孫明源

(1. 化學(xué)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(biāo)的提出,我國對于環(huán)境保護(hù)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(yùn)輸,CO2管道輸送是大規(guī)模運(yùn)輸CO2最經(jīng)濟(jì)、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(shè)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(kuò)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(kuò)展規(guī)律對于管道的設(shè)計和安全運(yùn)行至關(guān)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(kuò)展進(jìn)行綜述,總結(jié)相態(tài)、含雜情況、管徑等對裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律,并對目前的止裂技術(shù)進(jìn)行綜述,指出目前研究中存在的不足,并提出了進(jìn)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(kuò)展的重要依據(jù),也是裂紋擴(kuò)展的研究基礎(chǔ),根據(jù)動態(tài)斷裂力學(xué)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(rèn)為在裂紋擴(kuò)展中,管道內(nèi)部能量的釋放提供了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力,與此同時,管道也存在著抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力。當(dāng)管道的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力等于管道抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力時,裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展;反之,即使出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展,也會很快止裂。其中,抵抗管道裂紋擴(kuò)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(chǔ)上,擬合得到了管道裂紋擴(kuò)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(yīng)用于判斷管道的裂紋擴(kuò)展,此模型認(rèn)為,裂紋能否止裂,取決于裂紋在管道中的擴(kuò)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(dāng)減壓波速度大于裂紋擴(kuò)展速度時,裂紋止裂;反之,裂紋擴(kuò)展。

這兩種判據(jù)在本質(zhì)上是一致的:當(dāng)減壓波速度大于裂紋擴(kuò)展速度時,裂紋尖端位于減壓區(qū),裂紋失去擴(kuò)展的驅(qū)動力,管道止裂;反之,當(dāng)減壓波速度小于裂紋擴(kuò)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(kuò)展的驅(qū)動力,裂紋將持續(xù)擴(kuò)展。

綜上所述,管道裂紋擴(kuò)展是一個復(fù)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(kuò)展帶來影響,早期學(xué)者主要通過開展實驗對裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始利用模擬仿真來研究裂紋擴(kuò)展。以下從實驗和數(shù)值模擬兩方面對CO2管道裂紋擴(kuò)展的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 CO2管道裂紋擴(kuò)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(kuò)展研究的重要方法,由于其建設(shè)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(jìn)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(kuò)展實驗研究,通過預(yù)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(kuò)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?zāi)Ｐ蚚12]

Michal,等[13]進(jìn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展速度關(guān)系式和BWRS狀態(tài)方程,實現(xiàn)了對CO2管道裂紋擴(kuò)展推動力的計算,認(rèn)為CO2濃度越高、輸送溫度越高,管道裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力越高。為了研究壁厚和雜質(zhì)對裂紋擴(kuò)展的影響,Biagio,等[15]進(jìn)行了2次不同壁厚和不同N2含量的CO2管道全尺寸裂紋擴(kuò)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(kuò)展路徑。

圖2 Biagio,等的實驗方案及裂紋擴(kuò)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(qiáng)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展實驗成本巨大,且可重復(fù)性低、危險性高,隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,基于損傷準(zhǔn)則的有限元建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用于管道裂紋擴(kuò)展研究,國內(nèi)外學(xué)者利用不同的軟件和方法進(jìn)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(kuò)展行為進(jìn)行了數(shù)值分析,認(rèn)為內(nèi)壓波動提供了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力,裂紋初始幾何形狀影響裂紋擴(kuò)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(xué)模型,得到沿管道軸向的壓力場,進(jìn)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(kuò)展進(jìn)行模擬,得到的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性。Gurben,等[18]采用計算流體動力學(xué)方法結(jié)合有限元軟件耦合管道的裂紋擴(kuò)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(kuò)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(yù)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(kuò)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(zhǔn)則的提出,在裂紋擴(kuò)展中采用CTOA斷裂準(zhǔn)則得到了學(xué)者的廣泛認(rèn)可,Shibanuma,等[23]進(jìn)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(kuò)展模擬中提取CTOA的方法,認(rèn)為CTOA在裂紋擴(kuò)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(qiáng)度等級和徑厚比的影響,將CTOA作為管道斷裂準(zhǔn)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(yù)測的迭代加載法,可以很好地模擬管道的動態(tài)裂紋擴(kuò)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(kuò)展過程中的裂紋速度、管道厚度無關(guān)。Bassindale,等[25-28]利用粘結(jié)區(qū)模型,采用CTOA作為斷裂準(zhǔn)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(jìn)行了模擬,研究回填和保溫層對管道裂紋擴(kuò)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(kuò)展的速度。Amara,等[29]基于CTOA斷裂準(zhǔn)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(kuò)展模型,提出了基于CTOA的斷裂阻力曲線,可以成功預(yù)測止裂壓力、裂紋擴(kuò)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(jìn)行參數(shù)化,對減壓行為下的開裂管道進(jìn)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(qiáng)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(guān)。

