在工业规模的二氧化碳封存与利用（CCUS）管道中，二氧化碳泄漏时产生的减压波驱动的多平台压力响应及其空间差异表现

《Process Safety and Environmental Protection》：Decompression-wave-driven multi-plateau pressure response and spatial differentiation during CO? leakage in industrial-scale CCUS pipelines

　　摘要
为了研究工业规模碳捕获、利用与封存（CCUS）管道中局部故障引起的二氧化碳泄漏现象，研究人员使用了一条长度为203.2米、内直径为323毫米的循环管道进行了实验。通过瞬时破坏破裂盘来模拟局部故障，然后对密集相和气态二氧化碳进行了对比释放测试，以表征压力梯度驱动的管道内响应和外部扩散行为。结果表明，在泄漏发生后的前750毫秒内，密集相二氧化碳表现出分阶段的压力下降，伴随着三个明显的压力平台。对压力-温度轨迹的分析表明，这些压力平台分别对应于高密度单相状态、液相主导的气液两相状态和气相主导的气液两相状态。在减压波传播、质量传输和相变的综合效应下，释放口附近出现了两个压力平台，在中间部分出现了三个完整的压力平台，而在远端仅观察到一个压力平台，显示出明显的轴向空间差异。对于气态二氧化碳，在初始减压阶段仅出现了短暂的压力平台，之后压力持续下降。两种条件下都表现出明显的两阶段温度下降。在泄漏初期，快速膨胀和焦耳-汤姆逊效应导致释放口附近温度急剧下降。低温区域沿着管道传播，而密集相等态还伴随着与相变相关的显著潜热交换。在外部场中，密集相二氧化碳泄漏产生了明显的近地面羽流，水平扩散距离超过70米，最大测量浓度为1.46％。相比之下，气态二氧化碳主要形成了垂直上升的柱状射流。

引言
在全球应对气候变化的共识以及《巴黎协定》中对碳中和的承诺背景下，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术已成为减少工业部门碳排放强度和促进化石燃料清洁高效利用的关键途径。它被广泛认为是一项应对全球气候变化的关键 enabling 技术（Li等人，2025年）。管道运输作为连接整个CCUS价值链中碳捕获与封存/利用的关键环节，由于其高运输能力、低能耗强度（Vitali等人，2022年）和显著的综合成本优势（Caravaggio等人，2019年），已成为大规模二氧化碳运输的主要方法。其运行安全不仅直接决定了CCUS项目的稳定运行和可持续发展，还影响周边地区的生态和环境质量（Aursand等人，2016年）以及人类生命和财产的安全（Kruse和Tekiela，1996年）。因此，确保二氧化碳管道注入过程中的运行安全，明确其潜在的灾害机制和次生灾害后果，对于推进CCUS技术的工业规模应用至关重要。
CCUS管道泄漏的灾难性影响可以分为两个维度：内部场危害主要表现为管道本身的结构损坏；而外部场危害涉及由二氧化碳泄漏引起的衍生风险，如图1所示。泄漏后，高压二氧化碳的快速减压会产生减压波和严重的压力波动，对管道结构施加巨大的瞬态动态载荷。这些压力扰动可能加速已有裂纹的快速扩展，从而导致结构故障，如管道破裂（Molag和Dam，2011年；Mohammed等人，2025年；Iribarren等人，2013年）。同时，二氧化碳膨胀和相变引起的显著冷却会产生局部低温载荷，增加低温脆化和局部材料损坏的风险（Xiong等人，2024年）。此外，二氧化碳由于其扩散性和密度大于空气，容易在地面附近积聚，导致局部浓度峰值。这会对附近人员构成窒息风险，并可能对区域生态系统产生不利影响（Duncan和Wang，2014年）。这些危害对CCUS技术的大规模部署构成了重大挑战。关于二氧化碳泄漏的灾害造成和扩散特性的现有研究，Wang等人（2025年）基于实验数据引入了一个基于PSO-BP神经网络的预测模型，用于确定二氧化碳窒息区和危险距离；Wareing等人（2013年）通过COOLTRANS项目对地面高压管道中的密集相和气相二氧化碳进行了垂直排放测试，并基于测试数据开发了一个数学模型，以准确预测此类泄漏的近场扩散结构；（Kim等人，2024年）采用神经网络方法建立了一个全面的管道安全监测系统。在实验方面，Hu等人（2025年）独立设计了一个大规模二氧化碳管道泄漏和扩散实验装置。在不同初始条件下获得的远场二氧化碳浓度扩散区和温度分布规律为二氧化碳管道设计中的安全距离确定提供了数据支持。Xie等人（2014年）使用自己建造的23米长、内直径30毫米的循环管道对超临界二氧化碳的小孔泄漏特性进行了定量分析，观察到泄漏过程中典型的高度欠膨胀射流结构。Teng等人（2018年、2021年）分析了不同泄漏孔径形状的多相射流参数，并提出了一个近场射流闪蒸模型。Guo等人（2016a）从不同泄漏孔径的角度系统研究了超临界二氧化碳泄漏。测试获得了可见二氧化碳云的产生和演变特性、云区内的温度场分布以及二氧化碳迁移和扩散的定量数据。通过全过程照片和视频记录，他们还实现了远场二氧化碳浓度分布的精细分析，为超临界二氧化碳泄漏和扩散的多尺度特性提供了关键数据支持。尽管已经识别出一些重要现象，但考虑到二氧化碳射流的相变和扩散特性，关于不同相态下二氧化碳释放的大规模现场实验仍然不足。
为了解决关于二氧化碳管道现场故障特性的关键科学问题，许多学者进行了系统和全面的研究，集中在管道温度和压力的动态演变及其引发的故障特征上。（Lu等人，2024年）提出了一种含杂质的一维二氧化碳管道的瞬态流动模型，能够在缓慢瞬态过程中沿管道进行水力计算。（Lu等人，2024年）开发了一维模型来预测二氧化碳管道破裂过程中的压力衰减行为。然而，数值模拟的可靠性仍需通过实验数据加以验证。Ahmad等人（2013年、2015年）分别研究了高压二氧化碳排放和大规模管道破裂现象，发现二氧化碳的减压波特性与天然气明显不同。在COSHER联合工业项目中，使用了一条长度为226.6米、直径为219.1毫米的实验管道，破裂发生后4.5秒内压力降至约4.07兆帕，管道内的最低温度记录为-78摄氏度。Chen等人（2024年）随后使用一条长度为258米、内直径为233毫米的工业规模管道进行了三次全直径破裂测试，报告了初始减压波速度约为270米/秒，特征压力平台为6.8-7.3兆帕，对应的波速约为100-220米/秒。使用相同的工业规模实验设施，Guo等人（2016b）研究了不同释放直径下的压力响应和相变行为，而Cao等人（2024年）进一步研究了含有N2杂质的密集相二氧化碳的释放特性。总体而言，现有的全尺度实验系统地揭示了二氧化碳快速减压的典型特征，包括压力衰减、减压波传播、压力平台和相变。然而，这些响应沿长距离管道的空间演变仍不够清楚。特别是不同轴向位置多个压力平台的形成和演变，以及它们与减压波传播和相变的内在关系，尚未完全阐明。尽管广泛的研究证实超临界状态是二氧化碳管道运输的最佳相态（Chen等人，2025年），但在长距离工业运输过程中维持所需的温度控制以维持这一状态仍然是一个核心技术挑战。由此产生的额外能耗和设备投资成本进一步限制了超临界二氧化碳运输技术的工程应用（Jia等人，2025年）。因此，高压密集相二氧化碳运输在实际工业场景中更具可行性（Patchigolla和Oakey，2013年）。同时，重新利用现有的CH4管道进行气态二氧化碳运输已成为行业内正在探索的关键技术途径。这种方法通过大幅降低新管道的初始投资成本并有效利用现有基础设施资源，具有显著优势。然而，许多研究表明（Zhang等人，2023年），相差异直接改变了二氧化碳泄漏期间管道压力和温度的动态响应模式，同时也影响了可见泄漏羽流的扩散范围和二氧化碳浓度的空间分布特性。因此，澄清不同相态下二氧化碳管道的灾害后果是建立安全高效二氧化碳管道运输系统的关键前提。
为了解决上述研究空白，本研究采用了一条自制的工业规模循环二氧化碳管道，长度为203.2米，内直径为323毫米，在密集相和气态条件下进行了释放实验。在管道上分布了多个压力和温度传感器，以捕捉快速减压过程中的压力、温度和减压波传播的时空演变，特别关注不同初始相态下的压力衰减行为和压力平台响应。对于密集相二氧化碳减压过程中观察到的多个压力平台，进一步研究了它们在不同轴向位置的形成、持续性和消失，以表征其空间差异，并探索其与减压波传播和相变的关系。此外，还使用了高速成像和二氧化碳浓度测量来表征不同初始相态下的外部射流形态和浓度演变。结果提供了实验证据，有助于理解长距离工业规模二氧化碳管道中的快速减压响应，并验证相关预测模型。

