編者按
管（guǎn）道輸送是經濟高效的CO2運輸方式，海洋CO2運輸是離岸碳捕集、利用（yòng）與封（fēng）存（CCUS）產業鏈的關鍵環節和規模化開展離岸CCUS工程建設所需（xū）的（de）核心技術（shù）。我國正在不斷提升海（hǎi）洋CO2管道（dào）輸送的工程與技術，為（wéi）實現碳達（dá）峰、碳中和戰略目標而努力。
中國工程院院刊《中國工程科學（xué）》2024年第2期刊發廈門大學材料學院王子明（míng）副教授等人的《海洋（yáng）CO2管道（dào）輸送技術現狀與展望（wàng）》一文。文章明晰了我國實施離岸CCUS的優勢（shì）、典型海洋碳運輸情境和海洋CO2運輸方（fāng）式（shì），剖析了國內外海洋（yáng）CO2管道輸（shū）送的技術與工程概況；從CO2流體相態及流動安全，沿（yán）程腐蝕風險估、監測及預警，CO2泄漏實時監測技術，高壓CO2泄放及對環（huán）境的影響等方（fāng）麵梳理了海洋（yáng）CO2管道輸送工藝技術現狀；從CO2管道材料斷裂行為及止裂措施耐（nài）蝕及密封材料、碳鋼管道（dào）長壽（shòu）命運行的關鍵腐蝕控製技術、注采井筒（tǒng）的腐蝕風險評（píng）估等方麵梳理了海洋CO2管道材料技術現狀。研究（jiū）認為，加快發展適應海洋CO2管道輸送複雜工況的材料體係、全流程CO2管道的智慧管理（lǐ）與數字孿生技術、海底CO2管道全生命（mìng）周期運行關鍵技術、在役海底管道改輸評估與保（bǎo）障（zhàng）技術（shù），采取加快推動我（wǒ）國近（jìn）海碳封存CO2管（guǎn）網規劃、拓展和深化跨行業 / 跨機構合作模式創新、係統建設海陸統籌的標準體係、引導（dǎo）專業化技術（shù）服務企業深（shēn）度（dù）參與海底CO2管網建設等（děng）舉措，促進我國海洋CO2管道輸送體係高質量建（jiàn）設。
一、前言
碳捕集、利（lì）用與封存（cún）（CCUS）正逐漸發（fā）展成為我國實現碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰略目標的高效解決方案之一，涵蓋捕集高濃度工業產（chǎn）生CO2、加壓後集中運輸至（zhì）目標區塊（kuài）、進行價值利（lì）用或地質封存在內的完整技術鏈。早（zǎo）在20世紀70年代，北美地區即探索利用CO2提高石油采收率，在應用中實現CO2動態地質封存。在我國，吉（jí）林油田、勝利油田等油氣（qì）開發（fā）企業較早啟動了CO2驅油利用與地質封存的規模化工業試驗，初步形成了陸上CCUS工程（chéng）的全流程技術鏈。2023年7月，我國陸上首條（tiáo）年輸（shū）送量超（chāo）百萬噸的中國石化齊魯石化（huà）公司—中國石化勝利油田CO2管道順利建成，主體部分長度為109 km，將中國石化齊（qí）魯石化公司工業廢氣中的（de）CO2捕集、純（chún）化、增壓後經管道輸送至中國石化勝利油田純梁采油廠進行驅油利用和地質封存。這一項目（mù）的投產，標誌（zhì）著我國陸上CCUS工程步（bù）入了商業運營階段（duàn）。
相較陸上CCUS工（gōng）程，我國離岸（àn）CCUS工程起（qǐ）步較晚。2021年，中國海洋石油集團有限公司啟（qǐ）動了我國首個（gè）海上CO2封存示範工程（恩平15-1油田（tián）），工（gōng）程於2023年建成投運，每年（nián）將約3×105 t來源於中海油恩平油田群采出氣分離的CO2注入海底800 m深的封閉鹹（xián）水空間並（bìng）永久封存（cún）。同期，我國在渤海、東海、南海等海域開展了多個（gè）海洋（yáng）CO2封存（cún）的前期（qī）可行性研究。源自北歐（ōu）地區的離岸CCUS工（gōng）程經驗表明，在低碳經濟指標的引導下，海底廣（guǎng）闊（kuò）的地層空（kōng）間（jiān）可能是未來大規模封存CO2的最佳場所。
隨著離岸CCUS項目的發（fā）展和深化，高效匹配（pèi）CO2產生源與CO2封存有利區成為工程實踐中的一大（dà）難題（tí），又（yòu）以安全且低成本的海洋CO2運輸作為重點考量因（yīn）素。本文針對（duì）我國發展離岸CCUS產業鏈麵臨的CO2運輸問（wèn）題，從海底碳封存的工程需求出發，立足海洋CO2運輸方式、海洋CO2管道（dào）工程現（xiàn）狀，力求全麵梳理海洋CO2管道輸送涉及的材料、工藝等（děng）要點，辨識相應技術瓶頸並總結發展方向，為（wéi）加快離岸CCUS技術體係建設、推進離岸CCUS工程應用提供基礎參考。
二、離岸CCUS工程發展背景
（一） 實施離岸CCUS的優勢
近年來，沿海各省份積極發布有關可持（chí）續海洋“藍色（sè）”經濟的政策，使離岸CCUS得到越來越多的關注。建設離岸CCUS工程，將顯著拓展碳封存空間，為實現“碳中和”目標提（tí）供更多選擇方案（àn）；有（yǒu）助於多元化利用海（hǎi）洋能源資源，助力海洋經濟發展。我國開展離岸CCUS工程（chéng）建設，具有以下三方麵優勢。
1. 海底碳封（fēng）存潛力及源匯匹配
