摘要：随着全球对CO2减排的日益重视，CO2管道运输已成为关键环节。文章深入探讨了国外CO2管道设计与建设的技术体系。在管材选择方面，分析了其对组分控制和止裂性能的高要求。对于输送相态，研究着重于流动保障分析，以确保高效且稳定的输送过程。在放空设计中，超临界CO2管道的放空过程具有特殊性，对管道的安全运行至关重要。在泄漏检测方面，介绍了检测方法、原理及注意事项。此外，还介绍了焊接检测、试压与干燥环节，并概述了国外CO2管道的验收要求及控制指标。通过对国外CO2管道设计与建设技术体系的全面研究，为相关技术的发展提供了重要的参考与借鉴，对推动CO2管道运输的发展具有重要意义。
关键词：国外CO2管道,技术体系,组分控制,安全风险
0引言
自20世纪70年代早期，提高原油采收率工业中就已经开始使用管道输送纯CO2。1972年，Canyon Reef Carriers(CRC)公司建成第一条CO2管道并投产，以便将天然CO2输送到美国德克萨斯州SACROC油田。现存最长的CO2管道为808 km的Cortez管道(API 5LX-65碳钢，NPS 30(外径762 mm))，从科罗拉多州Cortez输送天然CO2到德克萨斯州丹佛市，输送能力为20 Mt/a。
目前管道进行长距离、大规模的CO2运输在国外已经获得应用，且国外正在积极进行CCS技术的研发及相应工程项目的建设，CO2管道的总长度及总运输量迅速增长。世界上约有8 000 km的CO2管道，其中大部分CO2输送管道位于美国，其余分布于加拿大、挪威和土耳其［1］。由于超临界输送和密相输送具有较好的经济优势，CO2运行管理经验较为丰富，因此均采用超临界或密相输送方式。
美国境内CO2管道可划分5大部分，包括二叠纪盆地管网、海湾沿岸管网、落基山脉管网、中部大陆架管网和其他管网，如表1所示。
本文从设计、建设2个方面进行国外CO2管道工程技术体系研究，设计技术体系包括组分控制、流动保障分析、放空设计、泄漏检测等；建设技术体系包括焊接检测、试压干燥、止裂安装等。评估影响CO2管道的输送的因素，总结国外CO2管道输送特点与技术现状，整体分析国外CO2输送管道工程技术体系，为国内CO2管道发展提供指导。
1国外CO2管道设计技术体系
1.1组分控制
在美国，CO2管道属于运输部49-CFR 195法规的范畴，被认为是危险液体管道，适用于ANSI/ASME B31.4管道规范［2］；对加拿大，适用于加拿大标准协会标准CSA Z662。美国运输部49-CFR 195法规对材料兼容性、管道完整性、监测、事故报告等问题提出了要求［1］。
美国Kinder Morgan公司对管道输送的CO2气质的要求，如表2所示。
对于管道输送系统来说，没有国际公认的CO2杂质限制要求。流体组分要求主要取决于设计阶段进行的评估，包括流量保证、管道完整性和安全性，以及最终用户/目的地对CO2纯度的要求。以Quest项目的CO2管道为例［3］，该项目2015—2020年Quest项目CO2流体的组分控制，如表3所示。
1.2流动保障分析
广义上的流动保障是指为保证流体从源头到输送地点的流动而必须采取的措施。为了确保在CO2流动的过程中，管道的任何地方不会发生腐蚀、水合物形成和/或相变，需要对管道的流体组分、温度、压力和流量进行计算/建模。
与任何其他流经管道的流体一样，CO2的压力和温度也会持续变化。超临界状态下的CO2压力主要取决于3个因素：(1)海拔变化而产生的有效压力增益；(2)损失、沿程摩阻、影响总压力损失；(3)增益的动力学效应。
环境温度和通过管壁与环境的热交换选择正确的数值是非常重要的，因为压力和温度都受其影响。
关于不同的流动方程在用于CO2单相输送的一维流体流动时的适用性的研究有限。有研究表明AGA方程对CO2有很好的结果，因为它也包括流体的可压缩性。至少要考虑流体的关键属性(压缩系数、密度、温度、海拔和摩擦系数)。
在设计阶段，应尽可能避免两相流的发生。这是由于传输效率降低和与其相关的一些问题，如段塞。当需要考虑两相流动时，推荐使用带有Moody摩擦因子的Beggs和Brill方程［4］。
1.3放空设计
在实际生产中，当输气管道进行计划放空或事故泄压时，可以通过放空系统使管道压力尽快泄放至安全范围内，以防止事故的蔓延、扩大，并为抢修赢得时间。与天然气管道相比，超临界CO2管道放空过程存在特殊性以及一定的安全隐患。超临界CO2的放空不仅要考虑CO2释放到环境中后产生的高浓度窒息风险以及噪声危害，而且还要考虑对管道完整性的影响。从管道完整性的角度来说，CO2和天然气不同，CO2的临界点温度(31.1℃)和三相点温度(-56.0℃)较高，降压时易引起相变，若降压过快，CO2到达三相点后会导致干冰的形成以及流动阻塞，而且使钢管变得易碎。
因此，放空设施必须专门为CO2设计，并考虑到向大气排放时从密相液体到气体的相变。据调研，国外CO2站场的放空系统设计基本采用就地放空或放空立管的方式［5］。
