高压埋地二氧化碳管道泄漏引起的土壤低温效应实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental study on the low-temperature effect in soil induced by leaks in high-pressure buried CO2 pipelines

　　

# 摘要

高压CO2管道泄漏引发的低温脆性断裂风险是限制埋地CO2管道大规模长距离铺设的关键制约因素之一。本文基于埋地CO2管道泄漏工业级实验平台，研究了初始压力、名义泄漏孔径（dn）和泄漏方向对CO2射流扩散行为及土壤温度场演变的影响。结果表明，初始压力增大可增强泄漏射流的动能，从而扩大土壤中低温区的水平范围。土壤冷却效应一般随监测距离的增加呈现梯度衰减模式。土壤温度场的演变与名义泄漏孔径密切相关：随着名义孔径的增大，土壤最低温度呈现先降低后升高的趋势。泄漏方向影响CO2射流的扩散路径及低温区的空间分布模式。在135°泄漏角度下，土壤温度下降最快，达到最低温度，而在0°泄漏角度下形成最大体积的冻土球。此外，表征土壤冷却强度的经验土壤冷却指数（Cs）的峰值随名义泄漏孔径的变化呈现阶段性变化趋势。总之，初始压力、名义泄漏孔径和泄漏方向均为埋地CO2管道泄漏过程及温度效应的显著影响因素。本研究的发现为埋地CO2管道泄漏的低温风险评估和应急响应计划的制定提供了实验参考数据。

# 引言

化石燃料的大规模燃烧加剧了温室效应和气候风险（Ding等，2023；Iturbide等，2022；Schuur等，2015）。2021年，全球大气CO2浓度达到419.05 ppm，远超350 ppm的安全阈值（Zhang等，2024a）。因此，碳捕集、利用与封存（CCUS）被广泛认为是实现深度减排的关键技术途径（Al Baroudi等，2021；Proa?o等，2020；Zheng等，2022）。随着CCUS部署规模的不断扩大，长距离CO2运输需求持续增长；预计到2050年，全球CO2管道总长度将达到95,000-550,000 km（Vitali等，2022）。然而，高压CO2管道一旦泄漏，CO2在降压过程中的相变可导致管壁温度骤降（Gu等，2019；Wang等，2019），显著增加了低温脆性断裂的风险（Wang等，2026；Zhang等，2025）。同时，CO2在低洼地区积聚增加了局部缺氧和窒息的风险（Aursand等，2016；Cao等，2024）。因此，准确表征管道泄漏后的CO2射流扩散行为和土壤温度场演变，对于开展后果评估和管道完整性分析至关重要。

现有研究主要关注CO2泄漏降压过程中的相变行为。Ahmad等（2013）初步发现泄漏孔径增大可加速管道内部降压过程并提高质量流量。在此基础上，Xie等（2014）发现超临界CO2射流表现出欠膨胀特性，并指出该特性随泄漏孔径增大而减弱。Teng等（2016a）建立了多相节流温降的预测模型，并将其与管道破裂的压降特性结合进行了扩展分析（Teng等，2016b），为后续的机理研究奠定了理论基础。Guo等（2016）基于工业级实验揭示了超临界CO2泄漏射流的欠膨胀结构和扩散行为；同时，Mahgerefteh等（2016）从安全角度指出，埋地CO2管道泄漏引发的低温脆性断裂风险显著高于气体管道泄漏。研究关注点随后转向微观演化机理。在其先前预测模型的基础上，Teng等（2018a、2018b）系统阐述了泄漏孔径影响射流欠膨胀结构的机理，以及固态CO2颗粒的演化和粒径分布。Guo等（2018）通过工业级实验，对CO2在不同相态下的泄漏扩散特性和管壁温度分布提供了补充见解。Mocellin等（2019）明确指出管道尺寸、泄漏孔径大小和初始相态共同决定了释放动力学和固态CO2的产量。上述研究从多个尺度加深了对高压CO2泄漏源行为和射流扩散机理的理解。

在泄漏后果评估和管道完整性研究领域，现有研究主要关注CO2释放、压力波传播和裂纹扩展行为。Wareing等（2015）验证了埋地密相CO2管道破裂的近场扩散模型，但未涉及工业级射流行为或土壤的低温响应。Zhou等（2016）开发了压降模型，指出裂纹位置处的温度骤降和流速突升对管道完整性构成威胁。Guo等（2021）基于全尺寸断裂实验揭示，超临界CO2对应的初始压降波速度相对较低，但裂纹扩展风险较高，并建立了压降动力学与管道完整性之间的关联。Hu等（2026）基于22米长的高压CO2管道泄漏测试平台进一步发现，泄漏孔径增大加剧了管道内部的温降，而初始压力增大扩大了横截面的温差，从而引发管道材料的韧脆转变，危及管道运行安全。总体而言，现有研究对工业级埋地管道条件下射流扩散行为和土壤温度场演变的关注仍然不足。