我國海岸線總長度超過1.8×104 km，近海海（hǎi）域麵積超過4.7×106 km2，相（xiàng）應的（de）海域CO2地質封存潛（qián）力為2.58×1012 t ，可為實現“雙碳”目標提供重要支撐。東部沿海地區是經濟發達地區，具有大量的工（gōng）業碳源（約占全（quán）國碳排放（fàng）總量的41%），可與海洋地質碳匯空間進行高效的源匯匹配（pèi）。我國離岸50~300 km範圍內的近海沉積（jī）盆地，有著巨大的CO2封存容量，可以滿足沿海地區百年以上的碳封存（cún）需（xū）求。
2. 封存安全與風險可（kě）控
對於陸上CCUS，即使在向地層（céng）注入CO2前執行（háng）了嚴格的選址標準、采取（qǔ）了（le）周密的方案設計，在注入過程中及注入後依（yī）然需要考慮CO2泄（xiè）漏的潛在（zài）風險。相（xiàng）比之下（xià），離岸CCUS工程風險（xiǎn）的後果（guǒ）更小（xiǎo），這是因為（wéi）：海底環境因海（hǎi）水壓力（lì）的作用而較陸上環境（jìng）更不利於CO2的規模（mó）化泄漏；海水的（de）溶解、擴散等過程可（kě）極大（dà）降低海洋（yáng）CO2泄漏（lòu）帶來的環境影響；近海海底封存遠離人（rén）口聚集區，CO2泄漏（lòu）造成的經濟社會後果相對可控。
3. 海洋能源協同利用與開發
我國近海海洋油氣資源豐富，如東海、南海區域的石油儲量預計值分別（bié）為1×1010 t、2.75×1010 t 。聯合實施（shī）海底碳封（fēng）存（cún）、CO2驅油，能夠以經（jīng）濟（jì）的方式實現油氣領域“雙碳”目標，甚至能夠實現“負碳排放”的油（yóu）氣（qì）開發模式。此外，充分（fèn）發（fā）揮海上風電、潮汐能、波浪能等能源（yuán）資源（yuán），能夠進一步優化離岸CCUS產業（yè）鏈，降低CO2捕集、運輸、利用等方麵的成本，從而推動傳統行業與新能源產（chǎn）業的融合發展。
（二） 典型的海洋碳運輸情境
在離岸CCUS工（gōng）程中，從碳源規模、海洋封存選址角度看，存在3種典型的碳運（yùn）輸模式（見（jiàn）圖1）：陸‒海運輸（shū）、海‒海運輸、跨區域遠距離運輸。
圖1 典型海洋CO2運輸模式
陸‒海運輸模（mó）式具有規模大、連續產出的（de）特點，碳源多為沿海熱電廠（chǎng）、化（huà）工廠等（děng）捕集的燃（rán）燒後CO2，經純化後仍含（hán）有（yǒu）少量水汽、氧氣以及硫氧化物、氮氧化物（wù）等雜質組分。該運輸（shū）模式涉及各類工廠產生的CO2匯集至沿（yán）海（hǎi）CO2儲運點、通（tōng）過大（dà）規模長（zhǎng）距（jù）離的海上運輸到達封存點。
海‒海運輸模式中的CO2主要是（shì）海洋油氣生產過程中（zhōng）分離的燃燒前CO2，通常含有（yǒu）少量水（shuǐ）汽以及H2S、烷烴等還原性氣體。該運輸模式需將各生產平台或海底工廠分（fèn）離出的CO2運輸至集中平台進行增壓注入，以實（shí）現海洋平台之間的碳轉（zhuǎn）運。
跨區域遠距離運輸模式指跨省（shěng）份、跨地區甚至跨國、跨洲際碳交易情形（xíng）下的海洋CO2運輸，碳源呈（chéng）現（xiàn）多樣化，通過較（jiào）遠距離（>500 km）碳運（yùn）輸到達最優的海底碳封（fēng）存地點。相應運輸線路可能途經陸地、海洋等，運載量主要（yào）與碳源量、碳稅（shuì）政策、經濟指標等因素相關。
（三） 海洋CO2運輸方式
海洋CO2通常采用的輸送方（fāng）式有水上運載器（如船舶）、水下管道等。在海洋碳運輸方式的決策中，運輸成本是重要影響因素之一，需兼顧（gù）碳（tàn）源形式、輸送量、輸送距離等變量進行優選。船舶運輸適用於：小規模、分散碳源，水路運輸線路密集分布的地區；跨越區域較遠距離（lí）的碳運（yùn）輸。管道運輸具有規模大、運量穩定等優點，是陸地或海洋CO2連續大規模輸送的備選方案，適用於碳源穩（wěn）定、輸量大、距離適中的（de）海 / 陸碳封存工（gōng）程。當前的CO2管道主要建於陸上，如北美（měi）地區建設的CO2管道長度累計超過6000 km。海洋CO2管道工程（chéng）案例（lì）較少，挪威Snøhvit項目是（shì）目前規模較大的海洋CO2管（guǎn）道工程。歐洲規劃的CO2管道建設裏程為3×104~1.5×105 km，多為海（hǎi）底管道。鑒於我國沿海地區的碳（tàn）源與（yǔ）碳匯格局，未（wèi）來一定時期內我國海洋（yáng）CO2管道輸送的需求量巨大。
從工（gōng）程投資的角度看，船舶運輸、管道運輸在大規模（mó）CO2輸送方麵均具有優勢，如運載量超過1×106 t/a後（hòu），對於250 km運輸距離，可將運輸成本控製在1~10歐元/t的較（jiào）低水平。我國陸上CO2管道的運輸成本可低至0.4~0.6元/（t·km），海洋CO2管道的運輸成本通常為同等規（guī）模陸上方案的2倍，主要原因是後者的建造成本高出40%~70%。船舶（bó）運輸是間歇性流程，運輸船的係泊受海洋環境影響（xiǎng）較大，需要設置大容量CO2儲罐，都將增加船舶（bó）運輸成本。海洋運輸方式的選擇（zé）通常取決於運載量和運輸距離。在固定年運量的條件下，海底管（guǎn）道在短距離運輸（shū）時更（gèng）經濟。我國海（hǎi）洋CO2管道將呈規模化發展勢頭，相應的單位運輸成本走低，在遠距離運輸中（zhōng）也將逐漸取代傳統（tǒng）的船舶運輸。
