孔口直径和初始状态对液态CO?管道泄漏过程中闪蒸、减压和冷却的影响

《International Journal of Thermal Sciences》：Effects of orifice diameter and initial state on flashing, depressurization and cooling during liquid CO 2 pipeline leakage

　　

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  研究了孔径尺寸和初始热力学条件对相变的影响。
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  通过可视化实验直接观测了泄漏CO₂的相变过程。
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  分析了极端降压条件下的深层亚稳态热力学状态。
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  考察了初始温度对过热度及气泡成核延迟的影响。

引言

随着碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的大规模部署，长距离CO₂管道输送已被广泛认可为工业应用中一种经济可行且具有可扩展性的方案[[1], [2], [3], [4]]。随着输送规模的增大，高压CO₂管道相关的安全问题日益凸显。意外泄漏和局部低温失效已成为亟待解决的重大问题[[5], [6], [7], [8]]。在腐蚀、机械冲击或制造缺陷的作用下，管壁可能出现表面裂纹和局部穿孔等结构损伤，导致高压流体泄漏[9]。管道断裂一般分为韧性断裂和脆性断裂[[10], [11], [12], [13]]。与韧性断裂相比，脆性断裂可能在更低压力下发生，且裂纹扩展速度可快数倍。一旦高压CO₂管道发生泄漏，管内流体将迅速排出，压力可能在数秒内急剧下降[[14], [15], [16]]。在典型的工业温度和压力条件下，CO₂具有正的焦耳-汤姆逊系数。泄漏初期液相的快速降压可能伴随显著的冷却效应。在泄漏孔口附近，焦耳-汤姆逊节流可能与膨胀、闪蒸及热传递共同作用；传感器动态特性也可能影响所测得的温度响应。本文未对其各自贡献进行单独分离[17,18]。快速降压可使液相CO₂进入亚稳态区域，随后可能发生可见的闪蒸。

闪蒸过程中的潜热吸收会导致管内流体急剧冷却。已有研究表明，严重冷却可能降低材料韧性并增加脆性断裂风险[[19], [20], [21]]。同时，相变引起的体积膨胀可补偿管内压力的下降，从而产生典型的压力回弹特征。因此，高压CO₂管道的安全评估不应仅依赖于初始压力和温度等稳态参数，还应考虑泄漏后的瞬态降压速率、闪蒸强度及相关低温风险。阐明这些瞬态过程之间的相互作用对于泄漏后果预测和低温失效评估至关重要，也为高压CO₂管道安全准则和预测模型的开发提供了依据[[22], [23], [24]]。

在影响瞬态泄漏行为的诸多因素中，泄漏孔径是一个决定有效流通面积、排放能力和降压时间尺度的关键变量。表1总结了孔径对排放行为影响的主要研究。对于单组分可压缩流体通过孔口的流动，排放系数和临界流动条件的经验关联式已较为成熟，质量流量可被较为准确地预测。然而，这些经典理论主要基于准稳态边界条件和本地热力学平衡假设，孔径通常仅被视为几何参数。当高压液态CO₂从管道中泄漏时，流体可迅速越过饱和边界并经历剧烈的闪蒸过程。由此产生的两相流使得传统的单相孔口流动理论难以直接适用。

孔径的影响不应仅从经验层面进行评价，即不能简单地认为孔径越大，压力和温度的下降就越严重。相反，需要进一步阐明孔径如何调控相变演化的机理。已有研究表明，当液体经历快速减压并越过饱和边界时，汽化并非瞬时发生，液体首先进入亚稳态，随后由气泡成核与生长触发剧烈的闪蒸。近期关于闪蒸初期的研究进一步证实，孔径和初始热力学状态可显著改变这一相变路径[[38], [39], [40], [41]]。然而，目前对这一机理的理解主要来源于水或传统工质体系，尚未系统地推广到高压液态CO₂泄漏场景中。

我们此前的液态CO₂研究[36]采用固定1 mm孔径，聚焦于相变阶段和轴向效应；而文献[37]则在约10–12 MPa和37–47 °C条件下，使用1–3 mm孔径研究了超临界CO₂。相比之下，本研究的独立实验方案针对7.0–10.8 MPa和15–25 °C下完全充满液体的CO₂，利用同步采集的压力、温度、质量、P-T路径、过热度及光学分析等方法量化了孔径效应。本研究未复用文献[36,37]中的任何原始或处理后的数据。

对于高压液态CO₂小孔径泄漏，仍有若干问题亟待解决。特别是在单一实验框架内，孔径、降压速率、P-T路径偏离、光学分辨的相变演化以及瞬态流体冷却之间的关联仍缺乏充分的量化研究。

为填补上述空白，本研究在完全充满液体的水平高压CO₂管道中进行了小孔径泄漏实验。采用直径分别为1、2和3 mm的圆形孔口，并考虑了多种初始压力和温度条件。记录了管内瞬态压力和温度数据，以及流体的可视化相变过程。基于实验结果，系统分析了孔径对管内降压速率、压力拐点、P-T轨迹偏离、最大过热度及气液演化模式的影响。在此基础上，进一步讨论了初始压力、初始温度和孔径对泄漏行为和瞬态响应的综合影响。本研究量化了孔径、降压、实测过热度、可见相变演化及管内流体冷却之间的关联，为泄漏后果评估和瞬态冷却危害评估提供了实验数据。

章节摘要

实验装置

本研究使用的实验装置与先前的工作[36,37]一致，因此此处仅简要描述。图1展示了可视化高压管道泄漏系统的示意图。该系统主要由测试管道、CO₂供给系统和数据采集系统组成。测试管道是装置的核心部件，由304不锈钢制成。该材料对大多数液化

孔径的影响

为阐明孔径对液态CO₂瞬态释放响应的影响，本节在相同的初始条件（10.8 MPa和16 °C）下，对比了通过1、2和3 mm孔口的泄漏过程。结果表明，孔径越大，排放能力越强，压力衰减越快，P-T路径偏离饱和边界越显著，可见闪蒸越剧烈，管内流体温度降幅越大。在小孔径条件下，

结论

本研究实验性地调查了完全充满液体的水平管道中高压液态CO₂的小孔径泄漏。通过同步压力与温度测量结合高速可视化技术，系统考察了孔径和初始热力学条件对减压演化、P-T轨迹偏离及相变动力学的影响。结果表明，宏观

作者贡献声明

潘旭海：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，经费获取。严中军：写作——初稿撰写，方法学，调查研究，形式化分析，概念设计。姜天杰：调查研究。王喜林：调查研究。王辰燕：调查研究。华敏：写作——审阅与编辑，监督。

生成式AI及AI辅助技术声明

在撰写本文过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）辅助完成语言翻译、结构组织和语言润色工作。使用上述工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对所发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

潘旭海|严中军|姜天杰|王喜林|王辰燕|华敏