編者按
管道輸送是經濟高效的CO2運輸（shū）方式，海洋CO2運輸是離岸碳捕集、利用與封存（CCUS）產業鏈（liàn）的關鍵環（huán）節和規模（mó）化開展（zhǎn）離岸CCUS工程建設所（suǒ）需的（de）核心技術（shù）。我國正在不斷提升海洋（yáng）CO2管道輸送的工程與技（jì）術，為實現碳達峰、碳中和戰（zhàn）略目標（biāo）而努力。
中國工程院院刊《中國（guó）工（gōng）程科學》2024年第2期刊發廈門大（dà）學材料學院王子明副教授等人的《海洋CO2管道輸送技術（shù）現狀與展望》一文。文章明晰了我國實施離岸CCUS的優勢、典型海洋碳運輸情境和海洋CO2運輸方式，剖析了國內外海洋CO2管道輸送的技術與工程概況（kuàng）；從CO2流體相（xiàng）態及流動安全，沿程腐蝕風險估、監測及預警，CO2泄漏實時監測技術，高壓CO2泄放及對環境的影響等方麵梳理了海（hǎi）洋CO2管道輸送工藝技術現狀；從CO2管道材料斷裂行（háng）為及止裂措施（shī）耐蝕及密封材料、碳鋼管道（dào）長壽命運（yùn）行的關鍵腐蝕控製技（jì）術、注采井（jǐng）筒的（de）腐蝕風險評（píng）估（gū）等方麵梳理了海洋CO2管道材（cái）料技術現狀。研究認為，加快發展適應海洋CO2管道輸送複雜工況的材料體係、全流（liú）程CO2管道的智慧管理與數字孿生技術、海底CO2管道全生命周期運行關鍵技術、在役海底管道改輸評估與（yǔ）保障技術，采取加快推動我國近海碳封存CO2管網規劃、拓（tuò）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、引導專業化技術服務企業深度（dù）參與海底（dǐ）CO2管網建設等舉措，促進我國海洋CO2管道輸送體係高（gāo）質量建設（shè）。
一、前言
碳捕集、利用與封存（CCUS）正逐漸（jiàn）發展成為我國實現碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰略目標的高效解（jiě）決方案之一，涵蓋捕集高濃度工業產生（shēng）CO2、加壓後集中（zhōng）運輸至目標區塊、進行（háng）價值利用或地質封存（cún）在內的完整技術鏈。早（zǎo）在（zài）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，吉林油田、勝利油田等油氣開發企業較早啟動了CO2驅油利用與地（dì）質封存的規模化工業試驗，初（chū）步形成了陸上CCUS工程的全流程技術鏈。2023年7月，我國陸上首條年輸送量超百萬噸的中國石化齊魯（lǔ）石化公司—中國石化勝利油田CO2管道順利（lì）建（jiàn）成，主體部（bù）分長度為109 km，將中國（guó）石化（huà）齊魯石化公司工業廢（fèi）氣中的CO2捕集、純化、增壓後經管道輸送至中（zhōng）國石化勝利油田純梁采油廠進行驅油（yóu）利用和地質封存。這一項目的投產，標誌著我國陸上CCUS工程步（bù）入（rù）了商業運營階段。
相較（jiào）陸（lù）上CCUS工程，我國離岸CCUS工程起步較晚。2021年，中國海洋石油集團有限公司啟動了我國首個海上CO2封存（cún）示範工（gōng）程（恩平15-1油田），工程（chéng）於2023年建成投運（yùn），每年將約3×105 t來源於中海油恩平油田群采出氣分離的（de）CO2注入海底800 m深的封閉鹹水空間並永久封存。同期，我國在渤海、東海、南海等海域開展了多個海洋CO2封存的前期可行性（xìng）研究。源自北歐地區的離岸CCUS工程經驗表明，在低碳經（jīng）濟指標的引導下，海底（dǐ）廣闊的（de）地層空（kōng）間可能（néng）是未來大規模（mó）封存CO2的最佳場所。
隨著離岸（àn）CCUS項（xiàng）目的（de）發展和深（shēn）化，高效匹配CO2產生源（yuán）與CO2封存有利區成為工程實（shí）踐中的一大難題，又以安全且低成本的海洋CO2運輸作為重點考量因素。本文針對我國發（fā）展離（lí）岸CCUS產業鏈麵臨的CO2運輸問題，從海底碳封存的工程需求出發（fā），立（lì）足海洋CO2運輸方式、海洋（yáng）CO2管道工程現狀，力求全麵梳理海（hǎi）洋CO2管道輸送涉及的材料（liào）、工藝等要點（diǎn），辨識相應技術瓶頸並（bìng）總結發（fā）展方（fāng）向，為（wéi）加（jiā）快離（lí）岸CCUS技術（shù）體係建設、推進離岸CCUS工程應用提供基礎參（cān）考（kǎo）。
二、離岸CCUS工程發展背景（jǐng）
（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續海洋“藍色”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（fēng）存空間，為實現“碳中和”目標提供更多選擇方案；有助於多元（yuán）化利（lì）用海洋能（néng）源資源，助力海洋（yáng）經濟發展。我國開展離岸CCUS工程建設，具有以（yǐ）下三方麵優勢。
1. 海底（dǐ）碳封存潛力及源匯匹配
