CO2埋地管道泄漏区土壤形貌及温度场研究

喻健良，刘少荣，闫兴清，曹 琦，闫振汉,2

(1.大连理工大学化工学院，辽宁 大连 116024；2.吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林 132000)

碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Storage，简称CCS)是近年来降低二氧化碳(CO2)排放、缓解温室效应最有效的碳减排技术[1-2]。在该技术中，CO2一般通过埋地管道输运[3-4]。由于埋地管道不可避免地存在泄漏风险[5-6]，因此全面评价CO2埋地管道泄漏风险，是构建CO2管输安全技术的理论基础。

目前，管道泄漏研究主要集中于油气管道方面[7-9]，现有针对CO2埋地管道泄漏风险的研究也多集中在地上管道[10-12]，研究成果基本解释了地上管道CO2泄漏及扩散行为[13-14]。近些年部分研究人员开始关注CO2埋地管道。如Hyun等[15]通过CO2浅层埋地管道泄漏试验发现，CO2气体的水平扩散受土壤条件的影响更大；Yan等[16]通过小规模埋地泄道泄漏试验发现，在泄漏口附近会形成干冰球；林罡等[17]研究发现，CO2埋地管道周围形成了环状温度场，其内层温度低、外层温度较高；Chen等[18]的研究发现，CO2埋地管道泄漏至土壤区后，土壤的有机质含量会持续升高，且土壤的电导率、pH值、硝酸盐含量会持续下降；刘正刚等[19]研究发现，埋地管道气相CO2泄漏口附近形成干冰，且最低温度达到-80℃。

现有的针对CO2埋地管道的研究成果对泄漏口附近的低温、冻土、干冰球等现象有了初步了解，但还未形成规律性结论。基于此，本文开展了小规模CO2埋地管道泄漏试验，探讨泄漏口附近土壤形貌、管壁及土壤区温度分布，以为深入研究CO2埋地管道泄漏风险提供参考。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本试验装置主要由绝热气瓶、缓冲罐、主管道、气动泄放、埋地管道、土壤箱、加热保温系统、数据采集系统组成。其中，缓冲罐容积为10 L；主管道为DN25，全长10 m，管段之间采用螺纹连接；为了控制管内温度和压力，在缓冲罐及主管道外壁缠绕电加热带及保温棉，且在两者上面布置了2个压力和4个温度传感器，随时监测管内压力、温度数据；埋地管道长度为0.8 m，在距离管道末端0.4 m处开孔，泄漏口向上，孔径为2mm。

图1 试验装置和现场图

1.2 测点布置

在埋地管道泄漏区和土壤区周围进行了测点布置，待测参数包括泄漏口处管壁温度和土壤温度。如图2、图3所示，沿泄漏口管壁轴向方向布置6个热电偶，距泄漏口远端布置1个管壁和1个管内热电偶；在泄漏口周围沿4个方向共计布置12个热电偶，其中A向为泄漏口竖直向上，B向为管道轴向，C向为管道底部竖直向下，D向为管道水平径向。采用T型热电偶，响应时间为1 s，误差为±0.5℃，所有热电偶信号均由美国NI公司的CompactDAQ实时控制器和Labview软件采集至电脑中。

图2 埋地管道热电偶布置(单位：mm)

图3 埋地管道土壤区周围测点分布(单位：mm)

1.3 埋地条件

埋地管道所处的土壤环境对结果有一定的影响。本文结合实际情况，选用含沙量高、保水性较差的沙土(测量得到其物理性质参数见表1)，设计了长度为1 m、宽度为0.6 m、高度为0.6 m的沙箱，试验时通过改变沙土高度来模拟管道不同埋地深度。沙箱的底部以及四个侧面均采用透气性好的无纺布包覆。

表1 试验用沙土的物理性质参数

1.4 试验步骤及初始条件

CO2埋地管道泄漏试验的操作步骤如下：

(1) 检查试验装置气密性：在搭建好试验装置后，关闭各个阀门，进行水压试验，并检测试验装置的气密性及承压能力。

(2) 气体吹扫:确保试验装置气密性良好后，依次打开气动球阀、缓冲罐和绝热气瓶上的进气阀，吹扫5 min，之后关闭气动球阀，待缓冲罐与绝热气瓶压力一致时，关闭其余阀门。