為了更好地模擬實際管道在發(fā)生裂紋擴(kuò)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(xué)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(yù)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(yù)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(kuò)展的多場耦合,認(rèn)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(kuò)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(yù)制裂紋,模擬得到管道裂紋擴(kuò)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(qiáng)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(kuò)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(rèn)為土壤的回填對管道裂紋擴(kuò)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(yù)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(kuò)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(kuò)展。

3 裂紋擴(kuò)展控制技術(shù)研究

為有效地對出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的管道進(jìn)行止裂,張希悉,等[43]從理論研究和工程設(shè)計與應(yīng)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(shè)計的相關(guān)公式和外部止裂方法的設(shè)計原理進(jìn)行了全面分析。陳兵,等[44]從管道斷裂機(jī)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(kuò)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(qiáng)的指導(dǎo)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(shè)計、提高管材的韌性和外部止裂等。

在管道設(shè)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(jī)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(biāo),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(shè)計過程中無法滿足止裂韌性要求的管道,可以采用適當(dāng)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(yù)測管道止裂的方法,經(jīng)統(tǒng)計分析針對性地提出一種預(yù)測模型,并探討了這幾種模型的適用范圍。

在外部止裂設(shè)計上,張克政,等[47]設(shè)計了一種雙金屬復(fù)合管全尺寸止裂實驗,并測量了裂紋擴(kuò)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(fù)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(yīng)根據(jù)不同的裂紋尺寸選擇合適的復(fù)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(shè)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(dāng)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(jìn)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(chǔ)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(jìn)行了模擬分析,通過測量的彈塑性斷裂力學(xué)參數(shù)J積分和止裂系數(shù)K,總結(jié)了復(fù)合止裂器的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明,當(dāng)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(jìn)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(shè)計。Abeele,等[54]介紹了一種由玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制成的復(fù)合止裂器,并利用有限元模擬對止裂器進(jìn)行了評估,認(rèn)為單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂是制造復(fù)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(jìn)行了數(shù)值和實驗評估,估算了復(fù)合管包裹管材的機(jī)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(fù)的管道具有更強(qiáng)的耐爆性能。Kong,等[56]用外包碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料來修復(fù)不同長度缺陷的管道,研究了缺陷尺寸和材料力學(xué)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(kuò)展的實驗研究和數(shù)值模擬研究,綜合分析了裂紋擴(kuò)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(jìn)行了介紹。綜合看來,對管道裂紋擴(kuò)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)和體系。因此,為了更好地實現(xiàn)雙碳目標(biāo),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(kuò)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(kuò)展實驗,結(jié)果表明,相較于天然氣管道,CO2管道具有更強(qiáng)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(jìn)行修正或提出新的適用模型,尤其應(yīng)增加對不同相態(tài)CO2管道的裂紋擴(kuò)展實驗。

b) 管道的裂紋擴(kuò)展涉及到管內(nèi)氣體的泄漏減壓和管道裂紋尖端擴(kuò)展的相互影響,是一個復(fù)雜的過程,目前,在裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬方法上,CTOA斷裂準(zhǔn)則和氣體減壓模型得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)著重放在管內(nèi)流體狀態(tài)變化對裂紋擴(kuò)展的影響,加強(qiáng)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(kuò)展研究整體偏少,雜質(zhì)的種類、含量對CO2裂紋擴(kuò)展的影響尚未有較明確的模型來描述,對裂紋擴(kuò)展的定量影響更是空白,應(yīng)加強(qiáng)雜質(zhì)對CO2管道裂紋擴(kuò)展的影響研究。

d) 針對管道的止裂技術(shù),多采用在設(shè)計階段增加壁厚或增設(shè)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(yīng)放在對止裂器的設(shè)計上,開發(fā)止裂性能表現(xiàn)優(yōu)異的復(fù)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(yīng)規(guī)定。與此同時,還應(yīng)加強(qiáng)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(zhǔn)則。