我國海岸線總長度超過1.8×104 km，近海海域麵積超過4.7×106 km2，相應的海域CO2地質封存潛力為2.58×1012 t ，可為實現“雙碳”目標提供重要支（zhī）撐。東部沿（yán）海地（dì）區是經濟發達地區，具有大量的工業碳（tàn）源（約占全國碳排放總量的（de）41%），可與海（hǎi）洋地質碳（tàn）匯空間進行高（gāo）效的源匯（huì）匹配。我國離岸50~300 km範圍內的近海沉積盆地，有著巨大的（de）CO2封存容量，可以滿足沿海地區百年以上（shàng）的碳封存需求。
2. 封存安（ān）全與風（fēng）險可控
對於陸上CCUS，即使（shǐ）在（zài）向地層注入CO2前執行了嚴格的選址標準、采取了周（zhōu）密的方案（àn）設計，在注入過（guò）程中及注入後依然需要考慮CO2泄漏的（de）潛在（zài）風險。相比之下，離岸CCUS工程風（fēng）險（xiǎn）的後果更小，這是因為：海（hǎi）底環境因海水壓力的作用而較陸（lù）上環境更不利於CO2的規模化泄（xiè）漏；海水（shuǐ）的溶解、擴散等過（guò）程可極大降（jiàng）低（dī）海洋CO2泄漏（lòu）帶來的環境影響；近（jìn）海海底封存遠離人口聚集區（qū），CO2泄漏造成的（de）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（qū）域的石油儲量預計值分別為1×1010 t、2.75×1010 t 。聯（lián）合實施海（hǎi）底（dǐ）碳封存、CO2驅油，能夠以（yǐ）經濟的方式實現油氣領域（yù）“雙碳”目標，甚至能夠實現“負（fù）碳排放”的（de）油氣（qì）開發模式。此外，充分發揮海（hǎi）上風電、潮汐能、波浪能等能（néng）源資源，能夠進一步（bù）優化離岸CCUS產（chǎn）業鏈，降低CO2捕集、運輸、利用等（děng）方麵的成本，從而推動傳統行（háng）業與新能源產業（yè）的融合發展。
（二） 典型的海洋（yáng）碳運輸情（qíng）境
在離岸CCUS工程（chéng）中，從碳源規模、海洋封存選（xuǎn）址角度看，存在3種典型的碳運輸模式（見圖1）：陸‒海運輸（shū）、海‒海（hǎi）運輸、跨區域遠距離運輸（shū）。
圖1 典型海洋CO2運輸模式
陸‒海（hǎi）運輸（shū）模式具有（yǒu）規模（mó）大、連續產（chǎn）出的特點，碳源多為沿海（hǎi）熱電（diàn）廠、化工廠（chǎng）等捕集的燃（rán）燒後CO2，經純（chún）化後仍（réng）含有少量水汽、氧氣以及硫氧化物、氮氧化物等雜質組分。該運輸模（mó）式涉及各類工廠產生的（de）CO2匯集至沿海CO2儲運點、通過大規模長距離（lí）的海上（shàng）運輸（shū）到達封存點。
海‒海運輸模式中的CO2主要是海洋（yáng）油氣生產過程中分離的燃燒前CO2，通常含有少量水汽以及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離出的CO2運輸至集中平台（tái）進行（háng）增壓（yā）注入，以實現海洋平台之間的碳轉（zhuǎn）運。
跨區域遠（yuǎn）距離運輸模式指跨省份、跨地區甚至跨國、跨洲（zhōu）際碳交易情形下的海洋CO2運輸，碳源呈現多樣化，通過較（jiào）遠距離（>500 km）碳運（yùn）輸到達最優的海（hǎi）底碳封存地點。相應運輸線路可能途經陸地（dì）、海洋等，運載量主要與碳源量、碳（tàn）稅政策、經濟指標等因素相關。
（三） 海洋CO2運輸方式
海洋CO2通常采用（yòng）的輸送（sòng）方式有水上運載器（qì）（如船舶）、水下（xià）管（guǎn）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，需兼顧碳源形式、輸送量、輸送距離等變量進行優選。船舶運輸適用（yòng）於：小規模、分散（sàn）碳源，水路運輸線路（lù）密集分布（bù）的地區；跨越區域較遠距離的碳（tàn）運輸（shū）。管道（dào）運輸具有（yǒu）規模大、運量穩定等（děng）優點（diǎn），是陸（lù）地或海洋（yáng）CO2連續大（dà）規模輸送的備選方案，適用於碳源穩（wěn）定（dìng）、輸量大、距離適中的海（hǎi） / 陸碳封（fēng）存工程（chéng）。當前的CO2管道主要建於陸上，如北美地區建設的CO2管道長度累計超過（guò）6000 km。海洋CO2管道工程（chéng）案例較少，挪威Snøhvit項目是目（mù）前規模較大的海洋（yáng）CO2管道工程。歐洲規劃（huá）的CO2管道建設裏程為3×104~1.5×105 km，多（duō）為海底管道。鑒於我國沿海地（dì）區的碳源（yuán）與碳匯格局，未來一定時期內我國海洋CO2管道輸送的（de）需求量巨大。