(3) 控制灌装量：依次打开缓冲罐和绝热气瓶上的进液阀、缓冲罐上的排空阀，通过缓冲罐侧方的石英液位计来观察CO2液位，并根据试验初始相态严格控制液位刻度，当达到对应刻度后，依次快速关闭排空阀和两个进液阀，静置10 min。其中，气相所需刻度为1.0，超临界相所需刻度为10.0。

(4) 沙箱覆土:按照试验要求往沙箱内倒入不同深度的沙土，压实静置。

(5) 升温升压:开启电加热带，打开数据采集系统，实时观察主管道不同位置处的压力和温度测点数值，若压力达到试验压力、温度仍低于特定温度，则通过手动控制排空阀进行泄压；反复调整直到温度和压力达到试验要求，之后，关闭电加热带。

(6) 进行试验:当管内压力、温度稳定之后，依次开启数据采集和摄像，然后启动气动球阀，待管内压力降为0之后，关闭数据采集和摄像，清理沙土；重复上述(2)至(6)步骤过程，完成所有试验。

本试验开展了初始压力为6 MPa、初始温度为40℃的气相，以及初始压力为9 MPa、初始温度为40℃的超临界相CO2管道分别在埋地深度为(以下称埋深)0 mm、200 mm、400 mm时的泄漏试验，试验总计6组。

2 试验结果与讨论

2.1 土壤表面形貌分析

图4为埋深为200 mm和400 mm的气相和超临界相CO2埋地管道发生泄漏时土壤表面形貌。

图4 埋深为200 mm和400 mm的气相和超临界相CO2埋地管道发生泄漏时土壤表面形貌

由图4可见：埋深为200 mm的气相CO2管道发生泄漏时，泄漏CO2冲破土壤，在泄漏口上方形成倒圆锥型空洞[见图4(a)]。由于没有土壤的掩埋，泄漏出的CO2立刻与周围空气发生热交换，温度快速上升，因此不会有干冰堆积。埋深为0 mm的气相CO2埋地管道泄漏结果与此类似。埋深为200 mm的超临界相CO2埋地管道发生泄漏时，在偏离泄漏口100 mm位置，CO2冲破沙土薄弱区形成喷射流，射流口直径约30 mm，射流过程夹带干冰，形成“干冰雨”[见图4(b)]，且喷射过程断断续续；超临界相CO2埋地管道的压力高于气相CO2的压力，却并不能立刻吹破土壤，这是由于超临界相CO2埋地管道发生泄漏时，泄漏瞬间形成干冰，射流温度要低于气相发生，周围会快速形成冻土环境，气体渗透率较小，阻碍作用增强，而气相CO2埋地管道泄漏温度较高，不能形成冻土且土壤阻力不够，气体渗透率高，土壤被立刻吹起；当埋深为400 mm的气相和超临界相CO2埋地管道发生泄漏时，泄漏CO2不能冲破土壤，高速气流及干冰会挤压泄漏口周围的土壤，使得土壤发生隆起，并伴随少量气体溢出[见图4(c)]，这是由于土壤阻力巨大，气体渗透率变小，气流难以溢出，冻土球逐渐增大挤压表层土壤所致。

由此可见，CO2埋地管道发生向上泄漏时，土壤表面受到泄漏介质的冲击效果，可能形成3种形貌，分别定义为“小孔射流”[图4(a)]、“土壤喷射”[图4(b)]和“土壤隆起”[图4(c)]。因此，CO2埋地管道泄漏时发生何种土壤形貌与CO2初始相态、管道埋地深度等因素有关。

2.2 泄漏口冻土球形成

图5为埋深为200 mm的超临界相CO2埋地管道泄漏口形成的冻土球。

图5 埋深为200 mm的超临界相CO2埋地管道泄漏口形成的冻土球

由图5可见，该冻土球包覆在管道周围，直径约为240 mm[见图5(a)]；冻土厚度约为50 mm，温度约0℃，内部为干冰[见图5(b)、(c)]；干冰包裹在管道周围，且在管道正上方为空心圆柱区，内部温度约为-40℃[见图5(d)]。

