴(kuò)展速度的比較，判斷管道是否可以依靠自身的韌性來(lái)阻止裂縫擴(kuò)展，建立的模型能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出超臨界CO管道中止裂斷裂所需的最小壁厚和最小夏比能量，該預(yù)測(cè)模型的研究結(jié)果有助于更好地理解超臨界CO管道的斷裂過(guò)程。Hu 等采用的是基于速度判據(jù)實(shí)現(xiàn)止裂的方法，程序設(shè)計(jì)上采用MATLAB 語(yǔ)言，沒(méi)有可視化界面和供操作人員輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的窗口，若將速度判據(jù)設(shè)計(jì)思路開(kāi)發(fā)成軟件，可為工程應(yīng)用提供理論支撐和直觀的止裂設(shè)計(jì)結(jié)果展示。

Aursand 等采用LS-DYNA 軟件基于局部斷裂準(zhǔn)則、壅塞理論、等熵模型及SW狀態(tài)方程建立了埋地密相CO管道斷裂流固耦合模型，對(duì)管道斷裂擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，Aursand 等采用的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法首次通過(guò)粒子的形式動(dòng)態(tài)描述了裂紋擴(kuò)展時(shí)覆蓋土質(zhì)隨斷裂擴(kuò)展進(jìn)行的分布規(guī)律，該流固耦合模型考慮的綜合因素多，與工業(yè)輸運(yùn)情景最符合。金嶠等對(duì)注入地下1000m 深度的兩種壁厚、不同初始深徑比的CO輸運(yùn)管道進(jìn)行了建模，采用虛擬裂紋閉合法及Walker 公式對(duì)疲勞強(qiáng)度下表面裂紋管道斷裂擴(kuò)展的模擬結(jié)果表明，裂紋在不等幅壓力波動(dòng)下擴(kuò)展過(guò)程更復(fù)雜，長(zhǎng)輸管道在服役過(guò)程中面臨因天氣溫度變化對(duì)管內(nèi)介質(zhì)相態(tài)變化的影響同樣值得關(guān)注。

Keim 等采用修改后的Bai-Wierzbicki 模型、GERG-2008 氣體狀態(tài)方程在ABAQUS 軟件平臺(tái)運(yùn)用ALE耦合對(duì)3種介質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，建立了管道變形、氣體減壓、裂紋擴(kuò)展之間相互耦合的動(dòng)態(tài)能量平衡判斷裂紋擴(kuò)展/止裂的準(zhǔn)則，并考慮了管道是否存在回填土及土質(zhì)密度對(duì)管道斷裂擴(kuò)展的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同的輸運(yùn)介質(zhì)造成的裂紋擴(kuò)展速度不同，回填土深度的增加可降低管道斷裂擴(kuò)展速度和長(zhǎng)度。該模擬結(jié)果與Barnett等開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中覆蓋土對(duì)裂紋擴(kuò)展速度和長(zhǎng)度響應(yīng)結(jié)論相同，ALE耦合方法雖能展現(xiàn)管內(nèi)介質(zhì)泄漏后壓力分布規(guī)律，但缺乏對(duì)斷裂擴(kuò)展時(shí)裂紋細(xì)節(jié)的捕捉。Okodi等采用ABAQUS軟件基于擴(kuò)展有限元法（extended finite element method，XFEM），以最大主應(yīng)變和斷裂能作為損傷判斷參量，建立了CO管道裂紋擴(kuò)展和裂間應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算模型，模型可用于預(yù)測(cè)具有不同尺寸縱向裂紋的管道試件的破裂應(yīng)力，結(jié)果表明XFEM可以有效地分析管道中的裂紋擴(kuò)展和破裂應(yīng)力，由于該模型僅對(duì)3 種裂紋類(lèi)型進(jìn)行了模擬，Okodi 建議采用更多管道等級(jí)、管道尺寸、裂紋類(lèi)別進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究，以獲得更可靠的結(jié)論，該建議更為客觀地評(píng)價(jià)了其工作，同時(shí)為從事相關(guān)研究提供了新思路。Talemi 等采用ABAQUS 軟件基于流固耦合模型模擬了埋地密相CO輸運(yùn)管道動(dòng)態(tài)脆性斷裂過(guò)程，使用Python腳本模擬計(jì)算裂紋長(zhǎng)度逐漸增加后強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速度對(duì)管內(nèi)流體的影響，將流體域更新后的狀態(tài)方程對(duì)管道的影響再施加至裂間位置進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，建立的XFEM與CFD（computational fluid dynamics）耦合模型可預(yù)測(cè)減壓波變化規(guī)律、裂紋擴(kuò)展速度，該耦合模型是研究CO輸運(yùn)管道動(dòng)態(tài)斷裂擴(kuò)展最有潛力的模型。Zhen 等采用同樣的軟件模擬技術(shù)路線(xiàn)，對(duì)氣相CO管道斷裂過(guò)程進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)研究了裂紋尖端張開(kāi)角和裂紋擴(kuò)展速度的擴(kuò)展規(guī)律，與Talemi不同的是采用了cohesive 裂紋擴(kuò)展的方式，裂紋只能沿著預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行擴(kuò)展，在周向止裂方面存在研究不足，而XFEM裂紋擴(kuò)展方法在管道斷裂方面具有優(yōu)勢(shì)，建議深入研究。

