CO2输送管道裂纹扩展及止裂技术研究进展

孙明源

(1. 化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

随着双碳目标的提出,我国对于环境保护提出了更高的要求,CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,即碳捕获、利用与封存)作为实现碳中和的有效途径,能够大规模降低工业CO2的排放[1],相较于槽车和铁路运输,CO2管道输送是大规模运输CO2最经济、可行的方法[2]。CO2管道连接了碳源和碳汇,CCUS技术实现产业化必须解决的首要问题就是CO2管道安全输送问题。随着CCUS示范项目的增多[3],CO2管道的建设也将越来越多,处于地下的管道极易受第三方破坏、腐蚀、过载和载荷交变等影响萌生裂纹,在内压的作用下产生裂纹的长程扩展,给管道安全输送带来了隐患,因此,能够精确掌握CO2管道裂纹的扩展规律对于管道的设计和安全运行至关重要。

本文从管道止裂判据出发,从实验和数值模拟两方面对CO2管道裂纹扩展进行综述,总结相态、含杂情况、管径等对裂纹扩展的影响规律,并对目前的止裂技术进行综述,指出目前研究中存在的不足,并提出了进一步研究的方向。

1 管道止裂判据

止裂判据是判断管道裂纹能否扩展的重要依据,也是裂纹扩展的研究基础,根据动态断裂力学的基本理论,目前主要有能量判据和速度判据两种止裂判据。

1.1 能量判据

Griffith[4]最先提出材料断裂的能量释放率判据,认为在裂纹扩展中,管道内部能量的释放提供了裂纹扩展的驱动力,与此同时,管道也存在着抵抗裂纹扩展的阻力。当管道的裂纹扩展驱动力等于管道抵抗裂纹扩展的阻力时,裂纹稳定扩展;反之,即使出现裂纹扩展,也会很快止裂。其中,抵抗管道裂纹扩展的阻力也称为管材的断裂韧性。

1.2 速度判据

Maxey[5]在Battelle实验室管道断裂实验数据的基础上,拟合得到了管道裂纹扩展速度的计算公式,与减压波速度计算公式共同构成了Battelle双曲线模型,被广泛应用于判断管道的裂纹扩展,此模型认为,裂纹能否止裂,取决于裂纹在管道中的扩展速度和管内介质在管道破裂时的减压波传播速度,当减压波速度大于裂纹扩展速度时,裂纹止裂;反之,裂纹扩展。

这两种判据在本质上是一致的:当减压波速度大于裂纹扩展速度时,裂纹尖端位于减压区,裂纹失去扩展的驱动力,管道止裂;反之,当减压波速度小于裂纹扩展速度时,裂纹尖端位于减压波的前端,减压波提供了裂纹扩展的驱动力,裂纹将持续扩展。

综上所述,管道裂纹扩展是一个复杂的过程,相较于天然气管道,CO2管道在输送过程中极易因压力、温度波动出现相变,同时会含有N2、CH4等杂质,这些都会给裂纹扩展带来影响,早期学者主要通过开展实验对裂纹扩展进行研究,随着计算机技术的发展,越来越多的学者开始利用模拟仿真来研究裂纹扩展。以下从实验和数值模拟两方面对CO2管道裂纹扩展的研究进展进行综述。

2 CO2管道裂纹扩展研究

2.1 实验研究

全尺寸气体爆破实验是开展管道裂纹扩展研究的重要方法,由于其建设成本巨大,目前仅英国、意大利、俄罗斯、美国、日本[6,7]和中国[8]开展过全尺寸爆破试验,气体介质多为空气或天然气,针对CO2管道的全尺寸爆破试验较少。Cosham,等[9-11]进行了3次全尺寸CO2管道实验,对不同管径、长度和含不同杂质的密相CO2管道开展了裂纹扩展实验研究,通过预制裂纹,裂纹由中间的低韧性起始管向两侧的高韧性实验管扩展,利用这种方法测得了管道止裂所需的韧性,对比了已开展的输气管道裂纹扩展实验,发现CO2管道因发生相变驱动力更高,减压曲线平台要比富气管道长得多;Battelle双曲线模型不适用于CO2管道,需要进行额外的修正。Barnett,等[12]为了确定拟建管道的止裂能力,开展了CO2管道全尺寸裂纹扩展实验,方法和Cosham类似,采用了更长的管道,实验得到了与Cosham相同的结论,即Battelle双曲线并不直接适用于密相CO2管道。图1为Barnett,等采用的实验方案。

图1 Barnett的实验模型[12]