冻土球的结构见图6。

图6 冻土球结构示意图

由图6可见，冻土球由内向外依次由空腔层、干冰层和冻土层组成。其中，空腔层为圆柱形状，由高速射流冲击形成；干冰层附着在管道周围；最外层则为冻土层。试验发现，在没有发生“土壤喷射”的情况下，泄漏口上方都会形成冻土球。冻土球的形成原因分析如下：低温射流使得土壤中的水分凝结，水分子以薄膜水的形式从相对温暖区域向相对寒冷区域迁移，水分在迁移的过程中逐渐发生冻结，使得土体发生膨胀，形成冻土球。形成的冻土球同样阻隔了CO2与外界换热，且干冰不能被气流带出冻土球，干冰层在冻土球内不断堆积。

由于CO2自身性质的特殊性，CO2管道泄漏形貌与油气管道相比存在很大的差异，干冰及冻土球的形成一方面会导致管道低温的存在，另一方面会导致土体膨胀，容易推动管道向上运动，引起翘曲，甚至拱出地面，使管道偏移原来的敷设路径，增加脆性断裂的风险。

2.3 泄漏口附近管壁温度分布

图7为埋深为0 mm和400 mm的气相CO2埋地管道泄漏口附近管壁温度的分布情况。

图7 埋深为0 mm和400 mm的气相CO2埋地管道泄漏口附近管壁温度的分布情况

由图7可见，气相CO2埋地管道整个泄漏过程泄漏口附近不同测点管壁温度变化分为三个阶段：0～t1为温度上升期(T上升)，t1～t2为温度下降期(T下降)，t2泄放结束为温度回升期(T回升)。气动泄放阀门打开后，温度较高的CO2进入泄漏管，使得管壁温度升高，但是最靠近泄漏口的测点受焦-汤效应的影响较大，出现短时温降。根据已有的研究显示[20]，在泄漏过程中管内流体由超临界相转为气液两相，闪蒸和介质膨胀作用大于管内流体与管壁以及管壁与空气的换热，管壁温度近似于线性下降，且最低温度与距泄漏口位置有关；随后管内流体相态主要为气相，泄漏速率较小，焦-汤效应作用减弱，并且管壁温度与空气的换热增强，温度缓慢升高。气相CO2管道在埋深为400 mm时，泄漏口附近管壁不同位置处各测点的最低温度分别为-36.8℃、-21.0℃、-13.0℃、-10.0℃、-8.5℃、-5.5℃，相比于埋深为0 mm时，最低温度更低，温度梯度更加明显，这是由于土壤的阻隔作用使得冷量在泄漏口附近积聚，与外界换热减弱，使得各测点温度更低。

图8为不同埋深的超临界相CO2埋地管道泄漏口附近管壁温度的分布情况。

图8 不同埋深的超临界相CO2埋地管道泄漏口附近管壁温度的分布情况

由图8可见，超临界相CO2埋地管道整个泄漏过程不同测点管壁温度变化同样分为三个阶段，但增加管道埋地深度，相同测点处管壁最低温度降低，低温持续时间延长。受限于CO2自身物理性质，管壁所能达到的最低温度在CO2沸点附近，约-78.5℃。相比于气相工况，超临界相CO2泄漏时管壁承受低温更低，并且低温持续时间更长，危险程度高于气相CO2泄漏。这是由于超临界相CO2初始压力高，介质密度大，同样的泄漏口径下，闪蒸和介质膨胀作用强烈，冷量积聚效应要比气相明显。