Kawaguchi等在丹麥實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了4次全尺寸斷裂實(shí)驗(yàn)研究，并公布了全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；Botros等基于Kawaguchi 等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了管道斷裂擴(kuò)展的雙向流固耦合模型。模型中流體域采用迭代氣體壓力場(chǎng)循環(huán)作用于裂尖位置的固體域，通過(guò)動(dòng)態(tài)有限元法分析管道斷裂擴(kuò)展/止裂中裂紋尖端擴(kuò)展角的變化規(guī)律、裂紋擴(kuò)展速度、壓力場(chǎng)分布規(guī)律、泄漏氣體馬赫盤(pán)分布規(guī)律等內(nèi)容，如圖7 所示。該模型與參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中裂紋擴(kuò)展規(guī)律、裂紋擴(kuò)展速度高度吻合，但缺乏對(duì)管道止裂方面的研究。

圖7 Botros等[96]研究成果

對(duì)于CO輸運(yùn)管道泄漏、斷裂擴(kuò)展過(guò)程的模擬，需要掌握計(jì)算流體力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)知識(shí)，是一個(gè)多知識(shí)融合的領(lǐng)域。CO輸運(yùn)管道泄漏減壓過(guò)程原本已較為復(fù)雜，管內(nèi)介質(zhì)與管材間相互耦合過(guò)程是深入研究CO輸運(yùn)管道的難點(diǎn)，同時(shí)也是熱點(diǎn)。現(xiàn)有的研究成果對(duì)CO輸運(yùn)管道斷裂擴(kuò)展過(guò)程和管內(nèi)介質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律已有初步的研究成果，但對(duì)于管道斷裂擴(kuò)展控制方面的研究，以目前研究成果分析均使用管道自身韌性實(shí)現(xiàn)止裂，對(duì)于開(kāi)發(fā)CO輸運(yùn)管道專(zhuān)用止裂器方面的研究極為迫切。表4 所示為國(guó)內(nèi)外CO輸運(yùn)管道斷裂擴(kuò)展模擬成果。

表4 國(guó)內(nèi)外CO2輸運(yùn)管道模擬計(jì)算研究成果

3 二氧化碳輸運(yùn)管道設(shè)計(jì)

管道輸運(yùn)CO是CCUS 技術(shù)中具有經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)驗(yàn)性的選擇，Massimo等、任科、Wilkowski等設(shè)計(jì)的鋼套止裂環(huán)，Aursand等設(shè)計(jì)的鋼絲網(wǎng)布復(fù)合止裂器，Mazurkiewicz 等設(shè)計(jì)的碳纖維止裂器，Abeele等設(shè)計(jì)的較長(zhǎng)長(zhǎng)度的止裂套在全尺寸管道斷裂擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算中均具有較好的止裂效果，僅停留在試驗(yàn)階段，并未給出適用場(chǎng)景指導(dǎo)。而CO焦耳-湯姆遜系數(shù)大，含雜質(zhì)的CO管道內(nèi)相平衡和水合物腐蝕機(jī)理的影響對(duì)管道的設(shè)計(jì)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。采用常規(guī)的ASEM B 31.8、ASEM 831.4、IP6、BS EB 14161、BS PD 8010 和DNVOS-F101等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范用于CO管道設(shè)計(jì)外，更應(yīng)該考慮管道隨溫度、壓力變化后相平衡問(wèn)題，含雜質(zhì)CO形成酸性體對(duì)管壁的腐蝕問(wèn)題。