Michal,等[13]进一步重点分析了断裂速度和瞬时压力的变化,实验表明,裂纹扩展速度主要是由给定CO2混合物的组成和材料特性决定的,裂纹轨迹中的震荡随着裂纹速度的降低而增加,说明管道在发生延性扩展的同时可能存在脆性断裂,与天然气管道相比,密相CO2管道有更大的襟翼的压力。刘丽艳,等[14]基于Maxey[5]建立的裂尖压力-裂纹扩展速度关系式和BWRS状态方程,实现了对CO2管道裂纹扩展推动力的计算,认为CO2浓度越高、输送温度越高,管道裂纹扩展驱动力越高。为了研究壁厚和杂质对裂纹扩展的影响,Biagio,等[15]进行了2次不同壁厚和不同N2含量的CO2管道全尺寸裂纹扩展实验,裂纹在管道固有韧性不足的情况下采用止裂器成功止裂,N2浓度越高需要的止裂韧性越大,实验同样证明了Battelle双曲线模型不适用于含杂质CO2管道。图2为Biagio,等的实验方案及裂纹扩展路径。

图2 Biagio,等的实验方案及裂纹扩展路径[15]

通过开展全尺寸实验,发现相较于输气管道,CO2管道因发生相变具有更强的裂纹驱动力,具有更长的减压平台,基于输气管道提出的 Battelle双曲线模型已不再适用于CO2管道,目前国内外开展的CO2管道裂纹扩展实验仍相对较少,不能满足修正双曲线模型的需要。表1为CO2管道裂纹扩展实验研究总结(CO2相态为密相、钢材为L450)。

表1 CO2管道裂纹扩展实验研究总结

2.2 数值模拟计算研究

鉴于开展管道裂纹扩展实验成本巨大,且可重复性低、危险性高,随着计算机技术的不断发展,基于损伤准则的有限元建模技术被广泛应用于管道裂纹扩展研究,国内外学者利用不同的软件和方法进行了探索。金峤,等[16]利用ABAQUS虚拟裂纹闭合法对超临界CO2管道内壁裂纹在形成穿透裂纹前的扩展行为进行了数值分析,认为内压波动提供了裂纹扩展的驱动力,裂纹初始几何形状影响裂纹扩展的路径。Nordhagen,等[17]考虑了管道和CO2之间、管道和回填土之间的相互作用,将裂纹特征和管道几何形状传递给流体动力学模型,得到沿管道轴向的压力场,进一步将压力场传递给结构模型,利用元素删除法对裂纹扩展进行模拟,得到的模拟结果与实验结果具有很强的一致性。Gurben,等[18]采用计算流体动力学方法结合有限元软件耦合管道的裂纹扩展和气体减压模型,评估了拟建Northern Lights全尺寸CO2管道的延性断裂行为。Talemi,等[19-21]建立了一种用于管道流出和裂纹扩展的耦合建模方法,将模型与全尺寸实验对比,结果表明该耦合方法可以用于预测管道在高压下的断裂行为。Du,等[22]利用LS/DYNA软件采用流体-结构-裂缝耦合的方法,获得了裂纹扩展过程中爆震波与管道的相互作用、不同初始裂纹长度管道的动态断裂过程、爆轰产物的排放特征以及管外压力分布。

随着CTOA(裂纹尖端张开角)断裂准则的提出,在裂纹扩展中采用CTOA断裂准则得到了学者的广泛认可,Shibanuma,等[23]进行了爆破实验并测量CTOA,开展了一系列有限元分析,描述了从裂纹扩展模拟中提取CTOA的方法,认为CTOA在裂纹扩展过程中仅取决于管道直径,基本不受裂纹尖端后压力分布、裂纹速度、内部压力、钢管强度等级和径厚比的影响,将CTOA作为管道断裂准则是具有一定适用性的。曹宇光,等[24]提出一种考虑裂尖位置实时预测的迭代加载法,可以很好地模拟管道的动态裂纹扩展,得到的结果与Shibanuma相似:管道的临界CTOA几乎与施加的初始压力、气体减压、裂纹扩展过程中的裂纹速度、管道厚度无关。Bassindale,等[25-28]利用粘结区模型,采用CTOA作为断裂准则建立了管道为壳单元的有限元模型,考虑了管周土压力的变化,利用SPH法对土体的回填效果进行了模拟,研究回填和保温层对管道裂纹扩展的影响,发现回填管道比未回填管道裂纹传播速度慢约1/3,保温层的存在降低了裂纹扩展的速度。Amara,等[29]基于CTOA断裂准则,采用节点力释放技术,利用ABAQUS用户子程序URDFIL和MPC建立了内压下管道裂纹扩展模型,提出了基于CTOA的断裂阻力曲线,可以成功预测止裂压力、裂纹扩展的速度和长度。Xue,等[30]考虑了各向异性的材料行为,将压力加载函数进行参数化,对减压行为下的开裂管道进行了研究,结果表明,与各向同性材料相比,裂纹尖端张开角不仅表现出强烈的管道直径大小依赖性,而且与材料的各向异性密切相关。