1.4泄漏检测
长输管道中的超临界CO2流体一旦发生泄漏并扩散到周围环境中，将会造成极大的经济损失并对生命体构成潜在的危害。CO2的泄漏监测可采用SCADA系统。SCADA系统或为泄漏检测系统(LDS)提供支持，或LDS独立运行，LDS依赖于现场仪器的数据。
Snohvit和Weyburn管道都有自开发的泄漏检测系统，这些系统使用实时瞬态建模。实时瞬态建模涉及管道的实时建模/计算机模拟，它通过将一段管道的测量数据与预测模型条件进行比较，预测泄漏的大小和位置。
为了检测泄漏的存在，遵循以下3个过程：
(1)根据管段入口处的测量值计算压力流量分布；
(2)根据管段出口处的测量值计算压力流量分布；
(3)两个剖面图是重叠的，在两个剖面图相交的地方(并且超过设定的公差)就有一个漏点。
在实际运用时，可对模型进行调整，以区分仪器误差、正常瞬变和泄漏。Weyburn管道上使用的系统使用管道两端两个科里奥利质量流量计的输入。模型中使用了12个中间阀站的压力和温度测量值，以自适应的方式调整管道沿线的传热条件。检测潜在泄漏位置在3 km范围内。该系统由位于休斯敦的Advantica公司开发和安装。它使用实时瞬态建模来检测泄漏。而Snohvit管道则使用Kongsberg公司提供的系统［6］，如表4所示。
2国外CO2管道建设技术体系
2.1焊接检测
国外CO2管道焊接检验借鉴常规油气管道，如表5所示，Quest项目对焊缝的焊接检测要求：焊管的焊缝应使用超声波角度声束横波法进行检查，该方法符合ISO 9764对HFW管(使用450+/-30探头进行纵向缺陷检测)和ISO 9765对于SAW管(纵向和横向缺陷检测)，整个厚度的全长(100%)。
验收级别：ISO 9764 L2和ISO 9765 L2。
检查程序(包括使用ToFD)只能在委托人接受的情况下使用。先进的超声技术(例如，相控阵，EMAT)只有在批准的具体资格认证计划的基础上才能允许使用［7］。
2.2试压干燥
CO2管道试压方法与常规油气管道无异。水压试验成功后，需要对管道进行脱水干燥。对于CO2管道来说，由于湿CO2的腐蚀作用(以及水合物形成的潜在问题)，其干燥比天然气管道更重要。
经调研国内外标准及工程经验，初步确定国外CO2管道干燥水含量控制指标为-48～-30℃。国外CO2管道干燥方法采用干空气/N2/真空干燥，部分工程干燥方法，如表6所示。
2.3止裂安装
在止裂安装方面，国外超临界CO2管道项目早期未采用止裂器，但在1980年发生过严重的断裂事故后，CO2管道开始采用止裂器。同时，之前未安装止裂器的管道也开始加装止裂器，以Canyon Reef CO2管道为例，该管道在1989年进行了止裂器的加装，由于没有相关标准法规要求，该管道止裂器平均安装间距为5.8 km，其他CO2管道安装间距多在300～500 m之间。随着对裂纹扩散机理的研究，目前的CO2管道逐渐放弃安装止裂器的方式，更多的是通过材料自身止裂性能防止管道韧性断裂，如表7所示。
3结语
总结国外CO2管道输送特点与技术现状，根据设计、建设技术体系研究，对比国内CO2管道输送技术研究重要任务，有以下建议：
(1)与美国相比国内CO2输送管道发展相对缓慢，管输需求日益紧迫，亟需加快发展步伐。
(2)依托油气行业雄厚的技术基础力量和国内外合作交流平台，做好CO2管输技术的研究和人才培养与储备。
(3)充分吸收、借鉴国内管道行业发展的经验总结，制定好CO2管输行业的监管标准，确保科学有序安全发展。
参考文献：
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[4]SVENSSON R,ODENBERGER M,JOHNSSON F,et al.Transportation systems for CO2 application to carbon capture and storage[J].Energy conversion&management,2004,45(15-16):2343-2353.
[5]ZHANG Z X,WANG G X,MASSAROTTO P,et al.Optimization of pipeline transport for CO2 sequestration[J].Energy conversion&management,2006,47(6):702-715.
[6]张早校，冯霄.CO2输送过程的优化[J].西安交通大学学报，2005，39(3):274-277.
[7]KING G G,KING G G.Here are key design considerations for CO2 pipelines[J].Oil and gas journal,1982(80):39.
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