管徑的大小不僅直接決定了輸送能力，基于經(jīng)濟(jì)性考慮，管徑越大，投資就越高，最合理的管徑是在滿(mǎn)足輸送要求的基礎(chǔ)上使管徑最小，但現(xiàn)有研究表明，管道的厚度也是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。King 等采用ASME 指導(dǎo)手冊(cè)中計(jì)算管道厚度、BTCM止裂計(jì)算，運(yùn)用管道韌性值高于斷裂擴(kuò)展韌性值的方法對(duì)CO輸運(yùn)管道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法指出管道的韌性值高于斷裂擴(kuò)展的值可不用安裝止裂裝置，并具有止裂的效果，但BTCM方法在試驗(yàn)過(guò)程中給出的建議是不能直接用于CO管道的輸運(yùn)中，因此該設(shè)計(jì)方法的安全性無(wú)法考證。Lyons等對(duì)密相CO輸運(yùn)管道建立了量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，該評(píng)估體系不僅對(duì)輸運(yùn)管道受第三方外部干擾故障頻率模型進(jìn)行綜述，同時(shí)對(duì)影響密相CO管道的正常工作的主要因素進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，由于密相CO管道的設(shè)計(jì)壓力要求高，在管道施工中需要使用高壁厚的管道，由于Lyons僅搜集了英國(guó)范圍內(nèi)密相CO輸運(yùn)管道的資料，該模型由于英國(guó)CO輸運(yùn)管道故障數(shù)據(jù)庫(kù)資料匱乏，對(duì)該模型的推廣有一定的局限性，但Lyons 也正在搜集全球輸運(yùn)管道事故信息，不斷完善量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

Lu等對(duì)輸運(yùn)CO管道中管徑、壁厚、壓力的設(shè)計(jì)要求和成熟的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了更為系統(tǒng)的綜述，但輸運(yùn)場(chǎng)景僅是陸地輸運(yùn)，僅考慮了管道內(nèi)壓下管材的設(shè)計(jì)，未考慮覆土、海水輸運(yùn)情景。閆興清等基于機(jī)械能衡算方程構(gòu)建了密相/超臨界相CO管道內(nèi)徑計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與Skovholt及McCoy模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果具有合理性，該方法指出了計(jì)算過(guò)程中的注意事項(xiàng)，以指導(dǎo)CO管道輸運(yùn)工藝及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)研究。Zhao等采用最小二乘法對(duì)不同運(yùn)行溫度范圍下的管道直徑模型進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了一種新的分步分段優(yōu)化方法，與現(xiàn)有的優(yōu)化方法相比，該方法可以明顯節(jié)省均衡化成本，但該方法僅考慮溫度這一單因素。Valluri 等綜合分析了CO輸運(yùn)管道受土壤腐蝕和大氣腐蝕后管道易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，在分析腐蝕機(jī)理和腐蝕速度的基礎(chǔ)上提出管道的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮加入一些金屬元素，避免電化學(xué)腐蝕或降低腐蝕速率，同時(shí)指出管道壁厚的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)輸運(yùn)不同相態(tài)的CO進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)。