高压CO2泄漏研究已从宏观扩散扩展到近场相变、射流演化和土壤渗透。在射流动力学和相变方面，Shang等（2025a）发现CO2泄漏产生的射流高度欠膨胀，初始压力和泄漏孔径影响射流的内部能量和动能，从而决定射流速度和动量。Pan等（2025）将泄漏过程分为六个相变阶段，指出初始温度增大可降低降压率和温降幅度。在泄漏后果和近场射流结构方面，Wang等（2025）基于全尺寸断裂实验建立了危险距离预测模型；Liu等（2026）进一步量化了泄漏孔径和初始压力对射流膨胀角和收缩角的影响。在泄漏后的温度场响应方面，Wang等（2024）通过分析CO2泄漏的近场温度和射流结构，阐明了液相闪蒸主导的冷却效应及泄漏孔径在增强冷却过程中的作用。Li等（2019）基于小尺度实验引入努塞尔数来表征传热强度，发现初始压力和质量流量对射流传热有显著影响。Tian等（2021）指出液态CO2的冷却效应更强，初始温度和泄漏孔径大小影响释放过程。Hammer等（2022）对比了孔口泄漏和喷嘴泄漏的降压特性，揭示了两者在压力平台和流量方面的差异。在此基础上，Liu等（2023）基于埋地管道泄漏的小尺度实验发现，泄漏后土壤中的射流扩散模式呈漏斗状。Yu等（2024）关注干冰颗粒体积与泄漏方向之间的关系，提出了孔径效应的定量比值。Zhang等（2024b）强调现有模型通常忽略相变对土壤孔隙率的动态影响。在多介质中的射流扩散行为方面，Shang等（2025b）揭示了土壤孔隙率和渗透性对气体渗透扩散及危险区域范围的影响。Yang等（2026）进一步分析了泄漏孔径对土壤低温区以及稳态温度和压力场的影响。然而，Tan等（2026）指出，目前埋地管道泄漏实验大多局限于小尺度（管径<100 mm），缺乏对工业级条件、复杂地形以及低温影响范围的系统研究。此外，土壤条件和运行条件的差异也限制了现有研究结果的可比性。

现有研究在阐明高压CO2泄漏降压相变和射流扩散机理方面已取得显著进展；然而，埋地管道条件下射流与土壤之间的传热机理仍缺乏深入理解。在埋地泄漏场景中，射流的迁移和扩散受到土壤介质的约束，其演化模式与地面管道泄漏存在根本性差异。大多数现有结论来源于小尺度实验或单变量分析，工业级泄漏射流与土壤温度场之间的相互作用仍未得到充分研究。此外，现有研究通常分别考察射流形态演化和土壤温度场响应，两者之间的相互作用机理尚未得到充分阐明。

鉴于此，本文利用埋地CO2管道泄漏工业级实验平台，系统研究了初始压力、名义泄漏孔径和泄漏方向对射流扩散行为、土壤低温区演变及冻土球形态的影响。通过整合土壤温度响应特征，本文引入经验土壤冷却指数（Cs）来表征CO2射流与土壤介质之间冷却作用的强度。本研究旨在阐明名义泄漏孔径影响土壤温度场演变的机理，从而为埋地CO2管道泄漏的低温风险评估和管道完整性管理提供实验支撑。

# 实验平台简介

本文介绍了埋地管道CO2泄漏与扩散的工业级实验平台的构建（见图1），设计压力为25 MPa。该平台主要由主管道、CO2注入系统、加热保温系统、埋地管段、气动阀门、沙箱和数据采集系统组成。如图1(b)和(c)所示，沙箱由钢制框架和围板组成，旨在模拟……

# 不同初始压力下埋地CO2管道的泄漏特性

图6展示了四组实验中CO2射流形态的时间演变。在泄漏初期，射流呈现高速欠膨胀状态（Guo等，2016），具有高动能和长穿透距离。在中期阶段，随着管道内压降低，射流动能逐渐减小，上方覆土颗粒在重力作用下回落，射流受到土壤阻力偏转（Hu等，2025a）。在晚期……

# 结论

基于埋地CO2管道泄漏的工业级实验，本文对初始压力、泄漏孔径和泄漏方向对CO2射流扩散行为及土壤温度场演变的影响进行了对比分析，得出以下主要结论：

（1）初始压力是影响土壤低温区空间分布和CO2射流形态特征的关键因素。实验……

# CRediT作者贡献声明

杨文静：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，方法学，调研。
陈雷：撰写—审阅与编辑，指导。
霍俊亮：撰写—审阅与编辑，调研。
姜旭：撰写—审阅与编辑。
贾海东：撰写—审阅与编辑，调研。
赵小兵：撰写—审阅与编辑，软件，调研。

Kai Yang：撰写 – 审阅与编辑，调查研究。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
2026 年新疆维吾尔自治区自然科学基金项目：超临界 CO2 管道多尺度泄漏与降压过程中物理性质演变研究（编号：2026D01C073）。
Wenjing Yang|Kai Yang|Haidong Jia|Xiaobing Zhao|Lei Chen|Junliang Huo|Xu Jiang