三、海洋CO2管道輸（shū）送的工程與技術現狀（zhuàng）
（一） 國外海洋CO2輸送工程案例
1. 陸‒海遠距離輸送與注入
挪威Snøhvit項目是目前少數成功運行（háng）的海洋CO2管道輸送項（xiàng）目，自2008年開始運營，將Snøhvit液化天然氣工廠捕集的CO2運送至153 km外、300 m水深的海底碳封（fēng）存點，設計（jì）輸送（sòng）量約為7×105 t/a。Snøhvit氣田的天然氣中含4%~9%的CO2，在處理站場經過捕集和（hé）純化後，再采用分子篩技術將含（hán）水量降至極低水平（摩爾比（bǐ）為5×10-5），以最大程度控製運行過程中的管道腐蝕風險。管道入口端的CO2流體溫度為25 ℃、壓力為15 MPa，輸送至海底管道末端後溫度降低至（zhì）5 ℃。海底管道全程焊接（不分段），未設置中轉站或增壓站、閥（fá）門等（děng）設施，僅在陸地段設置管道清掃設施（shī）用於特殊工況（kuàng）下的應急處置。基於動態生產模擬軟件進行管（guǎn）道運行的全程實時監控，輔助進行泄漏探查、清管器模擬跟蹤和自（zì）動控製。
2. 海‒海近距離直接注入
Sleipner項目位（wèi）於挪威北海（hǎi）區域，是國際上最早開展海上（shàng）CO2封（fēng）存的項目；CO2分離自海（hǎi）上生產（chǎn）的天然氣，被注入至臨近天然氣藏（深度約為1000 m）的地質儲層內。注入係統位於天（tiān）然（rán）氣（qì）生產平台，故無需長距離（lí）輸送CO2，CO2被分離後未經幹燥流程直接加壓注入地層（注入壓力（lì）為6 MPa、注入溫度為25 ℃）；采用25Cr不鏽鋼管道以抵禦腐蝕（shí）問題。項目自1996年開始運（yùn）行，累（lèi）計注入CO2約2.7×107 t ，注入管道未發生腐蝕和泄漏情況，驗證了高耐蝕材料在短距離輸注工況中的應用可靠性。
巴西Lula油田是國際上首個開展離岸大規模CO2驅油工程的油田，2011年正式啟動，工（gōng）程水深約2200 m，采用浮式平台開采模（mó）式以（yǐ）提高經濟（jì）性。為提高石（shí）油采收率和環境效益，將伴生（shēng）氣中的CO2（含量約為12%）直接在采油平台進行（háng）分（fèn）離和回注，無需長距離輸送，在生產區設置1組CO2注入井、2組氣水交替注入井。經（jīng）多年運行後，注入井（jǐng）處未發生明顯（xiǎn）的水合物、結垢、流動（dòng）安全等問題。
（二） 我國海底管道（dào）技術（shù）發展現狀
我（wǒ）國基（jī）本掌握了海底管道鋪設、耐（nài）蝕管材研製、海底管道（dào）檢測評估、海底管道（dào）維修等關鍵技術（shù），為海洋CO2管（guǎn）道輸送工程建設（shè）提供了堅實的技術（shù）支撐（chēng）。
1. 海底管道鋪設技術
過去20年，我國海底管道鋪設能力得到跨越式（shì）發展，作業深度（dù）從淺水逐（zhú）步走向深水，具備1500 m深水油（yóu）氣管道（dào）的自主建（jiàn）設能力。在海底管道鋪設裝備方麵，擁有S型、卷筒鋪設等鋪管船，柔性管道鋪管船、水下機（jī）器人、噴射式和犁式挖溝機（jī）等海底管道工（gōng）程大型作業裝備（bèi）。2019年，在東方13-2油氣田自主建成了鋪設最長的海（hǎi）底管道（長度為195 km、管（guǎn）徑為0.6 m）。在深海（hǎi）作業能力方麵，2021年“深海一號”氣（qì）田建（jiàn）成我國最大水深的海（hǎi）底管道（長度為4.5 km、管徑為0.2 m），最大作業水深達1542 m。
2. 海底管道新材料技術
我國海底油氣管道普遍采用X65材質。南海荔灣輸（shū）氣管（guǎn）道工程采用了X70材質，管徑 / 厚度比為（wéi）24.1，總長度為160 km，是高強度等級鋼材用於海底管道的最新案例。近年（nián）來，相關機構加快開展高（gāo）強（qiáng）度、大厚度管材的研發與應用，整（zhěng）體技術水（shuǐ）逐步（bù）接近國際先進。在酸性（xìng）等腐蝕介質環（huán）境中，新（xīn）型耐蝕材料開始用於海底油氣（qì）管道，低（dī）成本（běn）、高耐蝕的雙（shuāng）金屬複合（hé）管在深海油氣集輸方向具有廣闊的應用前景。2017年，我國首次（cì）在文昌油田自主鋪設總長（zhǎng）度為4.92 km的不鏽鋼複合雙（shuāng）層海管。具備超深水工況下（xià）柔性管的自主安裝設（shè）計和施工能力，掌握垂直鋪設作業關鍵（jiàn）裝備技術，已在（zài）流花油田、陵水氣田等區塊形成工程案例。然而，高性能（néng）熱塑性管材及相應（yīng）的多層複合界麵（miàn）增強技術（shù）仍待攻克，才能推動海洋（yáng）柔性管的規模化應用。