從工程投資（zī）的角（jiǎo）度看，船舶運輸、管道運（yùn）輸在大（dà）規（guī）模CO2輸（shū）送方麵均具有優勢，如運（yùn）載量超過（guò）1×106 t/a後，對於250 km運輸距離，可將（jiāng）運輸（shū）成本控製在1~10歐元/t的較低水平。我（wǒ）國陸上CO2管（guǎn）道的運輸成本可（kě）低至0.4~0.6元（yuán）/（t·km），海洋CO2管道的運輸成（chéng）本通常為同等規（guī）模陸上方案的（de）2倍，主要原因是後者的建（jiàn）造成本高出40%~70%。船舶運輸是間歇性流程，運輸船的係泊（bó）受（shòu）海洋環境影響較大，需要設置大容量CO2儲罐，都將增加船舶運輸成本。海（hǎi）洋運輸方式的選擇通常取決於運載（zǎi）量和運輸（shū）距離。在固定（dìng）年運量的條件下，海底管（guǎn）道在短距離運輸時更經濟。我國海洋CO2管道將呈（chéng）規模化發展勢頭，相應的單位運輸成（chéng）本走低，在遠距離（lí）運輸中也將逐（zhú）漸取代傳統的船舶運（yùn）輸（shū）。
三、海洋CO2管道（dào）輸送的工（gōng）程與技術現狀
（一） 國（guó）外海洋CO2輸送工程案（àn）例
1. 陸‒海遠距離輸送與注入
挪威Snøhvit項目是目（mù）前少數成功運行的海洋CO2管道輸送項目，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水深的海底碳封存點，設計輸送量約為（wéi）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（jí）和純化後，再（zài）采（cǎi）用分子篩技（jì）術將含水量降至極低水平（摩爾比為5×10-5），以最大程度控製運行過程中的管道腐蝕風險。管道（dào）入口（kǒu）端的（de）CO2流體溫度（dù）為25 ℃、壓（yā）力為15 MPa，輸送至海底管道末端後溫度降低至5 ℃。海底管道全程焊接（不分段），未設置中轉站或增壓站、閥門等設施，僅在陸地段設置管道清掃設施用於特殊工況下的應急處置。基於動態生產模（mó）擬軟件進行管道運行（háng）的全程（chéng）實時監控，輔助進行泄漏探查、清管器模擬跟蹤和自動（dòng）控製（zhì）。
2. 海‒海近距離直接注入
Sleipner項目位於挪威北海區域，是國際上最早開展海上CO2封存的（de）項目；CO2分離自海上生產的天然（rán）氣，被注入至臨近天然氣（qì）藏（深度約為1000 m）的地質儲層內。注入係統位於（yú）天然氣生產平台，故無需（xū）長距離輸送（sòng）CO2，CO2被分離後未經幹燥流（liú）程直接加壓注入地層（注入壓（yā）力為6 MPa、注入溫度為25 ℃）；采（cǎi）用25Cr不（bú）鏽鋼（gāng）管道以抵禦腐蝕問題。項目（mù）自1996年開始運行（háng），累計注入CO2約2.7×107 t ，注入管道未發生腐（fǔ）蝕和泄漏情況，驗證了高（gāo）耐蝕材料在短距離輸（shū）注工況中的應用（yòng）可靠性。
巴西Lula油田是國（guó）際上首個開展離岸大規模CO2驅油（yóu）工程的油田，2011年正式啟動，工程水深約2200 m，采（cǎi）用浮式平台開采模式以提高經濟（jì）性。為提高石油采收率和環境效益，將伴生氣（qì）中（zhōng）的CO2（含（hán）量約為12%）直接在采油平台進行分離和回注，無需長距離輸送，在生產（chǎn）區設置1組CO2注入井、2組（zǔ）氣水交替注入（rù）井。經多年運行後，注入井處未發生明顯的水合（hé）物、結垢、流動安全等問題（tí）。
（二） 我國海底管道技術發展現狀
我國基本掌（zhǎng）握了海底管道鋪設、耐蝕管材研製（zhì）、海底管道檢（jiǎn）測評（píng）估、海底管道維修等關鍵技術（shù），為海洋CO2管道輸（shū）送工程建設提供了堅實的技術（shù）支撐（chēng）。
1. 海底管道鋪設技術
過去20年（nián），我國（guó）海底管（guǎn）道鋪設能力得（dé）到跨越式發展，作業深（shēn）度從淺水逐步走（zǒu）向深水，具備1500 m深水油（yóu）氣管道（dào）的自主建設（shè）能力。在海底管（guǎn）道鋪設裝備（bèi）方麵，擁有S型、卷筒鋪設（shè）等鋪管船（chuán），柔性管道鋪管船、水下機器人、噴射式和犁式挖溝機等海底管道工程大型作業裝備（bèi）。2019年，在東方13-2油氣田自主建成了（le）鋪設最長的海底管道（長（zhǎng）度為195 km、管徑為0.6 m）。在深（shēn）海作業能力方麵，2021年“深海一號”氣田建成我國最大水深的海底管道（長度為4.5 km、管徑為0.2 m），最大（dà）作業水深達（dá）1542 m。
2. 海底管道新材料技術
我國海（hǎi）底油氣管道普遍采用X65材質。南海荔灣輸氣管（guǎn）道工程采用（yòng）了X70材質，管徑 / 厚度比為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（lì）。近年來，相關機構加快開展高強度、大厚度管材（cái）的研發與應用，整（zhěng）體技術水逐（zhú）步接近國際先進（jìn）。在酸性等腐蝕介質環境中，新型耐蝕材料開始用於海底油氣管道，低成（chéng）本、高耐蝕的雙金屬複合管在深海油氣集輸方向具有廣闊的應用前景。2017年，我國首次在文昌油田（tián）自主鋪設總（zǒng）長度為4.92 km的不鏽鋼（gāng）複合雙層海管。具備超深水（shuǐ）工況下柔（róu）性管的自主安裝設計和施工能力，掌握垂直鋪設作業關鍵裝備技術，已在流花油田、陵水氣田等（děng）區塊形成工（gōng）程案例。然而，高性能熱（rè）塑性管材及（jí）相應的多層複合界麵增強技術仍待攻克，才能推（tuī）動海洋柔性管（guǎn）的規模化應（yīng）用。
