含杂质CO<sub>2</sub>输送管道裂纹扩展驱动力模型建立及验证

陈兵; 张轩畅; 齐文娇; 唐春丽; 张潇玉

doi:10.12473/CPM.202508087

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含杂质CO₂输送管道裂纹扩展驱动力模型建立及验证

油气与新能源 | 更新时间：2026-11-04

- 含杂质CO₂输送管道裂纹扩展驱动力模型建立及验证
- Establishment and Validation of a Crack Propagation Driving Force Model for Impurity-Containing CO₂ Pipelines
- 石油机械 2026年54卷第10期页码：145-152
- 作者机构：
  
  西安石油大学机械工程学院
- 作者简介：
  
  陈兵，女，教授，生于1969年，1992年毕业于甘肃工业大学化工过程机械专业，现从事CCUS及氢能管输安全技术、油气田地面输送技术和石油石化腐蚀与防护技术等方面的研究工作。地址：（710065）陕西省西安市。email：bchen@xsyu.edu.cn。
  张轩畅。email：393366618@qq.com。
- 基金信息：
  
  陕西省自然科学基础研究计划“强物性变化影响下超临界-密相CO2管输水合物生成运移机制及沉积层演化”(2025JC-YBMS-531);西安市科技局科学家+工程师队伍建设项目“酸性气因钛合金集输管道止裂控制技术研究”(25KGYB00003)
- DOI：10.12473/CPM.202508087
  中图分类号： TE832
- 收稿：2025-08-27，
  
  修回：2026-05-06，
  
  录用：2026-01-12，
  
  纸质出版：2026-10-25
- 稿件说明：
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陈兵，张轩畅，齐文娇，等.含杂质CO₂输送管道裂纹扩展驱动力模型建立及验证［J］.石油机械，2026，54（10）：145-152. DOI: 10.12473/CPM.202508087.

Chen Bing，Zhang Xuanchang，Qi Wenjiao，et al.Establishment and validation of a crack propagation driving force model for impurity-containing CO₂ pipelines［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：145-152. DOI: 10.12473/CPM.202508087.
陈兵，张轩畅，齐文娇，等.含杂质CO₂输送管道裂纹扩展驱动力模型建立及验证［J］.石油机械，2026，54（10）：145-152. DOI: 10.12473/CPM.202508087. DOI：

Chen Bing，Zhang Xuanchang，Qi Wenjiao，et al.Establishment and validation of a crack propagation driving force model for impurity-containing CO₂ pipelines［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：145-152. DOI: 10.12473/CPM.202508087. DOI：

摘要

输送管道安全平稳运行对CCUS技术的规模化应用至关重要。但由于含杂质CO

的特殊物理特性，且管道裂纹扩展过程涉及的非线性减压问题，所以常用的输气管道止裂评估模型并不适用于CO

输送管道，成为制约CCUS技术规模化应用的难题。目前一般使用管输介质的裂尖压力表征裂纹扩展驱动力，但其数值均由全尺寸爆破试验测量获得，成本较高，且受限于含杂质CO

特殊相特性，难以用于工程，迫切需要寻找经济适用的含杂质CO

输送管道裂纹扩展驱动力表征方法。基于输气管道动态断裂力学的阻力-驱动力曲线止裂判据，从含杂质CO

的特殊物理特性入手，围绕全尺寸爆破试验数据对含杂质CO

输送管道裂纹扩展驱动力的表征方式进行了深入分析，选择始终大于裂尖压力的饱和压力作为裂纹扩展驱动力进行止裂评估。采用MATLAB软件调用REFPROP物性数据库，建立了能准确描述CO

减压过程的裂纹扩展驱动力评估模型，并利用全尺寸爆破试验数据进行了验证。研究结果表明：由模拟获得的减压波曲线能够准确得到含杂质CO

减压过程中的饱和压力，可替代裂尖压力并符合工程应用要求；模拟饱和压力始终大于试验裂尖压力，且其比值范围小于试验饱和压力与试验裂尖压力的比值范围，可用于表征裂纹扩展驱动力。但该模型只能计算饱和压力，不能计算裂尖压力，且目前利用饱和压力构建的驱动力模型虽然可行，但用于参考的全尺寸爆破试验数据数量少，今后可以结合更多试验数据，特别是含杂质CO

的试验数据，探索更加精确的

驱动力模型构建方法。所得结论可为超临界/密相CO

输送管道的止裂控制研究提供参考。

Abstract

The safe and stable operation of CO

pipelines is crucial for the large-scale application of CCUS technology. However， due to the special physical properties of impurity-containing CO

and the nonlinear depressurization involved in the pipeline crack propagation process， the commonly used crack arrest assessment models for gas pipelines are not applicable to CO

pipelines， which has become a major obstacle restricting the large-scale application of CCUS technology. Currently， the crack-tip pressure of medium in pipeline is generally used to characterize the crack propagation driving force， but its values are all obtained through full-scale burst tests， which are costly and limited by the special phase characteristics of impurity-containing CO

， making them difficult to apply in engineering practices. Therefore， it is urgent to find an economical and practical method for characterizing the crack propagation driving force of impurity-containing CO

pipelines. Based on the resistance–driving force curve crack arrest criterion in the dynamic fracture mechanics of gas pipelines， and considering the special physical properties of impurity-containing CO

， an in-depth analysis was conducted on the characterization method for the crack propagation driving force of impurity-containing CO

pipelines using full-scale burst test data. The saturation pressure， which is always higher than the crack-tip pressure， was selected as the crack propagation driving force for crack arrest evaluation. Using MATLAB software to call the REFPROP physical property database， a crack propagation driving force evaluation model capable of accurately describing the CO

decompression process was established and validated using full-scale burst test data. The results indicate that the simulated decompression wave curves can accurately de

termine the saturation pressure values during the decompression of impurity-containing CO

， which can replace the crack-tip pressure and meet the requirements of engineering applications. The simulated saturation pressure is always greater than the experimental crack-tip pressure， and the simulated saturation pressure to crack-tip pressure ratio range is smaller than the experimental saturation pressure to crack-tip pressure ratio range， suggesting that the saturation pressure is suitable for characterizing the crack propagation driving force. Nonetheless， this model can only calculate the saturation pressure， but not the crack-tip pressure. Although the driving force model constructed using the saturation pressure is feasible， the number of full-scale burst test data available for reference is still insufficient. Future research should incorporate more experimental data， especially those pertaining to impurity-containing CO

， to explore more accurate approaches for constructing the driving force model. The conclusions provide a reference for crack arrest control research of supercritical/dense-phase CO

pipelines.

关键词

Keywords

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