3. 海底管道（dào）檢測評估技術
海底管（guǎn）道在運行過（guò）程中，受到機械或（huò）化學作用可能導致局部破裂（liè）而引發不同程度的泄漏。現有的海底管（guǎn）道檢測評估技術可分為預防性檢測技術、泄漏定位技術：前者側重於評估（gū）管道破壞風險，如保溫層完整性，管道內壁（bì）腐蝕產物、腐蝕速率、含水率的在線監測（cè）信息（xī）；後者屬於事故感知型監測手段，用於實時或（huò）在短時間內判斷泄漏發生位置（zhì），以負壓波、次聲波等監測分析方法（fǎ）為代表。在具體實施過程中，通常需要多種技術手段聯合運用（yòng）才能準確定位事故。
4. 海底管（guǎn）道維（wéi）修技術
海底管（guǎn）道維修從空間上可分為水上維（wéi）修、水下維修：前者借助重型支（zhī）持（chí）船進行海上提管維修或修（xiū）補作業（yè），適用於（yú）淺海區域中等（děng）以上破損的海底管道（需要管道停輸）；後者直接在海底（dǐ）對破損管道進行更（gèng）換（huàn）維修或開分支等作業。當管道局部損（sǔn）傷時，可采用不停輸（shū）封（fēng）堵維（wéi）修（xiū）技術，如夾具（jù）或（huò）管卡（kǎ）維修、機械式三通維修（xiū）法等；當（dāng）管道嚴重損傷或斷裂時，需在停（tíng）輸狀態下借助（zhù）機（jī）械連（lián）接器進行修複或者采用水下焊接進行維修。借助幹式艙開展水下焊接（jiē）僅適用於水深30 m以內的淺（qiǎn）水區，更深海域（yù）工況需要發展濕式水下焊接技術。
（三） 我國在役海底管道工程現狀
當前，我國海底管道總裏程超過9000 km，其中油氣混輸管道、天然氣管道、注水管道、原（yuán）油管（guǎn）道的占比分別（bié）為40%、19%、26%、13%，尚無（wú）用於CO2輸送的長（zhǎng）距離海底管道。我國海底管道多為新（xīn）建（jiàn）工程，服役時間少於10 a的管道占比約為57%，服役時間超過25 a的老舊管道僅占（zhàn）8%。海底管道的建設成本（běn）高昂，因而挖掘在（zài）役管網的調配潛力、進行多種介質分批次或定（dìng）期轉（zhuǎn）輸是未來的關注點。目前，我國已有開展海底管道轉（zhuǎn）輸的工程案例，如渤海BZ34-1油田實施了22 d的（de）海底天然氣管道改輸原油方案，在海底輸水管道轉輸油氣混合介質、含腐蝕缺陷的輸水管道轉輸天（tiān）然氣等方麵也開展了探索，為後續的在役海底（dǐ）管道轉輸CO2提供了（le）技（jì）術借鑒。天然氣管道設計壓力一般高於10 MPa（如荔灣海底輸氣管道設計壓力高達23.6 MPa），能夠滿足（zú）轉輸密（mì）相CO2的壓力等（děng）級要求；原油或油水混輸管道設計壓力多數（shù）不高於8 MPa，僅適用於（yú）氣態CO2輸送。
四、海洋CO2管道輸送工藝技術及麵臨（lín）的挑戰
（一） CO2流體（tǐ）相態及流動安全
海底管道內CO2以氣態、液態、超臨界態、固態等多種相（xiàng）態形（xíng）式存在，決定了管道內流體（tǐ）的流動特征。雜（zá）質氣體會改變CO2流體的黏度、密度、相區以及臨界相轉（zhuǎn）變點，進而影響輸送（sòng）效率和流動安全。在海底（dǐ）管（guǎn）道的低溫、高壓服役環（huán）境中，微量水可能促使CO2水合物析出，成為影響管道流動安（ān）全的重要因素。
1. CO2流體相態
CO2相態取（qǔ）決於管道輸送的溫度和壓力。在海洋環境中，如不采取高效保溫措施或輔以伴熱係統，長距離運輸過程中（zhōng）管道流體溫度將接近於海水溫度。按照（zhào）理論模型，起始溫度（dù）為15 ℃的CO2流體在輸送1.5 h後，其溫度下降（jiàng）至5 ℃左右；這一預測溫變與Snøhvit項目實際管道溫度的演變規（guī）律（lǜ）相符。管道內流體壓力（lì）的（de）變化與海床深度、輸送距離相關，在CO2自（zì）重作用（yòng）下管道流體壓（yā）力逐漸增加，而遠距離管道輸送會降低壓（yā）力。在Snøhvit項目中，管道入口端的壓力為15 MPa（設（shè）計壓力為21 MPa），153 km外、300 m深（shēn）的海底井口處壓力仍為15 MPa，表明CO2重力壓差與管道壓（yā）降相等（děng）。
圖2展示了海（hǎi）底管道中CO2相態隨溫度和壓力（lì）變（biàn）化的典型演變路徑。CO2處於超臨（lín）界態時（shí），因其具有高密度（dù）、低黏度的特點而被視為陸上（shàng）管（guǎn）道最高效的CO2輸送狀（zhuàng）態。美國Cortez項目（mù）中即采用超臨界態CO2（壓（yā）力為9.6 MPa、溫度為（wéi）43 ℃）進（jìn）行輸送。采用超臨界態CO2輸送時，全（quán）線運（yùn）行壓力應高（gāo）於1.1倍（bèi）的臨界壓力（即8.1 MPa），以避免壓力波動而進入CO2氣相區間。在英國Longannet、Kingsnorth項（xiàng）目的前端工程設（shè）計報告中，示範階段、全規模階段分（fèn）別采（cǎi）用（yòng）了氣相輸送、高壓密（mì）相輸送的（de）設計方案。采（cǎi）用氣相輸送（sòng）方案（àn）具有壓力低（dī）、成本低（dī）的優勢。對於海底管道，建（jiàn）議采用液（yè）相（xiàng）輸送（sòng）。