3. 海底管道檢測評估技術
海底管道在（zài）運行過程中，受到機械或化學作用可能導致局部破裂而引發不同程度的泄漏。現有的海底管道檢測評估技術可分（fèn）為預防性檢測技術、泄漏定位技術：前者側重於評估管道破（pò）壞風險，如保溫層完整性，管道內壁腐蝕產物、腐蝕速率、含水率的在線監測信息；後者屬於事故感知型監（jiān）測手段，用於實（shí）時或在短時間內判（pàn）斷泄漏發生位置，以負壓（yā）波、次聲（shēng）波等監測分析方法為代表。在具體實施過程中，通常需要（yào）多種技術手段聯合運用才能準確定位事（shì）故。
4. 海底管道維修技術
海底（dǐ）管道維修從空間上（shàng）可分為水上維修、水下維修：前者借助重型支持船進行海上提管維修或（huò）修補（bǔ）作業，適用於淺（qiǎn）海區域中等以上破損的海底管道（需要管道停輸）；後者直接在海底對破損管（guǎn）道進行更換維修或開分支等作業。當管道（dào）局（jú）部損傷時，可（kě）采用不（bú）停輸封堵維修技術，如夾具（jù）或管（guǎn）卡維修、機械（xiè）式三通維修（xiū）法等（děng）；當（dāng）管道嚴重損傷或斷裂時，需在停輸狀態下借助機械連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僅適用於水深30 m以內的淺水區，更深（shēn）海域工（gōng）況需要發展濕式水下（xià）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（qí）中油氣混輸管道、天然氣管道（dào）、注水（shuǐ）管道、原油管道的占比分（fèn）別為（wéi）40%、19%、26%、13%，尚無用（yòng）於CO2輸送的長距離海（hǎi）底管道。我國海底管道多為新建工程，服役時間少於10 a的管道占比（bǐ）約為57%，服役時間超（chāo）過25 a的老舊（jiù）管道僅占8%。海（hǎi）底管道的建設成本高昂，因而挖掘在役管網的調配潛力、進行多種介質分批次或定期轉輸（shū）是未來的關注點。目前，我國已有開（kāi）展海底管道（dào）轉輸的工程案例，如（rú）渤海BZ34-1油田實施了22 d的海底天然（rán）氣管道改輸（shū）原油方案（àn），在海底輸水管道轉輸油氣混合介質、含腐蝕缺陷的輸（shū）水管道轉輸天然氣等方麵也開（kāi）展了探索，為後續的在役海底管道轉輸CO2提供了（le）技（jì）術借鑒。天然氣管（guǎn）道設計壓力一般高於10 MPa（如荔灣海底輸（shū）氣管道設計壓力高（gāo）達23.6 MPa），能夠滿足轉輸密相CO2的壓力等級（jí）要求（qiú）；原油或油水混輸管道設計壓力多數不高於8 MPa，僅適用於氣（qì）態CO2輸送。
四、海洋CO2管道輸送工藝技術及麵臨（lín）的（de）挑戰
（一（yī）） CO2流體相態及流動安（ān）全
海底管道內CO2以氣態、液態、超臨界態、固（gù）態等多種相態形式存在，決定了管道內流體的流動特征。雜質氣（qì）體會改變CO2流體的黏度、密度、相區（qū）以及臨界相轉變點，進而影響輸送效率和流動（dòng）安全。在（zài）海底管道的低溫、高壓服役環境中，微量（liàng）水可能（néng）促使（shǐ）CO2水（shuǐ）合（hé）物析（xī）出，成（chéng）為影（yǐng）響管道（dào）流動安全的重（chóng）要因素。
1. CO2流體相態
CO2相態取決於管道輸送的溫度和壓力（lì）。在海洋環境中，如不（bú）采取高效保溫（wēn）措施或輔以伴熱係統，長距離運輸過（guò）程中管道（dào）流體溫度將接近於海水溫度。按照理論模型，起（qǐ）始溫度為15 ℃的CO2流體在（zài）輸送1.5 h後，其溫度下降至5 ℃左右；這一預測溫變（biàn）與Snøhvit項目實際管道溫度的演變規（guī）律相符。管道（dào）內（nèi）流體壓（yā）力的變化（huà）與海床深度、輸送距離相關，在CO2自重作用（yòng）下管道流體壓力逐漸增加，而遠距（jù）離管道輸送會降低壓力。在Snøhvit項目中，管道入口（kǒu）端的壓力為15 MPa（設計壓力為21 MPa），153 km外、300 m深的海底井口處壓力仍為15 MPa，表明CO2重力壓（yā）差與管道壓降相等。
圖2展示了海底（dǐ）管道中CO2相態隨溫度和壓力變化的典型演變路徑。CO2處於超臨（lín）界態時，因其具有高密度、低黏度的特點而被視為（wéi）陸上（shàng）管道最高效的CO2輸送狀態。美國Cortez項目中即采用超臨（lín）界態CO2（壓力為（wéi）9.6 MPa、溫度為43 ℃）進行輸送。采用超臨界態CO2輸送時，全線運行壓力應高於（yú）1.1倍的臨界壓力（即8.1 MPa），以避（bì）免壓力波（bō）動而進入CO2氣相區間。在英國Longannet、Kingsnorth項目的前端工程設（shè）計報告中，示範階段、全規模階段分別采（cǎi）用了氣相輸送、高壓（yā）密相輸送的設計方案。采用氣相輸送（sòng）方案具（jù）有壓力低、成本低的（de）優勢。對於（yú）海底管道，建議采用液相輸送。