图9为当TW-1达到最低温度时，气相和超临界相CO2埋地管道各测点管壁温度与距离泄漏口距离的拟合曲线，该拟合曲线满足指数关系(y=a-b·cx)。

图9 气相和超临界相CO2埋地管道各测点管壁温度与距离泄漏口距离的拟合曲线

由图9可见，管道埋地深度的增加对靠近泄漏口位置管壁温度的影响较小，对远离泄漏口位置管壁温度的影响较大；在同等埋地深度下，超临界相CO2埋地管道各测点管壁温度梯度的变化要大于气相CO2埋地管道，而气相CO2埋地管道在远端处管壁的最低温度要低于超临界相CO2埋地管道。这是由于气相CO2埋地管道中TW-1达到最低温度所需的时间大约为400 s，而超临界相CO2埋地管道则为150 s左右，整个过程的热量交换要更加充分。

在泄漏过程中，流体流过管道壁面时与壁面之间进行对流换热，管道内壁面与流体之间形成热边界层，使得壁面法向方向温度存在差异[21]。在实际工程中，常用努赛尔数(Nux)来表示泄漏过程中的流体与管道壁面的换热强度。本文选择距离泄漏口200 mm位置处的数据，在工程经验公式的基础上进行了简化，得到努赛尔数(Nux)[22]的计算公式如下：

式中：Nux为努塞尔数;D为管道内径(mm);hx为传热系数[W/(m2·K)]；qe为单位面积的热通量(W·m2)；Tw为管壁温度(℃)；Tin为管内流体介质的温度(℃)；cV,stl为管道金属材料的热容(常数)(kg/m3)；ρstl为管道金属材料的密度(kg/m3)；δstl为金属管道的体积(m3)；Te为管道的温度(℃)；Ae为管道内表面积；dTe/dt为管壁温度的导数。

图10为不同埋深的超临界相CO2埋地管道泄漏口附近努赛尔数(Nux)的变化情况。

图10 不同埋深的超临界相CO2埋地管道泄漏口附近努赛尔数(Nux)的变化情况

由图10可见，Nux在泄漏初期变化十分剧烈，随后快速下降，最终趋势变缓，这是由于气动泄放阀门打开后，管内流体因压力下降而发生突降，但是此时单位面积热通量最大，介质和管壁换热小，传热系数最大，因此初始阶段的强制对流换热强度最大；随着压力的减小，流体温度逐渐减小，管内流体逐渐进入稳定流动状态，Nux变化相对较小；此外，管道不同埋地深度下，Nux前期变化不同，主要是由于管道埋深的增加，在土壤的保温及气流阻隔作用下，对泄漏口附近的湍流产生影响，管内流体温度低于埋深为0 mm情况，管壁法向温度梯度增大，Nux变小。

2.4 泄漏口附近土壤区温度分布

图11为埋深为400 mm的超临界相CO2埋地管道在泄漏口附近土壤区不同方向温度的分布情况。其中A、B为射流方向，C、D为射流背向。

图11 埋深为400 mm的超临界相CO2埋地管道在泄漏口附近土壤区不同方向温度的分布情况

由图11可见，超临界相CO2埋地管道在泄漏后10 s内，泄漏口附近土壤区A射流方向不同测点的温度分别为-73.2℃、-70.4℃、-42.2℃、-1.8℃，且距离泄漏口越远，温降幅度越小，温降速率越小，这是由于泄漏瞬间焦-汤效应使得泄漏口产生巨大的温降，导致泄漏口附近的土壤冻结，形成封闭低温环境，而低温环境使得CO2闪蒸作用减弱，射流方向干冰长度增加，因此前两个测点温度都要低于-70℃，而第三个测点由于处在干冰和冻土的分界线附近，受射流换热和干冰热传导的影响明显，最远端测点处在冻土位置，仅受薄弱射流影响，温度变化小，而随着时间的进行，近端测点温度保持恒定，远端测点温度继续下降，表明干冰层和冻土球在不断外扩，且距离泄漏口位置越远，土壤区的温降幅度越小；B射流方向前3个测点在泄漏后30 s内即处在最低温度附近，表明已经布满干冰；而C和D射流背向处在泄漏口下方，相比于泄漏口上部，此区域内的土壤温降速率缓慢，这是由于此处受干冰的影响较小，只能依靠与冰冷气流换热实现温降，干冰堆积进程缓慢。