圖2 海底管道中CO2相態演變路徑示意圖
在長距離輸送過程中，CO2隨著溫度下降、壓力增（zēng）加而保持單一液相；在注入井筒內被地溫加熱（rè）後，1000 m左右深度（dù），CO2流體開始轉變為超臨界態，密度不會發生突變（biàn），對（duì）井筒運（yùn）行安全的影響較小。然而，在管（guǎn）道試運（yùn）行、故障停運、壓力泄（xiè）放或停輸（shū）再啟動等過程中，控製（zhì）管道壓力顯得尤為重要，因為頻繁且（qiě）高載荷的壓力波衝擊可能導致海底管道固定係統損傷以（yǐ）致出現大幅度位移。
2. 雜質氣（qì）體對CO2流體的影響
由於碳源（yuán）和捕（bǔ）集方法的差異，CO2流體中含有不同類型的雜質氣體，如燃燒後工藝捕集的CO2中含有一定量的N2、O2、CO、SO2、NO2等，天然氣中直接分離的CO2中往往含有一定量的CH4、H2S、H2等。當雜質氣體含量達到工程上限時，將對CO2流體的諸多物理參量產生影響（見圖3）。① 雜質氣體對CO2密度的影響取決於其分子量，較大分子量的（de）氣（qì）體趨向於（yú）增加CO2密度。② CO2流體黏度（dù）與分子間的摩擦力，和雜質氣體導致的紊流有關（guān）。SO2、H2S、H2O的存在將（jiāng）提高CO2流體黏度，從而增加管道輸送能耗（hào）。對於密相輸送的CO2流體，其黏（nián）度隨溫度升高而降低。③ 在水平管道內，較CO2輕的（de）雜質氣體會提高流體流速，導致管道摩阻增加、管道壓降加（jiā）大；僅有SO2、H2O會緩解沿程壓（yā）降。在下坡管道內，受流體重力的影（yǐng）響，較CO2重的（de）雜質氣體將進（jìn）一步增加流（liú）體壓力。④ 雜質氣（qì）體導（dǎo）致CO2分壓降低，可能進入氣液兩相區。H2、N2將導致最寬（kuān）的兩相區範圍，而H2O、H2S幾（jǐ）乎不改變CO2的相區分布。⑤ 各種雜質氣體均會提高CO2的臨界壓力（即>7.37 MPa），較高的臨（lín）界壓力預示著（zhe）CO2流體需在更高壓力下才能維（wéi）持密相輸送。SO2、H2S、NH3可（kě）提高CO2的臨界溫度，其他雜質氣體均可降低CO2的臨界溫度。提高臨界溫度有利於（yú）CO2流體保持密相輸送的安全性。
圖3 雜質氣體對CO2流體性質的影響（xiǎng）程（chéng）度
從圖3可知，N2對CO2流（liú）體（tǐ）行為的影響較為明顯（xiǎn），而H2S的影響較為微（wēi）弱，該結論對工（gōng）程實（shí）踐具有指導意義。在（zài）進行地質封存時，對海上（shàng）天然氣分離的CO2中H2S含量（liàng）上限可不作要求，而燃煤（méi）電廠等燃燒後捕集（jí）的CO2輸（shū）送時，合理控製N2含（hán）量成為保持流動安（ān）全性的（de）重要手段。
3. CO2水合物的形成及預防
CO2水合物是（shì）由CO2分子、水分子按特定比例構成的籠合（hé）物固體結構，若聚集會堵塞管道和閥門並影響設備運行。當存在遊離水時（shí），隻要（yào）流體溫度和壓力位於水合（hé）物形成區（見圖2），便會形成一定體（tǐ）積的CO2水合物。低（dī）溫、高壓的海底（dǐ）管道（dào）輸送環（huán）境有利於形成CO2水合物。CO2水合物形成與液態CO2中水的溶解度極限相關，快速降溫可能導（dǎo）致CO2水合物（wù）析出（chū）。例如，在壓力為8.89 MPa、溫度為-5 ℃時，摩爾比為0.001 1的含水量不會導致CO2水合物析出；當溫度降低至-10 ℃，將會（huì）析出少量（liàng）的CO2水合物。在穩態輸送工況下，隻要嚴（yán）格控製CO2流體的含水量，即可避免水合物析出。在北（běi）美地區Weyburn、NJED陸上CO2輸送項目中，采用了較低的（de）含水量（摩爾比分別為5×10-5、4.18×10-4），即使在冬（dōng）季低溫環境中（zhōng）管道內也未發現CO2水合物。當含水量較低時，即使啟停過程中或偶遇溫壓突變導致CO2水合（hé）物析出，待（dài）管道運行平穩後少量的水合物將逐漸（jiàn）分解。
此外，CO2流體含水量也是管道腐蝕控製的關（guān）鍵因（yīn）素。確定經濟（jì）合理的含水量設計值，對於海底CO2管道安全輸送至關重要。目前，同時考慮CO2水合物形成（chéng）與管道腐（fǔ）蝕的CO2含水量（liàng）控製準則研究未見報道，雜質氣（qì）體對不飽和含水條件下CO2水合物形成的協同影響等研究也（yě）屬稀缺。
部（bù）分（fèn）研究表明，CO2水合物漿料輸送也是一（yī）種（zhǒng）潛在的海洋CO2管道輸送方式，與密相輸（shū）送相（xiàng）比具有低能耗、低成本、無堵塞風（fēng）險等優勢，但固液兩相輸送可能麵臨（lín）衝刷腐蝕等潛在風險。