圖2 海底管道中（zhōng）CO2相態演變路徑示意圖
在（zài）長（zhǎng）距（jù）離輸送過程中，CO2隨著溫度下降、壓力增加（jiā）而保持單一液相；在注入井筒內被地溫加熱後，1000 m左右深度，CO2流體開始轉變為超臨（lín）界態，密度不會發生突變，對（duì）井筒運行安全的影響較小。然而，在（zài）管道試運行、故障停運、壓力泄放或停輸再啟動等過程中，控製管道壓力顯得尤為重要，因為頻繁且高（gāo）載荷的壓力波衝擊可能（néng）導致海底管道固定係統損傷以致（zhì）出現大幅度位（wèi）移。
2. 雜質（zhì）氣體對CO2流體的影響（xiǎng）
由於碳源和捕集方法的差異，CO2流體中含有不同類型的雜質（zhì）氣體，如燃燒後工藝捕集的CO2中含有一定量（liàng）的N2、O2、CO、SO2、NO2等，天（tiān）然氣中直接分離的CO2中（zhōng）往往（wǎng）含有一定量的CH4、H2S、H2等（děng）。當（dāng）雜質（zhì）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（tú）3）。① 雜質氣體對（duì）CO2密度的影（yǐng）響取決於其分子（zǐ）量（liàng），較大分子（zǐ）量的氣體趨（qū）向於增加（jiā）CO2密（mì）度。② CO2流體黏度與（yǔ）分子間的摩擦力，和雜質氣體導致的紊流有關。SO2、H2S、H2O的存在（zài）將提高CO2流體（tǐ）黏度，從而增加管道輸（shū）送能耗。對於密（mì）相輸送的CO2流體，其黏度隨溫（wēn）度升高而降低。③ 在水平管道內，較CO2輕的（de）雜質氣體會提（tí）高流體流速，導致管道摩阻增加（jiā）、管道壓降加大；僅有SO2、H2O會緩解沿（yán）程（chéng）壓降。在下坡管道內，受流（liú）體重力的影響，較CO2重的雜（zá）質（zhì）氣體將進一步增加流體（tǐ）壓（yā）力。④ 雜質（zhì）氣體導（dǎo）致（zhì）CO2分壓降（jiàng）低，可能進入氣液兩相區。H2、N2將導致最寬的兩相區範圍，而H2O、H2S幾乎不改變CO2的相區分布。⑤ 各種雜（zá）質氣體均會提高CO2的臨界壓力（即>7.37 MPa），較高的臨界壓力預示著CO2流體需在更高壓力下才能維持密相（xiàng）輸送。SO2、H2S、NH3可提高CO2的臨界溫度，其他雜（zá）質氣（qì）體均可降低CO2的臨界溫度。提高臨界溫度有利（lì）於CO2流體保持密相輸送的安全性。
圖3 雜質氣體對CO2流體性質的影響程度
從（cóng）圖3可知，N2對CO2流體行為的影響較為（wéi）明顯，而H2S的影響較為微弱，該結論對工程實踐具有指導意（yì）義（yì）。在進行地質封存（cún）時，對海（hǎi）上天然氣分離的CO2中H2S含量上限可不作要求（qiú），而燃煤電廠等燃燒後捕集的CO2輸送時，合理控製N2含量成為保持（chí）流動安全性的重要手（shǒu）段。
3. CO2水合物的形成及預防
CO2水合物（wù）是由CO2分子、水分子按特定比例構成的籠合物固（gù）體結構，若聚集會堵塞管道和（hé）閥門並影（yǐng）響設備（bèi）運行。當存在遊離水時，隻要流體溫度和壓力位於水合物形成區（見圖2），便會形（xíng）成一定體積的CO2水合（hé）物。低溫（wēn）、高壓的海底管道輸送環境有利於形成CO2水合物。CO2水合物形（xíng）成（chéng）與液態CO2中水的溶（róng）解度極限（xiàn）相（xiàng）關，快（kuài）速降溫可能導致CO2水合物析出。例如，在壓力為8.89 MPa、溫度為-5 ℃時，摩（mó）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 ℃，將會析出少量的CO2水（shuǐ）合物。在穩態輸送（sòng）工況下，隻要嚴格控製CO2流體的含水量（liàng），即可避免水合物析出（chū）。在北美（měi）地區Weyburn、NJED陸上CO2輸（shū）送項目中，采用了較低（dī）的含水量（摩爾比分別為5×10-5、4.18×10-4），即使在冬季低溫環境中管道內也未發現CO2水合物。當含（hán）水量較低時，即使（shǐ）啟（qǐ）停過程中或偶遇溫壓突變導致CO2水合物析出，待管道運行平穩後少量的水合（hé）物將逐漸分解。
此（cǐ）外（wài），CO2流體含（hán）水量也是（shì）管道腐蝕控（kòng）製的關鍵因素。確定經濟合理的含水量（liàng）設計值，對於海底CO2管道安（ān）全輸送至關重要。目前，同時考（kǎo）慮CO2水合物（wù）形成與管道腐蝕的CO2含水量控製準則研究未見報（bào）道，雜質氣（qì）體對（duì）不飽和含水條（tiáo）件下CO2水合物（wù）形成的協同影響等研究也屬稀缺。
部分研究表明，CO2水合（hé）物漿（jiāng）料輸送也是一種潛在的海洋CO2管道輸送方式（shì），與（yǔ）密相輸送相比（bǐ）具有低能（néng）耗、低成本、無（wú）堵塞（sāi）風險等優勢（shì），但固液兩相輸送可能麵臨衝刷腐蝕等（děng）潛在風險。
（二） 沿程腐（fǔ）蝕風險（xiǎn）評估、監測及預警