实验平台设置
为本研究项目建造的工业级全尺度二氧化碳测试管道由X65钢焊接成连续循环形状，所有接头处都装有法兰。管道总长度为203.2米，内直径为323毫米，壁厚为14.6毫米。除了泄漏检测端口外，整个管道埋设在地下1.5米处。实验平台包括四个主要组成部分：内部场传感器、外部场传感器、数据采集系统等。

在9兆帕运行条件下的压力响应特性
图5展示了初始压力为9兆帕时管道内压力的变化情况。如图5(a)所示，整个测试过程中的压力衰减大致可以分为两个阶段：由减压波主导的快速压力下降阶段和在稳定气相条件下的缓慢衰减阶段。在第一阶段，管道内的液体沸腾并膨胀，伴随剧烈的相变，导致介质迅速排放。

结论
基于一条独立构建的工业规模圆形X65钢管道实验平台，长度为203.2米，内直径为323毫米，本研究系统地进行了两种典型工作条件下的二氧化碳泄漏测试：密集相（9兆帕，8.3摄氏度）和气相（4兆帕，12.2摄氏度）。通过内部场温度-压力传感器的协同表征、外部场浓度监测和高速摄像技术，内部场...

作者贡献声明
Tao Wang：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草稿、验证、软件、方法论、调查。
Ran Sun：撰写-原始草稿、资源准备。
Shiqi Ge：资源准备。
Kaiyuan Zhao：资源准备。
Jinxiang Xie：资源准备。
Zhenyi Liu：监督、资源准备、项目管理。
Mingzhi Li：监督。
Qiqi Liu：监督、资源准备、调查。
Chuang Liu：监督。

利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
Qiqi Liu的报告由北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室提供。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢
我们感谢所有参与该项目的参与者。本工作得到了国家自然科学基金（12172053）和CPSF博士后奖学金计划（资助编号GZC20250001）的支持。

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