（二） 沿程腐蝕風險評估、監測及預警
海（hǎi）底CO2管道運行過程中不可避免地出現（xiàn）水汽凝結、遊離水聚集、偶發性水（shuǐ）段塞過流等問題，從而引發管（guǎn）道內壁腐蝕。在低溫、高壓環境中，CO2溶於水形成碳酸，碳鋼管道難以（yǐ）耐受低pH值（< 3）電解質的長期浸蝕，成為海底CO2管道腐蝕穿孔的重要誘因（yīn）。
1. 低溫、高壓CO2管道腐蝕風險評估
當存在遊離水時，管道腐蝕風險主要取決於表麵腐蝕產物（wù）膜的保護能力。在海（hǎi）底管道低溫（wēn）、高壓工況（kuàng）下，FeCO3的臨界飽和度關於溫度敏感，因而保護（hù）性不佳；水氣段塞等複雜流動可能對FeCO3膜造成衝刷腐蝕並（bìng）破壞其完整性。一旦失（shī）去腐蝕產物膜的保護，碳鋼在CO2飽和水溶液中（zhōng）將發生劇烈的活性溶（róng）解。當不存在（zài）遊離水時，管道內沉積的水滴或薄液（yè）膜成為電化學（xué）腐（fǔ）蝕發生（shēng）的電解（jiě）質場所，相應腐蝕風險與（yǔ）CO2流體的含水量和流速相關。雜質氣體（tǐ）會改變CO2流（liú）體特（tè）性，進而促成液滴沉（chén）降或改變腐蝕產物，在一定程度上加劇（jù）腐蝕。
在氣、水交（jiāo）替注（zhù）入工況下，管道內壁處於密相CO2和水相的（de）周期性交替作用環境中。對於CO2相取代水相（xiàng）的過程，滯留水膜的停留時間直接決（jué）定管道腐（fǔ）蝕風險。粗糙或帶有腐蝕產物的管道內壁容易滯留更厚的水膜，而幹燥程度更高、輸送速度更快的CO2流體有利於縮短水（shuǐ）膜停留時間。
腐（fǔ）蝕是金屬表麵發生的（de）電化學反應，隻有在表麵形成宏觀或微觀的電解質聚集（即遊離水、水滴、水膜），腐蝕才能發生。在海洋CO2輸送工況下，當管道所處水深為數（shù）百米，管道流體的溫度和（hé）壓力將處於CO2水合物形成（chéng）區間；管道內的遊離水將以水合物形式存在（zài），微（wēi）液滴或（huò）薄液膜也轉變為固（gù）態水合物，無法提供電化學反應所需的電解質（zhì）溶液。這種水合物（wù）形成環境中的管道腐蝕風險尚需進一步的實驗驗證（zhèng）。
2. 海（hǎi）底管道（dào）內腐蝕監測技（jì）術
CO2海底管道為整體焊接的封閉結構，在（zài）線監測（cè）腐蝕（shí）的難度較大（dà）。實際工（gōng）程中集成運用多種技術，發揮CO2流體監控、局部監測、定期全覆（fù）蓋檢測的優勢，輔以（yǐ）清（qīng）管作業等措施、數字孿生等技術，實現（xiàn）多源數據融合（hé）和全生命周期評價。
現（xiàn）有的CO2管（guǎn）道工程均設置了含水量監測（cè）係統，用於實時（shí）記錄CO2流體的含水量。當含（hán）水量高於設定的臨界值（zhí）時，需要啟動幹預措施以幹燥CO2流（liú）體，確保管道係統穩定運行。
安裝（zhuāng）於特定位置的腐蝕探（tàn）頭（tóu）或傳感（gǎn）器（qì）（分為電阻型、電感型、電化學型等種類），可進行腐蝕信號（hào）監測並實時獲取相關信（xìn）息。這是一種局域性的腐（fǔ）蝕監測技術，在安裝位置受限的海底環境（jìng）中難以針對腐蝕風險點（diǎn）進行全流程周密布局，可能漏失大多數腐蝕監測的關鍵信息。
腐蝕缺（quē）陷檢測是基於多種（zhǒng）物（wù）理信號反饋的全覆蓋式管道監測手段，分（fèn）為超聲法、渦流法、漏磁（cí）法等。在水下環境中，此類監測裝（zhuāng）備需要配合水下或管道機器人進（jìn）行（háng）管道沿程掃描，但成本高（gāo）昂。在清管器上搭（dā）載智能檢（jiǎn）測係統，可以獲得更（gèng）多（duō）管道內壁的腐蝕信息。對於海底CO2管道，超遠距離作業和高壓CO2對橡膠的溶（róng）解作（zuò）用導致運行清管作業存在較大的技（jì）術挑戰。
（三） CO2泄漏實時監測技術
海底管道運行環境複雜，加（jiā）之泄漏點難以預見，實時監測（cè）並（bìng）定（dìng）位管道泄漏的難度極大。當泄漏事件發生（shēng）後，首先需要借助（zhù）在線監測係統的數據分析來獲取泄漏（lòu）點（diǎn）的大概位置，再利用水下（xià）機器人對事故點附近進行巡航檢測，進（jìn）而經由影像、聲學等手段準確定位泄漏點，隨後快速處置以將環境影響降至最低。
1. 分布式光纖定位技術
光纖傳感技術是利用光纖光柵（shān）響應（yīng）周圍環境以獲得光散射信號的變化，進而準確定位（wèi）信號突變部位的一種原位監測技（jì）術。環境的應力、溫度、振動等信號變化，均會對局域光纖內光信號的散射產生影響。該技術在長距離油氣管道、輸水管道等工程中已有應（yīng）用，在海底管（guǎn）道健康監測方麵也有少量案例。根據實踐經驗，百餘千米長度管道的監（jiān）測定（dìng）位（wèi）精（jīng）度可達30 m；較短距離管道的監測定位精度（dù）可達1 m。