海底CO2管道運行過（guò）程中不可避（bì）免地出（chū）現水汽凝結、遊離水聚集、偶發性水段塞過流等問題，從而引發（fā）管道內壁（bì）腐（fǔ）蝕。在低溫、高壓環境中，CO2溶（róng）於水形成碳酸，碳鋼管道難以耐受低pH值（< 3）電解質的長期浸蝕，成為海（hǎi）底CO2管道腐蝕穿孔的重要誘因。
1. 低溫、高壓CO2管道腐蝕風險評估
當存（cún）在遊（yóu）離水（shuǐ）時，管道腐蝕風險主（zhǔ）要取決於表麵腐蝕產物膜的保（bǎo）護能力。在海底管道低溫、高（gāo）壓工況下，FeCO3的臨界飽和（hé）度關於溫度敏（mǐn）感，因而保護性不佳；水氣段塞等複雜流動可能對FeCO3膜造（zào）成衝刷腐蝕（shí）並破壞其完整性。一旦失去腐蝕產物膜的保護，碳鋼在CO2飽和水溶液中將發生劇烈的活性溶解（jiě）。當不存在遊（yóu）離水時，管道內沉積的水滴或（huò）薄液（yè）膜成（chéng）為電化學腐蝕發生的電解質場所，相應腐蝕風險與CO2流體的含（hán）水量和流速相關。雜質氣體會改變CO2流（liú）體特性，進而促成液滴沉降或改變腐蝕產物（wù），在一定程度上加劇腐蝕。
在氣、水交替注（zhù）入工況下，管（guǎn）道內壁處於密相CO2和（hé）水相（xiàng）的（de）周期性交替作用環境中。對於CO2相（xiàng）取代（dài）水相的過程，滯（zhì）留水膜的停留時間直接決定管道（dào）腐蝕風（fēng）險。粗糙或帶有腐蝕產物的管道內壁（bì）容（róng）易滯留更厚的水膜，而幹燥程度（dù）更高、輸送速度更快的CO2流體有（yǒu）利於（yú）縮短水膜停（tíng）留時間。
腐蝕是金屬（shǔ）表麵發生的電化（huà）學反（fǎn）應，隻（zhī）有在表麵（miàn）形（xíng）成宏（hóng）觀或微觀的電解質聚集（即遊離（lí）水、水滴、水膜），腐蝕才能發生。在海洋（yáng）CO2輸送工況下（xià），當管道所處水深為數百（bǎi）米，管道流體的溫度和壓力將處（chù）於CO2水合（hé）物形成區間；管道內的遊離水將以（yǐ）水合物形式存在，微液滴或薄液膜也（yě）轉（zhuǎn）變為固態水合物，無法提供電化學反應所需的電解質溶（róng）液。這種水合物形成環境中的管（guǎn）道腐蝕風險尚需進一步的實驗驗證。
2. 海底管道（dào）內（nèi）腐蝕監測技術
CO2海底管道為整體焊接的封閉結構，在線監（jiān）測腐蝕的難度較大。實際工程中（zhōng）集成運用多種技術（shù），發揮CO2流體監控、局（jú）部監測、定期全覆蓋檢測（cè）的優勢，輔以清管作業（yè）等措施（shī）、數字孿生等技術，實現多源數據融合和全生命周期評價。
現有（yǒu）的CO2管道工程（chéng）均設置（zhì）了含水量監測係統，用於實（shí）時記錄CO2流體的含水量。當（dāng）含水量高於設定的臨界值時，需要啟動幹預措（cuò）施以幹燥CO2流體，確保管道係統穩定運行。
安裝於特定位置的腐蝕探頭或傳感器（分為電阻型、電感型、電化（huà）學（xué）型等種類），可進行腐蝕信號監測（cè）並實時獲取相關信息。這是一種局域性的腐蝕監測技術，在安裝位置受限的海底環境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。
腐蝕缺陷檢測是基於多種物理信（xìn）號（hào）反饋的全覆蓋式管道監測手段，分為超聲法、渦流法、漏磁法等。在水（shuǐ）下環境中，此類監測裝備需要配合水下或（huò）管道機器人進行管道（dào）沿程掃（sǎo）描（miáo），但（dàn）成（chéng）本高昂。在清管器上搭載智能檢測係統（tǒng），可以獲得更多管道內壁的腐蝕信息（xī）。對於海底CO2管道，超遠距離作業和高壓CO2對橡膠的溶解作用導致運行清管作業存（cún）在較（jiào）大的技術挑戰（zhàn）。
（三） CO2泄（xiè）漏實時監測技術
海底管（guǎn）道運行環境複雜，加之泄漏點難以預見，實時監測並定位管（guǎn）道泄漏的難（nán）度極大。當（dāng）泄漏事件發生後，首先需要借助在線監測係統的數據分析來獲取泄漏點的大概位置（zhì），再利用水下機器人對事（shì）故點附近進行巡航檢測，進而經由影像、聲學等手段準確（què）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（shì）光纖定位技術
光纖傳感技術是利用光（guāng）纖光柵響應周圍環境以獲得光散射（shè）信號的變化，進而準確定位信號突變部位（wèi）的一種原位監測技術。環境的（de）應力、溫（wēn）度（dù）、振動等信號變化，均會對局（jú）域光纖內光信號（hào）的（de）散射產生影響。該技術在長距離油氣管道、輸（shū）水（shuǐ）管道等工程中已有應（yīng）用，在海底管道（dào）健康監測方麵也有少量案例。根據實踐（jiàn）經驗（yàn），百餘千米長度管道的監測定位精度可達30 m；較短距（jù）離管道的監（jiān）測定位精度可達（dá）1 m。
光纖傳感器（qì）需（xū）要與海底管道同（tóng）步（bù）（近距離）鋪設，或緊貼於管壁外（wài）側。海底CO2管道一旦發（fā）生（shēng）局部泄漏，釋放的高（gāo）壓CO2對局部環境產生降溫、振動等多（duō）重作用，均會（huì）在光纖傳感信號中得以體現。相較油氣管道，CO2泄漏導致的溫度變化更為顯著，有利於光纖傳感信號的（de）準確識別。
