一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法技术

本发明专利技术涉及一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法，属于二氧化碳捕集利用与封存领域，具体包括利用超临界二氧化碳减压波波速预测软件计算超临界二氧化碳饱和压力，基于管道尺寸参数、管材强度参数及计算所得超临界二氧化碳饱和压力，借助超临界二氧化碳止裂韧性预测模型计算管道止裂韧性夏比冲击功初值，之后，利用DNVGL

【技术实现步骤摘要】
一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法


[0001]本专利技术属于二氧化碳捕集利用与封存领域，具体的，涉及一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法。

技术介绍

[0002]碳的捕集利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化、减少大气二氧化碳浓度的最重要途径之一。到2060年，我国要确保实现碳中和目标则通过CCUS技术减排二氧化碳的总量需达到10～18亿吨，意味着亟需配套建设大规模二氧化碳输送管道。
[0003]研究表明，以超临界态进行二氧化碳管道输送最为经济高效。然而，超临界态下管道全程保持高压运行，管材对缺陷格外敏感，极易发生裂纹长程扩展，进而造成严重的管道破坏并危害人民生命财产安全。如2020年2月美国密西西比州发生的二氧化碳管道断裂事故，二氧化碳羽流扩散范围达30～40公里，造成45人住院、200余人疏散。因此，开展超临界二氧化碳管道止裂控制研究具有重要的科学理论意义与迫切的工程实际需求。
[0004]管道止裂控制的核心是管材止裂韧性的预测，以夏比冲击功为止裂韧性指标的Battelle双曲线(BTC)模型是目前工业化程度最高、应用最广泛的天然气管道止裂韧性预测方法。为验证该方法对超临界二氧化碳管道的适用性，美国、欧洲等地共计开展了11次全尺寸爆破实验。结果表明，该模型严重低估了超临界二氧化碳管道止裂所需韧性。尽管国内外研究机构及学者针对超临界二氧化碳管道止裂控制开展了大量研究，但目前尚未建立起系统可靠的止裂韧性预测方法，成为限制超临界二氧化碳管道建设事业的瓶颈问题。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法，包括以下步骤：
[0008]1)根据超临界二氧化碳输送需求，确定超临界二氧化碳管道的规格参数、管材基本力学性能参数、设计温度与设计压力P0；所述超临界二氧化碳管道的规格参数包括：超临界二氧化碳管道外径D和超临界二氧化碳管道壁厚t；所述管材基本力学性能参数包括：管材屈服强度σ
y
和管材弹性模量E；
[0009]2)采用超临界二氧化碳减压波波速预测软件计算超临界二氧化碳饱和压力P
d
，输入的参数包括温度、压力、各超临界二氧化碳组分摩尔百分比，输出为超临界二氧化碳饱和压力P
d
；
[0010]3)采用超临界二氧化碳管道止裂韧性预测模型对超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
初值进行计算，输入为超临界二氧化碳管道外径D、超临界二氧化碳管道壁厚t、管材屈服强度σ
y
、管材弹性模量E和步骤2)确定的超临界二氧化碳饱和压力P
d
，输出为超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
初值；
[0011]4)根据超临界二氧化碳管道外径D、超临界二氧化碳管道壁厚t、管材屈服强度σ
y
、管材弹性模量E、步骤2)确定的超临界二氧化碳饱和压力P
d
和步骤3)确定的夏比冲击功C
V
初值计算DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)中CO2管道延性断裂止裂评估图中横坐标X与纵坐标Y；
[0012]5)根据步骤4)获得的横坐标X与纵坐标Y数值判断步骤3)确定的夏比冲击功C
V
初值是否满足DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)止裂验收要求；若不满足，则以步骤3)确定的夏比冲击功C
V
初值为基准，以1J为梯度，逐步提高夏比冲击功C
V
数值，同时重新计算横纵坐标X与纵坐标Y，直至满足DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)止裂验收要求；规定此时夏比冲击功C
V
为超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值；
[0013]6)利用有限元软件建立标准夏比冲击试验有限元模型，采用试算法基于夏比冲击试验有限元模拟确定一组材料损伤参数，使夏比冲击功C
V
模拟值与步骤5)确定的超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值数值差别在1J之内；