光纖傳（chuán）感器需要與海底管道同步（近（jìn）距離）鋪（pù）設，或緊貼（tiē）於管壁外側。海底CO2管道一旦發生局部泄漏，釋（shì）放的高壓CO2對（duì）局部環境產生降溫、振動等多重作用，均會在光纖傳感（gǎn）信號中（zhōng）得以（yǐ）體現（xiàn）。相（xiàng）較（jiào）油氣管道，CO2泄漏（lòu）導致的溫度變化（huà）更為顯著，有利於光纖傳感信號的準確識（shí）別。
利（lì）用分（fèn）布式光纖傳感技術，還可獲（huò）得管（guǎn）道外（wài）壁的（de）熱流、微振動等信（xìn）號。設置相應的信號閾值，可判斷出管道內部水合物、水遊（yóu）離水、段（duàn）塞流等的發（fā）生部位，為（wéi）現場管理及安全預警提供可靠依據。考慮到深海環（huán）境下安裝難度大、維護成本高，分布式光纖（xiān）傳感技（jì）術應用於海底管道泄漏定位還需克（kè）服具體施工問題。
2. 泄漏特征波譜定位技術
泄漏點處的CO2流體在管道（dào）內（nèi）外壓差作用下形成湍流，劇烈摩擦產生聲波信號（hào），聲波將沿（yán）著流體和管壁傳播（bō）。通過次聲波達到兩個監測點的時間（jiān）差可計算出泄漏點位置並實現定位。次聲波有著較短的波長，在傳播（bō）過程（chéng）中不易衰減，最大傳播距離可達50 km，適用於海底管道長距離泄漏監測。根據陸上油氣管道的（de）運行經驗，次（cì）聲波法泄漏點定（dìng）位（wèi）精度可達±50 m。由於次聲波作用距離遠，一定長度的管道僅需（xū）在首 / 末段安裝檢測設備即可實現全程泄漏的監（jiān）測與定位（wèi），因而具有廣闊的應用前景。
負壓波法、壓力（lì）梯度法也是海底油氣管道泄漏監測與定位的常（cháng）用方法。對（duì）於（yú）海底密相輸送CO2流體，泄（xiè）漏發生後短時間內管道內壓力變化較微弱，此（cǐ）類基於壓力（lì）敏感的定（dìng）位方法可能不適用於CO2管道（dào）泄漏監測。
3. 水（shuǐ）下機器人巡檢（jiǎn）
水下機器人（ROV）是承（chéng）擔海底管道泄漏精準定位任務的關鍵（jiàn）裝備。在（zài）經由光譜法、波譜法獲得管道泄漏事件的初步定位信（xìn）息後，需要ROV對可疑區段進行沿線巡檢；利用ROV搭載的（de）聲學、光學、溫度等傳感器，獲得（dé）管道泄漏（lòu）的定量信息。ROV工作需要潛航器或維修船配合，聯（lián）合完成海（hǎi）底管道的（de）巡檢和維修工作。以目（mù）前的（de）技術能力看，ROV可執行4000 m深水作業。
近年來（lái），自主水下航行器（AUV）正在快速發展，以適應惡劣海（hǎi）洋環境下的無人操控需求。尚處於實驗（yàn）室研發階段的長期駐守自充電AUV在海底管道（dào）檢（jiǎn）測、定位與維修等方麵展現出廣闊前景。與人工智能技（jì）術結合，AUV可（kě）適時自主開（kāi）展常規巡檢任務，獲取信息並同步傳輸至終端控製平台，等待人為（wéi）指令開展必要的維修前準備工作；將緩（huǎn）解海底管道巡檢的人力資源需求，適應極端環境下海底管道泄漏事故的快速定位與高效處置場景。
（四（sì）） 高壓CO2泄（xiè）放及對環境的影響
海底CO2泄漏將引發一係列的（de）海洋安全與環境問題。麵向突發性的海底CO2管道泄漏事故，需要認清CO2泄（xiè）放規律（lǜ），準確（què）把握泄漏過程的關鍵因素並客觀評價對環境的影響後果，才能實施應急救（jiù）援並開展後續生態補償等工作。
1. 海底管道CO2泄放規律
理解海底管道高壓密相CO2的泄放過程，需（xū）從兩方麵出發：CO2羽流在海（hǎi）水中的逸散規律，CO2泄放過程中管道內流體的相變規律。
與陸上CO2管道不同，海底管道泄放出的高壓（yā）CO2羽流會受周（zhōu）圍海水限製，其（qí）逸散規律與水深密切相關。理論研究認為，高（gāo）壓海水環境可有效抑製CO2逸散。如果泄放點淺於10 m水深，超過90%的CO2將以氣（qì）體形式快速釋放到海平麵以上的大氣（qì）中。如果泄放（fàng）點深於50 m水深，則全部CO2氣體被溶解於海水，在海平麵幾（jǐ）乎觀察（chá）不到氣泡逸（yì）出。如果泄（xiè）放點深於500 m水深，CO2將以液態形式湧出，隨（suí）後在較短時間內溶解於深層海水。如果泄放點深於1000 m水深，CO2與海水形（xíng）成水合（hé）物，可（kě）能影響泄放速率甚至間歇（xiē）性堵塞泄放口（kǒu）。
在（zài）海底管道CO2泄放過程中（zhōng），管道內部流體的溫度和壓力會發生變化，可能導致氣液（yè）兩相流動（dòng），局部（bù）低溫則進一步增加管道材料脆性斷裂的（de）風險。國內外分別開展（zhǎn）了（le）不同規模（mó）的現場管道、模擬實驗管道的測試研究。長度為50 km、管徑為0.6 m的陸上埋地管道中9300 t CO2泄放實驗表明，泄放過程中的溫度、壓力沿著氣液分界線演變，管道內出（chū）現了（le）氣液兩相（xiàng）共（gòng）存。小規模（mó）的CO2管泄放模擬中，監測到CO2流體的氣液兩相共存狀態，觀察到幹冰直接噴出現象。海洋CO2管道不設置隔離（lí）閥門或（huò）分段節流閥，如果某（mǒu）處發生泄（xiè）漏，則整（zhěng）條管道中CO2均參與（yǔ）泄放，尚無直接相（xiàng）關的實驗研（yán）究。