利用分布式光纖傳感技術，還可（kě）獲得（dé）管道外壁的熱流、微振（zhèn）動等信（xìn）號。設置相應的信號閾值，可（kě）判斷出管道內部水合物、水遊離水、段塞流等的發生部位，為現場管理及安全預警提供可（kě）靠依據。考慮（lǜ）到深海環（huán）境下安裝難度大、維護成本高，分布式光纖傳感技術應用於海（hǎi）底管道泄漏（lòu）定位還需克服具（jù）體施工問題。
2. 泄漏特（tè）征波譜定位技（jì）術
泄漏點處（chù）的CO2流體在管道內外壓差作用下形成湍流，劇烈摩擦產生聲波信（xìn）號，聲波（bō）將沿著流體和管壁傳播。通過次聲波達到（dào）兩個監測點的時間差可計算出泄漏點位置並實現定（dìng）位。次聲波有著較短的波長，在傳播過程（chéng）中不易衰減，最大傳（chuán）播距離可達50 km，適用於海底（dǐ）管（guǎn）道長距離泄漏監測。根據陸上油氣管道的運行經驗，次聲波法泄漏（lòu）點定位精（jīng）度可（kě）達±50 m。由於次聲波作用距離遠，一定（dìng）長度的管道僅需在首 / 末段安裝檢測設備即可實現全程泄漏的監測與定位，因而具有廣闊的應用前景。
負壓波法、壓力梯度法也是海底油氣管（guǎn）道泄漏監測與定位的（de）常用方法。對於（yú）海底密（mì）相輸送CO2流體，泄漏發生後短時間內（nèi）管（guǎn）道（dào）內壓力（lì）變化較微弱，此類基於壓力敏感的定位方法可能不適用於CO2管道泄漏監測。
3. 水下機器（qì）人巡檢
水下機器（qì）人（ROV）是承擔海底管（guǎn）道泄漏精準定位任務的關鍵裝（zhuāng）備。在經由光（guāng）譜法、波譜法（fǎ）獲得管道泄（xiè）漏事件的初步定位信（xìn）息後，需要ROV對可疑區段進（jìn）行（háng）沿線巡檢；利用ROV搭載的聲學、光學、溫度等傳感器，獲得管道泄漏的定（dìng）量信息。ROV工作需要潛航器或維（wéi）修船配（pèi）合，聯合完成海底管道的巡檢和維修工作。以目前（qián）的技（jì）術能力看，ROV可執（zhí）行（háng）4000 m深水作業（yè）。
近年來，自主（zhǔ）水下航行器（AUV）正在（zài）快速發展，以適應（yīng）惡劣海洋環境下的無人操控需求。尚處於實驗室研發階段的長期駐守自充電AUV在海底（dǐ）管道檢（jiǎn）測（cè）、定位與維修等方麵展現出廣闊前景。與（yǔ）人工智能技術結合（hé），AUV可適時自主開展常規巡檢任務，獲取信息並（bìng）同步傳輸至終端控製平台，等待人為指令開展必（bì）要的維修（xiū）前準備工作；將（jiāng）緩解海底管道巡檢的人力資源需求，適（shì）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） 高壓CO2泄放及（jí）對環境的影響（xiǎng）
海底CO2泄漏將引發（fā）一係列的海（hǎi）洋安全與環境（jìng）問（wèn）題。麵向突發性的海（hǎi）底CO2管道泄漏事故，需要認清CO2泄放規律（lǜ），準確把握泄漏過程的關鍵因素並客觀評價對環（huán）境（jìng）的影響（xiǎng）後果，才能實施應急救援（yuán）並開展後續生態補償等工作（zuò）。
1. 海底管道CO2泄放規律
理解海底（dǐ）管道高壓密相CO2的泄放過程，需從兩（liǎng）方麵出發：CO2羽流在海水中的逸散規（guī）律，CO2泄放過程中（zhōng）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（chū）的高（gāo）壓CO2羽流會受周圍海水限製，其逸散規律（lǜ）與水深（shēn）密切（qiē）相關。理論研究認為，高（gāo）壓海水環境可有效抑（yì）製CO2逸散。如果泄放點淺於10 m水深，超過90%的CO2將以（yǐ）氣體形（xíng）式快速釋放到海平麵以上的大氣中。如（rú）果泄放點深（shēn）於50 m水深，則（zé）全部CO2氣體被溶解於海水，在海平麵（miàn）幾乎觀（guān）察不到氣泡逸出。如果泄放點深於500 m水深，CO2將以液態形式湧出，隨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（shēn），CO2與海水形成水合物，可能影響泄放速率甚至間歇性（xìng）堵塞泄放口。
在海底管道CO2泄放過程中，管道（dào）內部流體（tǐ）的溫度（dù）和壓力（lì）會發生變化，可能（néng）導致氣液兩（liǎng）相（xiàng）流動，局部（bù）低溫則進一步增加管道材料脆性斷裂的風（fēng）險。國內外分別開展了不同規模的（de）現場管（guǎn）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，管道內出現了氣（qì）液兩相共存。小規模的CO2管泄放模擬中，監測到CO2流體的氣液兩相共存狀（zhuàng）態，觀察到（dào）幹冰直接噴出現象。海洋CO2管道不設置隔離閥門或分段節流閥，如果某（mǒu）處發生泄（xiè）漏，則整條管道中CO2均參與泄放，尚無直接（jiē）相關的實驗研究。