为了更好地模拟实际管道在发生裂纹扩展后的管内压力变化,Botros,等[31]利用ABAQUS开发了一个粘结区有限元模型,并结合Fluent建立计算流体动力学模型,同时考虑了裂纹尖端附近的减压行为。Oikonomidis,等[32,33]对裂纹尖端后采用线性减压模型,对裂纹尖端前采用指数型气体减压模型,正确预测了裂纹起始压力、裂纹速度和裂纹止裂长度。甄莹,等[34]考虑了纳入尖端位置实时预测的迭代加载法,近似实现了气体减压、管道变形与裂纹扩展的多场耦合,认为二维指数型气体减压模型比三维指数型气体减压模型更能真实反映气体减压。贺云婷[35]利用ABAQUS软件,建立全耦合的管道裂纹动态扩展及止裂数值模拟技术,将管内气体建立为实体单元,气体单元与管道内壁施加固定耦合,通过预制裂纹,模拟得到管道裂纹扩展速度及气体减压波速度。

对于不同相态、埋地环境及含杂情况的CO2管道,Mahgerefteh,等[36,37]建立了气相和密相CO2管道脆性断裂的流固耦合模型,研究表明,气相CO2比密相CO2管道更容易发生脆性断裂,由于土壤对管道的二次冷却作用,埋地CO2管道比地上管道更容易发生脆性断裂,壁厚增加会增强管道抵抗脆性断裂的能力,杂质的存在并不会影响CO2管道承受脆性破坏的能力。Keim,等[38,39]考虑了裂纹扩展和气体减压期间的流体-结构相互作用,采用耦合欧拉-拉格朗日的方法建模,利用三维欧拉方程计算气体减压,采用GERG-2008状态方程描述富CO2混合物天然气的物性,考虑了土壤回填对管道变形的影响,认为土壤的回填对管道裂纹扩展有决定性影响。Aursand,等[40,41]提出一种用于评估连续韧性断裂的全耦合流体结构模型,结果表明,CO2管道比输气管道更容易发生延性断裂,完全耦合模型预测的管道阈值厚度是非耦合模型的2倍多。Martynov,等人[42]利用均相流模型模拟了气体的减压过程,分析了杂质对输送密相CO2管道裂纹扩展的影响,结果表明,杂质的存在增加了管道的止裂难度,可选用高钢级管道来阻止裂纹扩展。

3 裂纹扩展控制技术研究

为有效地对出现裂纹扩展的管道进行止裂,张希悉,等[43]从理论研究和工程设计与应用两方面总结了天然气管道止裂技术的国内外研究现状,对管道设计的相关公式和外部止裂方法的设计原理进行了全面分析。陈兵,等[44]从管道断裂机理和止裂控制两方面分析了相态、管材及杂质对CO2管道断裂扩展规律的影响,并总结了不同止裂技术的原理,以及不同止裂结构的止裂效果。这些综述对了解目前管道的止裂技术具有很强的指导作用。总体来说,针对管道的止裂技术主要有改变管道的设计、提高管材的韧性和外部止裂等。

在管道设计和管材韧性选择上,陈福来,等[7]介绍了管道止裂的方法,主要有插入高韧性、壁厚加厚、轧制方向不同的管段,加机械止裂环,加配重以改变断裂方向等方法,总结了止裂的韧性指标,提出采用裂纹尖端张开角作为止裂判据是效果较好的。徐源[45]提出在设计过程中无法满足止裂韧性要求的管道,可以采用适当增加壁厚的措施来提高其止裂能力。李红克,等[46]介绍了Battelle双曲线模型和能量平衡模型2种预测管道止裂的方法,经统计分析针对性地提出一种预测模型,并探讨了这几种模型的适用范围。