現(xiàn)階段CO輸運(yùn)管道的設(shè)計(jì)主要參考油氣管道的設(shè)計(jì)，應(yīng)用場(chǎng)景為人煙稀少區(qū)域，鋪設(shè)過(guò)程尚未考慮掩埋覆蓋、水下條件、溫差幅值。雜質(zhì)的存在影響臨界壓力和溫度、密度、黏度的改變，但現(xiàn)有的管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)僅有DNV RP J202考慮的雜質(zhì)的影響，相關(guān)知識(shí)體系尚不完善。對(duì)于陸地輸運(yùn)場(chǎng)景下目前僅有英國(guó)的BS 7910和美國(guó)的API 579-1/ASME FFS-1 對(duì)CO 輸運(yùn)管道安全制定了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)上僅有挪威船級(jí)社發(fā)布的DNV RP J202文檔中對(duì)CO管道設(shè)計(jì)進(jìn)行了指導(dǎo)，撰寫(xiě)者認(rèn)為該設(shè)計(jì)手冊(cè)采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)有限，參考的數(shù)據(jù)年限偏遠(yuǎn)，需隨著管材性能提升和輸運(yùn)條件的更新對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。對(duì)于CO管道的設(shè)計(jì)在借鑒油氣管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更應(yīng)著重于管材韌性值的選取、管道內(nèi)介質(zhì)溫度和壓力的控制、施工技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究?jī)蓚€(gè)方面綜述了管道泄漏減壓和斷裂擴(kuò)展的研究進(jìn)展，綜合分析了雜質(zhì)種類(lèi)、狀態(tài)方程、理論模型對(duì)泄漏減壓規(guī)律的影響，歸納了數(shù)值模擬軟件研究CO管道擴(kuò)展斷裂的主要成果和研究熱點(diǎn)，同時(shí)對(duì)CO輸運(yùn)管道設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了綜述。對(duì)管內(nèi)減壓過(guò)程研究，涉及相間滑移和三相點(diǎn)共存時(shí)減壓波的傳播規(guī)律更為復(fù)雜，研究難度更大；對(duì)管道的韌/脆性斷裂和斷裂控制方法的研究體系尚不完善；泄漏后果的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全控制尚未形成體系，分析與檢測(cè)也未有健全的標(biāo)準(zhǔn)，管道的設(shè)計(jì)目前雖有雛形，但未結(jié)合現(xiàn)階段工業(yè)需求進(jìn)行修訂?；趯?duì)CO輸送管道泄漏特性和安全控制領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述表明，CO輸運(yùn)管道意外泄漏過(guò)程和斷裂控制方面的不足主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）關(guān)于管道泄漏后管內(nèi)CO的熱力學(xué)、物理性質(zhì)的研究，盡管狀態(tài)方程有多達(dá)18 種，但不同的狀態(tài)方程適用性不盡相同，用于實(shí)驗(yàn)的混合物介質(zhì)主要為人為構(gòu)造，與工業(yè)輸運(yùn)作業(yè)區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)存在一定的差異，對(duì)混合物臨界點(diǎn)、三相點(diǎn)、相間線(xiàn)周?chē)挠?jì)算需要準(zhǔn)確劃分，提高計(jì)算精度。

（2）用于全尺寸管道斷裂擴(kuò)展的止裂器、止裂環(huán)雖能實(shí)現(xiàn)止裂，但未建立止裂裝置的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用范圍；模擬研究?jī)?nèi)容中針對(duì)斷裂速度和擴(kuò)展規(guī)律的研究多，對(duì)止裂裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、受力分析、材料選擇方面需加大模擬研究力度。

（3）對(duì)CO輸運(yùn)管道斷裂擴(kuò)展模擬的研究，管內(nèi)流體采用均相流模型未考慮相間滑移，對(duì)氣液固三相的相變規(guī)律、熱力學(xué)特性研究尤顯不足；采用均勻松弛模型的研究需將模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不斷優(yōu)化該模型的適用性。流固耦合模型均未考慮干冰生成，管內(nèi)介質(zhì)隨管道斷裂擴(kuò)展變化動(dòng)態(tài)過(guò)程目前處于研究空白。

結(jié)合CO輸送管道泄漏特性和安全控制研究現(xiàn)狀，在工業(yè)輸運(yùn)CO管道泄漏后管內(nèi)減壓、管道斷裂擴(kuò)展研究方面仍需在理論研究、工程應(yīng)用方面深入開(kāi)展以下工作。

（1）含雜質(zhì)CO實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚未能建立完整的相態(tài)模型，雜質(zhì)的類(lèi)型、含量及組分對(duì)CO臨界溫度、臨界壓力的變化規(guī)律的掌握有益于依托質(zhì)量守恒、能量守恒、傳熱、傳質(zhì)和壓力損耗等理論構(gòu)建長(zhǎng)輸管道運(yùn)營(yíng)體系。

（2）管道存在泄漏后，管壁周?chē)鷾囟忍荻茸兓?guī)律，材料達(dá)到韌脆轉(zhuǎn)變溫度的失效機(jī)理與管內(nèi)壓力、泄漏口形態(tài)和方向間的規(guī)律；裂紋裂間位置處CO泄漏壓力、溫度變化與裂紋擴(kuò)展角、裂紋擴(kuò)展速度的耦合關(guān)系。

（3）對(duì)于三元、多元?dú)怏w狀態(tài)方程研究較少，含有多元介質(zhì)管道泄漏情境下埋地與非埋地、土壤覆蓋狀況對(duì)管道裂紋擴(kuò)展的影響，即不同初始狀態(tài)下減壓波傳播及衰減規(guī)律，可修正速度判據(jù)。

（4）基于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)，研究管道腐蝕過(guò)程中裂紋萌生、發(fā)展過(guò)程，開(kāi)發(fā)安全、可靠、方便安裝的止裂器，防止管道延性擴(kuò)展斷裂并建立止裂準(zhǔn)則。