[0014]7)利用有限元软件建立含裂纹超临界二氧化碳管道有限元模型，将步骤6)确定的材料损伤参数赋予超临界二氧化碳管道有限元模型，根据设计压力P0与步骤2)确定的饱和压力P
d
为管道施加载荷，模拟超临界二氧化碳管道裂纹扩展情况；
[0015]8)根据步骤7)模拟结果判断管道裂纹能否自行止裂，若裂纹自行止裂，则证明步骤5)确定的超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值满足管道止裂要求；若无法止裂，则以步骤5)确定的超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值为基准，以1J为梯度，逐步提高夏比冲击功C
V
数值，重复步骤6)与步骤7)，直至模拟所得超临界二氧化碳管道裂纹自行止裂；规定此时夏比冲击功C
V
为超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
终值。
[0016]步骤3)所述的超临界二氧化碳管道止裂韧性预测模型如公式(1)：
[0017][0018]其中，C
V
为夏比冲击功，J；A为夏比冲击试样韧带面积，A＝80mm2；σ
f
为流变应力，MPa，σ
f
＝σ
y
+68.9MPa；σ
y
为屈服强度，MPa；D为管道外径，mm；t为管道壁厚，mm；E为弹性模量，MPa；σ
d
为超临界二氧化碳管道裂尖环向应力，MPa，σ
d
＝P
d
D/2t；P
d
为超临界二氧化碳饱和压力。
[0019]步骤4)所述的DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)中CO2管道延性断裂止裂评估图中横坐标X与纵坐标Y，按照如下公式计算：
[0020][0021][0022]步骤5)所述的DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)止裂验收要求为：当25≤X＜40时，Y≤0.23+0.00267(X
‑
25)；当X≥40时，Y≤0.27；其余情况均认为不满足DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)止裂验收要求。
[0023]步骤6)所述材料损伤参数具体包括初始孔洞体积分数f0、可形核二相粒子体积分
数f
N
、临界聚合孔洞体积分数f
c
、断裂孔洞体积分数f
F
、材料损伤参数q1、q2、q3、平均等效塑性应变ε本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳管道止裂韧性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据超临界二氧化碳输送需求，确定超临界二氧化碳管道的规格参数、管材基本力学性能参数、设计温度与设计压力P0；2)利用超临界二氧化碳减压波波速预测软件计算超临界二氧化碳饱和压力P
d
；3)采用超临界二氧化碳管道止裂韧性预测模型对超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
初值进行计算；4)计算DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)中CO2管道延性断裂止裂评估图中横坐标X与纵坐标Y；5)根据步骤4)获得的横坐标X与纵坐标Y数值判断步骤3)确定的夏比冲击功C
V
初值是否满足DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)止裂验收要求；若不满足，则以1J为梯度，逐步提高夏比冲击功C
V
数值，同时重新计算横纵坐标X与纵坐标Y，直至满足DNVGL
‑
RP
‑
F104(2021)止裂验收要求；6)采用试算法基于夏比冲击试验有限元模拟确定一组材料损伤参数，使夏比冲击功C
V
模拟值与步骤5)确定的超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值数值差别在1J之内；7)将步骤6)确定的材料损伤参数赋予超临界二氧化碳管道有限元模型，根据设计压力P0与步骤2)确定的饱和压力P
d
为管道施加载荷，模拟超临界二氧化碳管道裂纹扩展情况；8)根据步骤7)模拟结果判断管道裂纹能否自行止裂，若裂纹自行止裂，则证明步骤5)确定的超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值满足管道止裂要求；若无法止裂，则以步骤5)确定的超临界二氧化碳管道止裂韧性夏比冲击功C
V
修正值为基准，以1J为梯度，逐步提高夏比冲击功C
V
数值，重复步骤6)与步骤7)，直至模拟所得超临界二氧化碳管道裂纹自行止裂，此时夏比冲击功C...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄莹，曹宇光，孙晓瑜，钮瑞艳，刘媛媛，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：