2. 海底管道CO2泄漏（lòu）的安全、環境與生（shēng）態影響
CO2雖然無（wú）毒性（xìng），但易於在地表或海麵聚集，可能對附近人員或生物造成窒息、冷凍（dòng）等安全傷害。1994—2013年，北（běi）美地區（qū）陸上CO2管道累計發生（shēng）64次（cì）泄漏事件，雖未造成嚴重的傷亡事故，但（dàn）需要（yào）清醒認識CO2泄（xiè）漏的潛在（zài）安全隱（yǐn）患。例如，1986年喀麥隆的尼奧（ào）斯（sī）湖底（dǐ）的天然（rán）CO2大規模噴發，在短時間內（nèi）蔓延至周邊的低穀地帶，造成1700餘人死亡。CO2管道中的其他雜質（zhì）氣（qì）體如（rú）H2S、SO2等（děng），在泄漏過程中也會嚴重威脅人（rén）身安全。也要注意（yì）到，海洋表麵（miàn）的人員聚集（jí）度非常低，加之高（gāo）壓（yā）海水（shuǐ）可溶解並（bìng）緩（huǎn）衝CO2羽流，一般認為海底管道CO2泄漏的安（ān）全風險遠低於陸（lù）上管道，對海麵船隻、平台上的工作人員影響有限。
大（dà）量泄漏的CO2溶解於海水，會降低局部區域海（hǎi）水的pH值，短時間內對海洋浮遊生（shēng）物造成直接傷（shāng）害。長期生活於低pH值環（huán）境中的海洋生物，其生活習性、細胞（bāo）內環境（jìng）會發生改變。也要注意到，與CO2地層泄漏（lòu）不同，CO2管道泄漏更（gèng）加局域化，更容易實施（shī）人為管控措施，相（xiàng）應影（yǐng）響強度低、時間短；當CO2管道得到修複，所引發的（de）負（fù）麵環境生態效應也（yě）隨之消失。
（五） 海洋CO2管道輸送麵臨的工（gōng）藝技術挑戰
1. 低溫（wēn）、高壓環境中CO2含水量閾值（zhí）設置缺乏依據
海底管道中（zhōng）CO2含水量控製需要考慮腐蝕（shí）、水合物（wù）形成兩方麵因（yīn）素。工程上最簡單的做法是將CO2脫水處理，使（shǐ）含水量遠（yuǎn）低於相應環（huán）境的含水飽和度。國外工程經驗是將管（guǎn）道輸送（sòng）的CO2含水（shuǐ）量控製在（zài）摩爾比< 5×10-4，但缺少充（chōng）分（fèn）的科（kē）學論證。在Weyburn油田、Snøhvit項（xiàng）目中，選擇了數值（zhí）更低、更為安全的含水（shuǐ）量閾值（zhí），然而CO2脫水處理成本（běn）昂貴，雜質氣體則進一步（bù）惡化輸送（sòng）環境。平衡含水量（liàng）、流動安全之間的關係，成為大規模CO2管道輸送的（de）關（guān）鍵（jiàn）技術難題。
2. 海底CO2管道腐蝕風險評估與監測技術
CO2管道腐蝕與遊離（lí）水存積相關，發生的時間和空間均受局域（yù）環境波（bō）動、管道幾何等因素的影響（xiǎng），具有較大的不確定性。常規的全覆蓋式腐蝕監測（cè）技術不具備時效性，當發現管道腐蝕缺陷時往（wǎng）往破壞已無法逆轉。局部腐蝕實時監測技術僅安裝於特定位置，存在監測信（xìn）息代表性差、腐蝕風（fēng）險估計不足的問題。海底CO2管道沿程腐蝕風（fēng）險評（píng）估的核（hé）心難題是融合可獲取的流（liú）體、環境、材料等多類型參數，形成“流動‒管道‒材料”集成的理（lǐ）論預測模型和風（fēng）險識別方法。
3. 超（chāo）遠距離高壓CO2管道清管（guǎn）技術
清管作業常（cháng）用於管道檢測、清除堵塞物（wù），是管道運行的（de）重（chóng）要保（bǎo）障措施。在Weyburn油田、美國NJED項目中，執行了CO2管道全（quán）線（xiàn）或支線的清管作業，用（yòng）於檢測管道腐蝕和排出遊離水。在長距離CO2輸送（>50 km）過程中，清管作業麵臨著代表性難題：清管器主要依靠流體壓力運（yùn）行（háng），超遠距離清（qīng）管作業的壓（yā）力損失可能導（dǎo）致清管器動力不足，從（cóng）而（ér）存在滯留風險；在密相或超臨界CO2環境（jìng）中（zhōng），超（chāo）遠距離作業時（shí）清管器的（de）密封部件會發（fā）生磨損或降解而失效。
4. 低成本海底CO2管道泄漏（lòu）精準定位技術
次聲波法用於泄漏定位雖然（rán）成本低、沿線裝備少，但定位精度（dù）受作業環境影響較大，也僅適用於距離不超過50 km的海底管（guǎn）道（dào）（或需要分段監測），才能確保（bǎo）精度和（hé）適（shì）用性。分布（bù）式光纖傳感技術被視（shì）為CO2海底管道泄漏快速精準定位的（de）先進（jìn）方向，但光纜（lǎn）需要伴隨海底管道同步鋪設，施工難度大、成本高。此外，光纖傳感器僅能監測光纜鋪設一側的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4個（gè）象限（xiàn）的電纜，將顯著增加（jiā）工程投資。因而提高定位精度（dù）、降低工程成本是當前技術攻關的重點方向，集成多種實時（shí）監測與（yǔ）沿程動態模擬技（jì）術能夠（gòu）更好（hǎo）實現全方位（wèi）的（de）快速精準定位。
來源：海洋CO2管道輸（shū）送技術現狀與展望[J].中國工程科學
