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超临界CO2管道动态断裂及止裂韧性研究
| 论文题名： | 超临界CO2管道动态断裂及止裂韧性研究 |
| 关键词： | 超临界二氧化碳管道;动态断裂;裂纹扩展;止裂韧性 |
| 摘要： | 碳捕集、利用及封存技术（Carbon Capture, Utilization and Storage—CCUS）是目前唯一能够大规模减少电力与工业 CO2排放的有效手段，CO2运输是 CCUS 技术中连接CO2排放地与封存地的关键环节，采用管道输送超临界态CO2是目前国际上最常用的输送方式。然而，超临界CO2管道通常在高压下运行，一旦管道破裂，高压CO2可为管道断裂提供大量能量使裂纹扩展，加剧管道破坏程度，扩大泄漏事故影响范围。目前关于CO2管道动态断裂过程研究较少，没有明确的计算管道止裂韧性的方法，本文将对此进行深入研究。 按照动态断裂力学的观点，超临界CO2管道断裂研究应分为管道起裂、止裂、裂纹扩展以及脆性断裂等过程。 本文首先基于D-M模型建立超临界裂纹长度计算方法研究超临界CO2管道的起裂过程，分析了管道壁厚、断裂口初始压力以及管径对于临界裂纹扩展长度的影响，研究发现低强度钢在管道壁厚较大、管道压力较小时临界裂纹扩展长度比较大，不容易发生失稳扩展情况。 然后基于改进的巴特尔双曲线模型（Battelle two-curve method，BTC），建立超临界CO2泄漏减压过程的管道止裂韧性计算方法，分析管道泄漏减压波传递及裂纹扩展变化规律，确定超临界CO2管道韧性止裂所需的管道壁厚和最小夏比能。研究结果表明：超临界CO2管道的止裂压力最高可达临界压力，在该情况下，满足强度设计的最小管道壁厚一般不能达到管道止裂韧性要求，要满足管道韧性要求需要改善管道材料的韧性或者增加壁厚。 一旦发生失稳扩展，在管道停止扩展之前，会造成一定距离的管道开裂，限制裂纹扩展的长度可以有效减少因此产生的经济损失，在此之前首先要确定不同情况下管道的裂纹扩展长度。本文通过建立超临界CO2泄漏过程压力预测模型，并将其与裂纹扩展模型结合后建立非稳态裂纹扩展模型，通过离散积分得出裂纹扩展长度，研究分析管道的初始压力和初始温度、管道壁厚、管道长度和泄漏口大小对超临界CO2管道裂纹扩展长度的影响。 此外由于CO2相比其它气体具有更强的节流效应，CO2泄漏可能导致温度低于CO2管道材料韧脆转变温度，造成管道脆性断裂。因此，本文对超临界CO2管道的脆性断裂进行了分析，主要是计算含不同杂质CO2泄漏过程的最低温度，与管道材料的韧脆转变温度进行比较，发现超临界CO2管道有脆性断裂的风险，且如果CO2中混有较多的H2S，会增加管道脆性断裂的风险，当CO2中含有一定量的N2或O2可以阻止管道发生脆性断裂。 |
| 作者： | 张楠 |
| 专业： | 油气储运工程 |
| 导师： | 胡其会 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国石油大学(华东) |
| 学位年度： | 2021 |
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