输送工艺参数对密相/超临界CO2管道止裂韧性的影响*
2023-07-05欧阳欣李胜男
欧阳欣,李 鹤,闫 锋,李胜男,池 强
(1.国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院分公司,河北 廊坊 065000;2.中国石油集团工程材料研究院有限公司 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安 710077)
0 前 言
碳捕获、利用与封存(carbon capture utilization and storage,CCUS)技术是削减温室气体排放、减缓气候变化的关键技术,是我国中长期应对气候变化、保障能源安全、推进低碳发展、实现可持续发展的重要手段,是实现“双碳”目标的重要保障[1-4]。管道输送具有输送量大、效率高、单位成本低等优点,适用于CO2的大规模远距离输送,是CCUS技术中的重要环节[5-6],密相/超临界态管输CO2是目前国际上进行大规模碳运输的最经济方式[7]。断裂控制是管道设计的核心问题,截止目前,油气管道的断裂机理和控制方法的研究较多,而关于CO2输送管道断裂控制的研究较少,因此,急需探索和攻克超临界态CO2输送管道断裂控制技术[8-9]。
管道的止裂韧性取决于管道内部减压波与管材断裂阻力的交互作用,目前国内外研究人员大多围绕CO2管道减压波特性进行密相/超临界CO2输送管道止裂韧性研究。Mahgerefteh 等[10研究表明,杂质会降低气态CO2管道内减压波速度及相变压力。Jäger等[11]建立了CO2管道内发生相变的吉布斯自由能模型,计算和阐述了纯CO2、含杂质CO2的三相平衡,为管道内CO2相变提供了判断依据。Elshahomi 等[12]基于GERG-2008 状态方程,采用Ansys Fluent 计算流体动力学(CFD)建立了减压波预测模型,模拟分析了初始温度和杂质对密相/超临界CO2混合物减压波速度的影响。李玉星研究团队进行了不同相态(超临界、液态、纯气态和含杂质气态CO2)的中尺度泄漏试验,首次提出了用弹性系数K表征CO2在不同相态下减压波速度的方法[13];同时基于PR方程,建立了气态CO2管道减压波传播特性的预测模型,研究和分析了不同杂质含量、管道初始温度和压力等对气态CO2管道减压特性的影响[14];基于GERG-2008 状态方程,建立了含杂质超临界CO2管道的减压波速度预测模型,分析了杂质对超临界CO2管道减压波曲线的影响[15]。
现有研究多是基于单组分杂质对气态CO2管道减压波的影响,未考虑实际捕获气体组分的复杂性,关于密相/超临界CO2管道止裂韧性的研究报道较少。本研究以密相/超临界CO2长输管道断裂控制为研究目标,针对实际工况,基于GERG-2008 状态方程和Battelle 双曲线(battelle two-curve,BTC)模型,计算和分析了捕获方式、初始温度、初始压力、管径和设计系数等对P-T状态、减压波曲线、止裂韧性的影响,提出了密相/超临界CO2管道自身止裂韧性要求,从而为CO2管道设计和工程应用提供理论依据。
1 捕获方式对气体成分的影响
对用于CCUS 的密相/超临界CO2管道止裂韧性进行分析,计算工况选用X65管线钢,考虑三种碳捕集方式:燃烧后捕获(post-combustion)、燃烧前捕获(pre-combustion)和富氧燃烧捕获(oxyfuel)。CO2中杂质的种类及含量与捕集方式有关,典型工况下三种捕获方式获得的气体成分见表1[16]。由表1 可知,燃烧后捕获气体中所含杂质种类最少、杂质含量最小,96%富氧燃烧捕获气体杂质含量最多。
表1 分析中使用的气体成分
2 工艺参数及气体组分对CO2管道止裂韧性的影响
采用控制变量法,基于GREE-2008 状态方程和BTC双曲线模型,计算和分析初始温度、初始压力、管径和设计系数等工艺参数对止裂韧性的影响,单一参数变量的取值见表2。
表2 X65钢级管道分析中使用的计算参数
密相/超临界CO2减压波曲线存在因减压过程穿越气液两相区引起的减压波平台,导致裂纹尖端压力无法释放,裂纹容易长程扩展。减压波平台值越高,饱和压力越高,管道所需止裂韧性越大。因饱和压力会长期保持,故CO2输送管道更关注裂纹长程扩展。减压波平台值受气体组分、温度、压力等因素的影响。
2.1 气体组分对止裂韧性的影响
在CCUS中,捕获后的CO2气体混合物成分主要由产生源头和捕获方式决定,主要杂质包括N2、O2、Ar、H2S、CO 和H2,将直接影响CO2的热物性参数,进而影响减压波曲线。不同含量杂质气体与CO2混合物减压波曲线如图1所示,杂质气体的摩尔比变化范围为0%~10%,由图1可知,随着不同气体组分含量的增加,初始减压波速度减小;随着不同气体组分含量增加,减压波平台提高,从而表明管道所需止裂韧性增大;H2S与其他杂质气体不同,随着H2S含量的增加,初始减压波速度略有增大,说明H2S含量的变化对减压波平台影响不大。
图1 不同含量杂质气体与CO2混合物减压波曲线