2. 海底管道CO2泄漏的安全、環境與生態影響
CO2雖然無毒（dú）性，但易於在地表或海麵聚集，可（kě）能對附（fù）近人員或生物造成窒（zhì）息、冷凍等安全傷害。1994—2013年，北（běi）美地區陸上CO2管道累計發生64次泄漏事件，雖未造成嚴重的傷亡事故，但需要清醒認識（shí）CO2泄漏的潛在安全隱患。例如，1986年喀麥隆的尼奧斯湖底的天然CO2大規（guī）模噴發，在短時間內蔓延至周邊的低穀地帶，造成1700餘人死亡。CO2管道中的（de）其他雜質氣體如H2S、SO2等，在泄漏過程（chéng）中也會嚴（yán）重威脅人身安全。也要注意到，海洋表麵的人員聚集度（dù）非常低，加之高壓（yā）海水可溶解並緩（huǎn）衝（chōng）CO2羽流，一（yī）般（bān）認為海底管道CO2泄漏的（de）安全風險遠低於陸上管道，對海麵船隻、平台上的工作人員影響有限。
大量泄漏的（de）CO2溶解於海水，會降低局部區域（yù）海水的pH值，短時間（jiān）內對（duì）海洋浮遊生物造成直接傷害。長期生活於低pH值環境中的海洋生物，其生活習性、細胞內環境會發生改變。也要注意到，與CO2地層泄漏不同，CO2管道泄漏（lòu）更加局域化，更容易實施人為管控措施，相應影（yǐng）響強度低、時間短；當CO2管（guǎn）道得到修複，所引發的負麵（miàn）環境生態效應也隨之（zhī）消失。
（五） 海洋CO2管（guǎn）道輸送麵臨的工藝技術挑戰
1. 低溫、高壓環境中CO2含水量閾值（zhí）設置缺乏依據（jù）
海底管道中CO2含水量控（kòng）製需要考慮腐蝕、水合物形成兩方麵因素。工程上最（zuì）簡單的做（zuò）法是將CO2脫水（shuǐ）處理，使含（hán）水量遠低於相應環境的（de）含水飽和度。國外（wài）工程（chéng）經驗是將管道輸送的CO2含（hán）水量控製在摩爾比< 5×10-4，但缺少充分的科學論（lùn）證。在Weyburn油田、Snøhvit項目中，選擇了數值更低、更為安全的含水量閾值，然（rán）而CO2脫水（shuǐ）處理成本（běn）昂貴，雜質（zhì）氣體則進一步惡化輸送環（huán）境。平衡含水量、流（liú）動安全（quán）之間的關係，成為大規模CO2管道輸送的關鍵技術（shù）難（nán）題。
2. 海底（dǐ）CO2管道腐蝕風險（xiǎn）評估與（yǔ）監測技術
CO2管道腐蝕與遊（yóu）離水存積相關，發生的時間和空間均受局域環境波動、管道幾何等因素的影響，具有較大的不確（què）定（dìng）性。常（cháng）規的全覆蓋式腐蝕監測（cè）技術不具備時效性，當（dāng）發現管道腐蝕（shí）缺陷時往往破（pò）壞已無法逆轉。局部腐蝕實時監測技術僅安裝於（yú）特定位置，存在監（jiān）測信息代表性差、腐蝕風險估（gū）計不足的問題。海底CO2管道沿程腐蝕風（fēng）險（xiǎn）評估的核（hé）心難（nán）題是融合可獲取的流體（tǐ）、環（huán）境、材料等（děng）多類型參數（shù），形成“流動‒管（guǎn）道‒材料”集成的理論預測模型和風險識別方法。
3. 超遠距離高壓CO2管（guǎn）道清管技術
清（qīng）管作業常用於（yú）管道（dào）檢測、清除堵（dǔ）塞物，是管道運行的重要（yào）保障措施。在Weyburn油田（tián）、美國NJED項目中，執行了CO2管道全（quán）線（xiàn）或支線的清（qīng）管作業，用於檢測管道腐蝕和排出遊離水。在長（zhǎng）距離CO2輸送（>50 km）過程中，清（qīng）管作業麵臨著代表性難題：清管器主要依靠流體壓力運行，超遠距離清管作業的壓力（lì）損失可能導致清管器動力不足，從（cóng）而存在滯留風險；在密相或超臨（lín）界CO2環境中，超遠距離作（zuò）業時清管器的密封部件會發生磨損或降解而失效。
4. 低成（chéng）本海底CO2管道泄漏精準定位技術（shù）
次聲波法用於泄漏定位雖然成本低、沿線裝備少，但定位精度受作業環境影（yǐng）響較大，也僅適用於距離不超過50 km的海底管道（或需要分段監測），才能確保精（jīng）度（dù）和適用性。分布式光纖傳感技術被（bèi）視為CO2海底管道泄漏快（kuài）速精準定（dìng）位的先進方向，但（dàn）光纜需（xū）要伴隨海底管道同步（bù）鋪設，施工難度大、成本（běn）高。此外，光纖傳感器僅能監測光纜（lǎn）鋪設（shè）一（yī）側的CO2泄漏信號，若進行管道空間全方位監測，需要圍繞管道至少布設（shè）4個象限的電（diàn）纜，將顯（xiǎn）著（zhe）增加工程投資。因而提（tí）高定位精度、降低（dī）工程成本（běn）是當前技術攻關（guān）的重點方向，集成多種實時監測與沿程動態模擬技術能夠更好實現全方位的快速精（jīng）準定位。
來源：海洋CO2管道輸（shū）送技術現狀與展（zhǎn）望[J].中國（guó）工程科學