在外部止裂设计上,张克政,等[47]设计了一种双金属复合管全尺寸止裂实验,并测量了裂纹扩展速度和减压波速度,可用于管道止裂性能测试。张晓燕[48]研究了玻璃纤维复合材料止裂器对含表面裂纹的高钢级管道的止裂效果,利用有限元软件ANSYS建立了含轴向表面和环向表面的X100高钢级管道模型,得出应根据不同的裂纹尺寸选择合适的复合材料止裂结构。任科[49]结合钢套式止裂器和碳纤维止裂器的优点,设计了一种适用于超临界CO2管道的止裂器(图3)。

图3 超临界CO2管道止裂器示意[49]

张俊男,等[50]利用管道全尺寸爆破实验研究止裂器的止裂效果,提出可适当加宽加厚止裂器并优化止裂器安装位置来提高止裂效果。喻建良,等[51]利用有限元软件ANSYS对套管止裂方法进行了分析,通过止裂系数来衡量套管的止裂效果,研究了止裂系数及极限载荷系数随套管位置、长度比、壁厚比、裂纹管径的变化特征,并在大量模拟的基础上,给出了止裂系数的拟合公式。Wang,等[52]利用ANSYS有限元软件对管道和止裂器的结构进行了模拟分析,通过测量的弹塑性断裂力学参数J积分和止裂系数K,总结了复合止裂器的影响规律,研究结果表明,当止裂器厚度和长度增加到一定程度时,止裂效果不再发生明显变化。Fonzo,等[53]利用CSM专有有限元代码对X120管道上几种止裂器进行了数值模拟,评估其阻止断裂的能力,得到的结果与全尺寸实验结果一致,说明该代码可以用于开发爆裂实验用止裂器的布局和设计。Abeele,等[54]介绍了一种由玻璃纤维增强环氧树脂制成的复合止裂器,并利用有限元模拟对止裂器进行了评估,认为单向玻璃纤维增强环氧树脂是制造复合止裂器最有前途的材料。Mazurkiewicz,等[55]对无缝热轧钢管的爆破压力进行了数值和实验评估,估算了复合管包裹管材的机械韧性,结果表明,相较于原缺陷管道,用环氧树脂玻璃纤维套管修复的管道具有更强的耐爆性能。Kong,等[56]用外包碳纤维增强聚合物复合材料来修复不同长度缺陷的管道,研究了缺陷尺寸和材料力学性能对钢管抗爆性能的影响。

4 结论

本文综述了国内外CO2管道裂纹扩展的实验研究和数值模拟研究,综合分析了裂纹扩展实验的实现方法及数值模型的建立方式,同时对裂纹止裂技术进行了介绍。综合看来,对管道裂纹扩展的实验研究较少尚不能形成完善的结论、针对管道裂纹扩展的数值模拟研究方法尚不完善、针对管道的止裂方法也尚未形成健全的标准和体系。因此,为了更好地实现双碳目标,推广CCUS技术在我国的全面发展,有必要在CO2输送管道裂纹扩展和控制方面投入更多的研究。

a) 已开展不同壁厚和含杂情况的密相CO2管道裂纹扩展实验,结果表明,相较于天然气管道,CO2管道具有更强的裂纹驱动力,减压平台更长,Battelle双曲线模型已不再适用于CO2管道,需开展大量实验对模型进行修正或提出新的适用模型,尤其应增加对不同相态CO2管道的裂纹扩展实验。

b) 管道的裂纹扩展涉及到管内气体的泄漏减压和管道裂纹尖端扩展的相互影响,是一个复杂的过程,目前,在裂纹扩展的数值模拟方法上,CTOA断裂准则和气体减压模型得到了广泛的应用,但是CO2管道在泄漏过程中极易出现相变,相变势必会影响减压过程,下一步研究应着重放在管内流体状态变化对裂纹扩展的影响,加强流固耦合研究,考虑管道-气体-裂纹的相互作用、管内介质随裂纹的动态变化,不断优化模型,得到适用于CO2管道的建模方法。

c) 含杂质CO2管道的裂纹扩展研究整体偏少,杂质的种类、含量对CO2裂纹扩展的影响尚未有较明确的模型来描述,对裂纹扩展的定量影响更是空白,应加强杂质对CO2管道裂纹扩展的影响研究。

d) 针对管道的止裂技术,多采用在设计阶段增加壁厚或增设止裂器的方法,整体增加管道壁厚成本较高,所以未来的研究重点应放在对止裂器的设计上,开发止裂性能表现优异的复合止裂结构,并逐步形成体系,对止裂结构的材料选择、结构优化、适用范围做出相应规定。与此同时,还应加强对管材缺陷的允许值及临界裂纹长度的研究,建立起有效的管道止裂准则。