三种捕获方式对止裂韧性的影响如图2 所示。由图2(a)可知,三种碳捕获方式产生的CO2混合物具有不同的气液两相区(相包络线)和P-T 减压路径。燃烧后捕获气体中CO2含量为99.85%,其相包络线与纯CO2接近,相同压力和温度下纯CO2泡点线与露点线重合,气液共存区为相包络线。燃烧前捕获和富氧燃烧捕获产生的CO2混合物的相包络线均上移,即增大了CO2的临界压力及泡点,扩大了气液两相区的范围。
图2 不同碳捕获方式对管道止裂韧性影响
密相/超临界CO2输送管道破裂后会急剧减压,将在泄漏口形成气液两相流。不同捕获方式下的CO2气体混合物具有不同的初始减压波速度和减压波平台,如图2(b)所示,同时,从燃烧后捕获到燃烧前捕获再到富氧燃烧捕获,杂质气体含量逐渐增加,初始减压波速度逐渐减小,而减压波平台逐渐增高,即饱和压力逐渐增大,这是因为与燃烧后捕获相比,气体杂质的存在提高了CO2的泡点线,使得气液两相区向高压区移动,密相/超临界CO2在等熵降压过程中进入两相区的压力升高,从而提高了减压波曲线平台压力。饱和压力是定义CO2管道扩展裂纹所需止裂韧性的一个重要参数,饱和压力增大则止裂难度变大。
通过BTC模型乘以2.2倍修正系数来预测管道的止裂韧性。不同捕获方式下管道的止裂韧性变化曲线如图2(c)所示,由图2(c)可知,燃烧后捕获产生的CO2气体混合物输送管所需的止裂韧性最小,富氧燃烧捕获产生的CO2气体混合物输送管道所需的止裂韧性最大。
2.2 初始温度对止裂韧性的影响
采用燃烧前捕获混合气体组分来计算初始温度对止裂韧性的影响,在密相/超临界CO2输送介质和管道参数相同情况下,分别在初始温度为30 ℃和50 ℃条件下研究管道的止裂韧性,从而得出不同初始温度对管道止裂韧性的影响,结果如图3 所示。由图3(a)可知,初始温度显著影响初始减压波速度和减压曲线与相包络线交点位置,通常情况下,减压曲线由泡点线进入两相区。初始温度越高,则饱和压力越高,如图3(b)所示。由图3(c)可知,随着初始温度的增大,管道所需的止裂韧性逐渐增加。但若初始温度较高,初始压力较小,则减压曲线会向图3(a)的右方移动,可能会由露点线进入气液两相区,则饱和压力不一定会随着初始温度的升高而增大。
图3 初始温度对止裂韧性影响
2.3 初始压力对止裂韧性的影响
采用燃烧前捕获混合气体组分进行研究,密相/超临界CO2输送管道内的初始压力会影响管道断裂时的初始状态,进而影响管道的止裂韧性。如图4(a)所示,随着初始压力的降低,减压曲线向右方移动,在较高压力下由泡点线进入气液两相区。因此初始压力越低,减压波平台越高(图4(b)),管道所需止裂韧性越高(图4(c)),越难以止裂。初始压力对密相/超临界CO2管道止裂韧性影响规律与天然气管道相反。
图4 初始压力对管道止裂韧性影响
2.4 管径和设计系数对止裂韧性的影响
采用BTC模型(2.2倍修正系数)研究管径、设计系数Df对管道止裂韧性的影响,结果如图5所示。由图5可知,当密相/超临界CO2输送管道的输送介质、初始温度、初始压力相同时,管道止裂韧性与管道外径和设计系数呈正相关,即管道外径越大,裂纹越容易继续扩展,所需的止裂韧性越大。设计系数越高,管道所需止裂韧性随之增加。
图5 管径和设计系数对管道止裂韧性影响
2.5 三种捕获方式下管道所需止裂韧性
X65 管线钢在三种不同碳捕获方式下,同时设计系数分别为0.5 和0.72 时的止裂韧性变化曲线分别如图6、图7 和图8 所示。其中,以钢管平均夏比冲击功(250 J)为衡量标准评估管道的止裂韧性,当止裂韧性低于250 J 时,认为管道可以凭借自身止裂韧性阻碍裂纹扩展。
图6 燃烧后捕获方式下的止裂韧性
图7 燃烧前捕获方式下的止裂韧性
由图6 可知,对于燃烧后捕获的混合气体,气体杂质组分最少。设计系数Df=0.5时,当前计算工况都能止裂。设计系数Df=0.72 时,在压力<16 MPa、温度<50 ℃时,管道均可以止裂;当压力<14 MPa 时,只有在低温工况才可以止裂;当压力<12 MPa时,管道无法止裂。
由图7可知,对于燃烧前捕获方式,当设计系数Df=0.5时,当前计算工况都能止裂;当设计系数Df=0.72 时,只有压力为16 MPa、温度为30 ℃时,管道才可以止裂。
由图8可知,富氧燃烧后捕获的混合气体杂质组分最多。当Df=0.5时,在低压(12 MPa)状态下、温度为30 ℃时,管道无法止裂,而在其他的计算工况下管道均能止裂;当Df=0.72 时,只有在压力较高(16 MPa)、温度为30 ℃时才可止裂,其他工况均无法止裂。
3 结 论
(1)三种捕获方式产生的CO2混合物的相包络线不同,杂质的加入改变了纯CO2的相包络线,气体杂质均会引起减压波平台压力的提高,使管道止裂韧性增加,而H2S的含量对减压波平台压力影响不大。燃烧后捕获的CO2气体混合物杂质含量最低,因此管道所需止裂韧性最低。而富氧燃烧捕获的CO2气体混合物杂质含量最高,管道所需止裂韧性最高。
(2)杂质组分的增加以及提高初始温度、增大管径、增大设计系数会导致密相/超临界CO2输送管道止裂韧性的增加。而提高初始压力会导致密相/超临界CO2输送管道止裂韧性的降低。