1二氧化碳的特性
1.1纯二氧化碳的物理性质在常温常压条件下，二氧化碳的稳定相态是气态。与天然气相比，二氧化碳的相态（图1）和物性（表1）更为复杂。纯二氧化碳的三相点是-56.6℃、0.518MPa，这决定了二氧化碳气液固的共存点。在适当的压力、温度下，二氧化碳可能会变成固态，俗称“干冰”。纯二氧化碳压力、温度处于气-液线之上（Saturationline）、固-液线（Meltingline）之下区域时为液相。在温度高于临界温度、压力高出临界压力后，进入超临界相态。
1.2杂质对二氧化碳性质的影响管道输送的二氧化碳可能有多种来源，常见的有：电厂或煤化工厂工业排放的尾气，高含二氧化碳的石油天然气，以及天然的二氧化碳气藏，因而使其含有CH4、N2、H2等杂质组分。与纯二氧化碳相比，管输二氧化碳的物理性质因杂质的存在而发生变化，包括临界压力、临界温度、三相点、密度、黏度、水溶性、毒性等。如CH4、N2或H2的存在主要会影响相包线中的沸点曲线，在工程设计中一定要考虑杂质对二氧化碳流体物性的影响。
1.3二氧化碳的危险性二氧化碳气体是一种窒息性气体，是已知最强的脑血管扩张剂，浓度较低时可引起头痛、出汗、心跳加快、呼吸短促、头晕、视觉模糊、颤抖等；浓度较高时可使呼吸系统失效，当其体积分数超过10％时，会使人失去知觉或窒息死亡。
1.4溶剂性能超临界二氧化碳是一种高效溶剂，其溶剂性能随压力、温度升高而增强。当压力降低时，由于二氧化碳溶解度降低，导致任何溶解在高压二氧化碳管道存液中的物质都可能沉淀析出。此外，其溶剂性能对管道系统阀门、设备的密封材料也提出了特殊的要求。
2国内外二氧化碳输送管道建设现状
2.1国外管输二氧化碳在国外已获应用，世界上约有6000km的二氧化碳管道，总输量超过150Mt/a。大部分二氧化碳管道位于北美地区，其他分布在加拿大、挪威和土耳其。国外绝大多数长距离、大规模二氧化碳管道采用超临界输送技术，主要原因涉及5个方面。（1）经济性：气相输送由于其低密度（需大管径）和大压降的特点，经济性差、输送效率低，因此在大输量、长距离输送情况下不会采用气相输送，少数气相输送管道仅限于短距离、小输量的情况。相对而言，超临界态可实现大输量输送，通常超过1Mt/a。由于超临界相态二氧化碳密度高、黏度小，因此管输沿程压降低，采用泵增压成本低，固定资产投资和运行成本低，经济性好。（2）二氧化碳用途：北美管输二氧化碳的主要目标市场是EOR采油，另有部分是地下封存，这两种用途都需要将二氧化碳注入地下深井中，需要提供一定的压力条件（通常为10～20MPa），因而使输送压力在临界压力之上。（3）管道运行管理：当输送压力保持在临界压力8.8MPa以上时，介质的稳定性好，不易发生密度突变，流态较稳定。（4）社会环境的角度：北美地区大部分二氧化碳管道途经区域人口密度小、社会风险低，二氧化碳高压管道发生意外事故时，不会造成灾难性损失。（5）二氧化碳来源：北美大部分二氧化碳来源于天然的地下矿藏，由于地层压力较高，采出二氧化碳流的井口压力一般高于临界压力，因此，采用超临界或密相输送可以充分利用地层能量。目前国际上没有统一的二氧化碳管道输送行业标准。在美国，二氧化碳液体管道被列为危险液体管道，其运行管理遵从美国联邦法规49-CFR195、美国机械工程师协会ASMEB31.4《液态烃和其他液体管道输送系统》；在欧洲，二氧化碳输送管道的运行管理参照BSEN14161《石油和天然气工业·管道输送系统》等油气管道相关规范；在加拿大，二氧化碳管道的运行管理则执行加拿大标准CAS-Z662-7《油气管道系统》。此外，挪威船级社于2010年编制了DNV-RP-J202《二氧化碳管道的设计和操作》，对二氧化碳管道的设计和操作提出了建议做法。