图12为埋深为200 m的超临界相CO2埋地管道泄漏口附近土壤区A和C方向温度的分布情况。

图12 埋深为200 mm的超临界相CO2埋地管道泄漏口附近土壤区A和C方向温度的分布情况

由图12可见，在A射流方向，相比于管道埋地深度为400 mm情况，泄漏口附近土壤区10 mm处测点在泄漏后10 s时都处在最低温度附近，其余测点在温降速率方面明显小于后者，且最远端测点在温降速率和最低温度上差距更大；在C射流背向，管道低埋地深度下温降发生在300 s附近，温降速率远小于管道高埋地深度情况，且远端测点最低温度要高于后者，这是由于埋地深度的增加，土壤的渗透率减小，射流受到的土壤阻力增加，且干冰和冻土环境使得其渗透率进一步减小，冷量积聚增加，干冰生成量增多，堆积速度加快。

由此可见，在相同相态条件下，管道埋地深度的增加，泄漏口附近土壤区在射流方向达到最低温度所需的时间更短，且干冰体积更大；在射流背向，泄漏口附近土壤区温度波动更为剧烈，区域内的温降速率明显提高，且干冰堆积所需的时间缩短。

图13为埋深为400 mm的气相CO2埋地管道泄漏口附近土壤区A和C方向温度的分布情况。

图13 埋深为400 mm的气相CO2埋地管道泄漏口附近土壤区A和C方向温度的分布情况

由图13可见，气相CO2埋地管道泄漏口附近土壤区A和C方向温度的变化规律与超临界相CO2类似，但温降速率明显减小，达到最低温度的时间明显增长；而在C射流背向，整段时间内温度并没有降低，不存在干冰生成，这表明在同等的管道埋地深度下，超临界相CO2由于初始压力高，灌装量大，土壤区的温降情况要比气相CO2更剧烈。

图14为CO2埋地管道泄漏口附近干冰堆积示意图。

图14 CO2埋地管道泄漏口附近干冰堆积示意图

由图14可见，CO2埋地管道发生泄漏时，在焦-汤效应和流体闪蒸等作用下，泄漏口附近会发生剧烈温降，造成干冰堆积，并且由于土壤阻隔作用，干冰会沿着泄漏口及管道环向进行蔓延，最终会包围整个管道。

相比于油气管道，CO2埋地管道泄漏时的温降要更加明显，且低温维持能力更强，因此对其开展以温度为主的泄漏检测具有较强的可行性，特别是针对发生微小渗漏而振动效应很小的场合，可根据分布式测温原理，通过连续采集管壁或土壤温度，建立与时间相关的温度场，用来分析与识别CO2埋地管道泄漏事件的发生。此外，对于测温光缆的铺设，由于干冰环绕整条管道，不论采用紧贴管道壁面分布，还是采用紧贴保温层分布都能得到比较好的效果。

3 结 论

(1) 气相和超临界相CO2埋地管道发生泄漏时，表面土壤会呈现3种形貌，即“土壤喷射”、“土壤隆起”和“小孔射流”，后两种形貌会在泄漏口附近形成包覆管道的冻土球，冻土球包含空腔层、干冰层和冻土层三部分。

(2) 气相和超临界相CO2埋地管道发生泄漏时，对于泄漏口附近的管壁温度，气相条件下测得的管壁温度要小于超临界工况，非埋地管道要小于埋地管道，并且在“土壤隆起”和“小孔射流”下，管壁温度下降剧烈，最低温度为-77℃左右。受干冰环境的影响，管道埋地深度的增加不会使得管壁温度继续下降，而是使得管壁温降速率增大，低温范围增大。

(3) 气相和超临界相CO2埋地管道发生泄漏时，对于泄漏口附近土壤区土壤区不同方向温度的分布情况，随着时间延长，泄漏口任意方向，都出现了不同程度的温降，从泄漏口到管道底部处的土壤区温度分布呈现逐渐降低的趋势；管道埋地深度的增加，使得泄漏口附近土壤区在射流背向的温降速率增大，温降增大。此外，泄漏口附近土壤区温度变化情况对于实施分布式测温光纤检漏具有一定的指导意义。