2.2国内中国二氧化碳管输技术起步较晚，尚无成熟的长距离输送管道。个别油田利用自身距二氧化碳气源点较近的优势，采用气态或液态将二氧化碳输送至注入井井场，用于提高油田采收率。油田建设了长约8km的二氧化碳气体输送管道；大庆油田在萨南东部过渡带进行的二氧化碳-EOR先导性试验中建设了6.5km的二氧化碳输送管道，用于将大庆炼油厂加氢车间的副产品二氧化碳低压输送至试验场地。这些管道的设计执行GB50350《油气集输设计规范》，属于油田内部的集输管道，算不上真正意义上的二氧化碳输送管道。
3二氧化碳输送管道设计关键技术
通过对二氧化碳特性和国外二氧化碳输送管道建设特点的分析，可知二氧化碳输送管道与油气输送管道有着不同的特点，结合国内管道建设环境，国内二氧化碳管道建设需要注意以下关键问题：对气源组分的要求，输送相态的选择与控制，路由选择，阀室设计原则，涂层选用，设备、材料的特别要求，其他安全措施。
3.1对气源组分的要求对进入输送管道的气体组分进行控制，主要考虑以下因素：①满足目标市场对气质的需求，如对于EOR采油，主要是满足混相驱油的要求。②满足管道安全输送的要求，主要是控制H2S等有毒气体和腐蚀性气体的含量，此外要严格控制水露点，确保管道输送过程中不会有游离水析出。③符合国家和地方在环境保护等方面有关法律、法规的规定；④在满足前3项要求的基础上，尽可能降低上游对气体处理的成本。美国德克萨斯州的Melzer咨询公司提供了北美地区典型的二氧化碳管道对气源组分的控制要求（表1，其中1lb/MMcf=0.16kg/m3；1MMcf=2.834m3；1gal=0.000375m3），可以参考借鉴。
3.2输送相态的选择与控制为了确保二氧化碳管道安全和降低运行成本，首先需要控制管输介质在输送过程中维持稳定的相态，因此一般选择气相输送或超临界态输送，北美地区一般采用超临界态输送，压力控制在8.8～18.6MPa，该压力高于目前天然气管道常用的压力范围。如果采用气相输送，压力一般不超过4.8MPa，以避免出现4.8～8.8MPa之间的压力变化而形成两相流[2]。很显然，对于大输量、长距离二氧化碳管道，综合考虑工程投资和运行费用，采用超临界输送更具优势。但结合国内的实际情况，在输送相态的选择上，应综合考虑以下因素：①气源的压力、温度；②目标用户对压力、温度的需求；③线路长度及线路地区等级的划分（主要反映人口密集程度的地区等级划分）；④设计输量；⑤管道建设成本和运行成本；⑥基于对线路周边人、动物安全的分析评价；⑦国家及地方在环境保护、安全等方面法律、法规的要求。比较而言，对于大输量、长距离、途经人烟稀少区域的二氧化碳管道优先采用超临界输送；对于小输量、短距离、途经人口密集区域的二氧化碳管道优先采用气相输送。对于具体的工程，则需要从上述7个方面进行综合分析评价。
3.3路由选择和地区等级划分公众通常认为，管道建设经验丰富，同时二氧化碳相对其他危险介质对人类危害很小，因此二氧化碳管道建设是很安全的。但二氧化碳泄漏也曾经带来较大的危害，其中最著名的是喀麦隆尼奥斯湖灾难[3]。1986年8月21日，尼奥斯湖凌晨湖底溶解的二氧化碳突然喷发，二氧化碳向云雾一样贴着地面涌入山谷，导致山谷中1700多居民及各种动物被围困在二氧化碳云雾中窒息而死。后来，专家采用排气防喷措施，通过在湖中设置虹吸装置，不间断地将二氧化碳排出，同时在湖边设置二氧化碳浓度报警器，防止再次发生类似事故。对于管道而言，最大的事故在于发生破裂事故，大量泄放的二氧化碳会对周边人员和动物带来危害。此外，当管道发生轻微泄漏时，如果泄漏点周围有低洼区域，而且通风不良，则会使二氧化碳滞留并不断积聚，该区域就是管道的高后果区。因此，在二氧化碳管道路由的选择上，除了要符合地方政府规划、避开环境敏感点、文物保护区、地质灾害区、压覆矿区等区域外，还要重点考虑管道与周边村庄、乡镇、工矿企业、重点动物保护区的相对位置关系，包括风向、地势、通风情况等，在选择路由的同时要分析管道的高后果区，同时采取相应的保护和预警措施。在选择路由时，建议采用卫星遥感数据进行地形淹没分析，以此确定管道的高后果区。此外，参考GB50251-2003《输气管道工程设计规范》或ISO13623：2000《石油天然气工艺管道输送系统》等规范，需要按照人口密度对管道沿线地区等级进行划分。对于气相输送的二氧化碳管道，地区等级划分应参照GB50251-2003《输气管道工程设计规范》执行[4]；对于超临界态输送的二氧化碳管道，地区等级划分应参照ISO13623：2000《石油天然气工艺管道输送系统》执行[5]。
3.4阀室设计原则为了控制管道发生破裂事故时的泄漏量及方便管道维修，一般在管道上每隔一段距离设置一个线路截断阀室。阀室间距过大会导致阀室间管存量大，发生事故时泄漏量大；阀室间距过小会导致征地面积和工程投资增加，同时阀室本身也是容易发生泄漏的区域，因此不易设置过多。对于气相输送的二氧化碳管道，阀室间距应参照GB50251《输气管道工程设计规范》执行；对于超临界态输送的二氧化碳管道，阀室间距应参照ASMEB31.4《PipelineTransportationSystemsforLiquidHydrocarbonsandotherLiquids》执行。对于人口密集区域，建议通过定量安全分析进一步核实阀室间距设置的合理性。在定量分析中，一般对应管道破裂事故工况在不同风速下模拟不同二氧化碳体积分数（1％、5％和10％）对应的影响区域，同时要特别考虑地形、风速和障碍物的影响。对国内某平原管道泄漏定量分析结果表明，最危险工况发生在静风管道破裂时，此外，气相输送管道在人口密集区的影响低于高压超临界管道的影响。
3.5涂层选用根据国外二氧化碳管道建设和运行经验，不建议使用内涂层防腐或减阻剂。而在外防腐涂层设计中，由于管道在正常工况和事故工况下的放空流程可能导致较低的温度，因此选择的外防腐涂层应该具有较好的耐低温性能。国外二氧化碳管道曾发生过因压力骤降引起的低温导致外涂层失效的案例[6]。此外，管道在投产充压过程中，需要控制压力的增长速率，避免由于压力快速升高导致较大的温升，造成涂层失效。
3.6设备、材料的特别需求（1）设备、阀门的密封性能。当压力从二氧化碳超临界态快速降至气相时，二氧化碳流体会引起设备、阀门出现不同类型的密封失效，尤其是O形圈、密封和阀座等处。因此，非金属密封材料需要具备以下性能：抵制破坏性泄压的能力，与二氧化碳接触时不会发生分解、硬化或对材料关键特性产生明显的负面影响，可以承受正常工况和事故工况下所有的温度范围。（2）润滑剂。二氧化碳会使阀门、泵等管道部件处的石油基润滑脂和许多合成润滑脂恶化变质，因此，必须根据二氧化碳管道的组分、设计压力、设计温度优选润滑脂，确保润滑脂的性能正常[6]。（3）管材止裂性能。当二氧化碳管道采用超临界输送时，操作压力可能为8.8～18.6MPa，加之二氧化碳的特殊物性，在管材选取时需要特别考虑止裂性能和断裂控制方法。部分国外管道每隔300m左右安装止裂器，用以保证管道的止裂性能。在二氧化碳管道断裂控制方法方面尚需开展深入研究[7]。
3.7其他安全措施为确保管道途经人口密集区的安全，避免发生重大事故，在管道设计中应采取以下保护措施：①管道采用SCADA控制系统，实现全线的自动化控制；设置基于热成像技术或次声波技术的管道泄漏监测系统，实现泄漏的自动检测；在站场、阀室、线路高后果区设置二氧化碳浓度报警装置。②管道首站设置色谱分析仪和水露点检测仪，确保合格气体进入管道，避免管道发生内腐蚀。同时，设计内腐蚀监检测装置和智能清管装置，定期对管道进行腐蚀检测。③在条件允许的情况下，注入硫醇加臭，使周边人员对泄漏更为警觉；在管道沿线有可能集聚二氧化碳的场所和受限空间，设置警示牌，必须检测二氧化碳浓度确保安全后才能进入[3]。
4结束语
虽然国外在二氧化碳管道建设和运行方面已经积累了大量的工程经验，但北美绝大多数二氧化碳管道建设在人烟稀少的区域，对于建设在人口密集区的管道，参考借鉴意义不大。我国二氧化碳输送管道建设需要根据自身特点，研究适合我国实际的设计技术，制定我国关于二氧化碳输送管道设计、建设、运行的标准规范，为CCUS工作的大力推广奠定基础。
作者：刘建武 单位：中国石化石油工程设计有限公司