[发明专利]一种测量CO2管道减压波传播速度的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种测量CO₂管道减压波传播速度的实验装置及方法。

技术背景

随着温室气体排放增加，温室效应对人类生活生产的影响也越来越明显。碳捕集及封存 技术(CCS)被认为是实现二氧化碳减排的有效方法。管道输送作为其中的重要环节不容忽 视。由于长距离输送CO₂过程中，管道需要穿过各种复杂地形和环境。恶劣的环境及人为破 坏等因素可能造成管道穿孔泄漏，进而造成管道韧性断裂。对于韧性断裂扩展控制的首要问 题是需要得到泄漏过程中流体的减压特性，这样可以计算出驱动裂纹扩展的局部应力大小。 预测减压波特性，尤其是减压波速度，对于控制CO₂管道的裂纹扩展尤为重要。国内外测量 减压波速的方法通常是进行工业规模的全尺寸爆破实验。此方法花费巨大，一次实验的费用 高达几千万元。因此需要一种能够模拟工业管道泄漏的实验装置和实验方法，既能节约费用， 又能准确地测量减压波速。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的就是通过实验设备和实验方法的革 新，准确测量CO₂管道减压波传播速度。

本发明采用的技术方案如下：

一种测量CO₂管道减压波传播速度的装置，包括一个实验环道，所述实验环道的入口与 CO₂注入系统相连，实验环道的出口于双爆破片控制装置相连，且在实验环道上安装有数据 采集系统，通过环道可以采集在瞬态失压工况下管道内CO₂流体压力及温度随时间变化过程。

进一步的，在所述的实验环道的入口和出口还安装有电磁截止阀、安全阀和泄压放空阀， 在实验环道的外壁上设有温度控制装置。电磁截止阀可以实现远控封闭开启实验环道；管路 采用DN20、304不锈钢焊接而成，耐腐承压效果好，适用于CO₂管道；外壁电加热用来实 现控制管内CO₂温度及相态；泄压放空阀用于实现实验准备及结束时安全泄放高压非实验用 CO₂。

进一步的，所述的双爆破片控制装置由两片正拱爆破片以及连接两片爆破片的管段组成， 其中一个爆破片以夹持器夹持，固定在实验环道出口；另一爆破片夹持在整个实验装置末通 向大气环境，在两个爆破片之间的管段开设注入孔以平衡主管内压力。不同参数的爆破片可 以实现管路在不同瞬态失压工况下对管内压力温度采集的实验要求。

进一步的，注入系统：采用工业用高纯度CO₂气瓶，采用气瓶注入具有用量少，易操作 等优点，为便于气瓶的安全更换与拆装，在CO₂气瓶的注入端安装有手自双控阀门组。

进一步的，所述的数据采集系统包括多个间隔安装在实验环道上的压力采集装置以及温 度采集装置。

具体的实验方法如下：

考虑到管道输送过程中CO₂的不同相态特性，该装置可以测量不同相态下(气态、液态、 超临界态)CO₂管道的泄漏过程中减压波的传播速度及沿程参数变化规律。

实验操作过程中的方案设计如下：

1)以气态CO₂注入实验环道内，扫气清除管内杂质；关闭实验环道末端泄压放空阀及电 磁截止阀；

2)根据实验环道管容及实验参数估算实验用气量充装实验环道，同步监测管内压力及温 度，充装至计算用气量时关闭实验环道首端电磁截止阀，封闭实验环道；

3)开启末端电磁截止阀连通爆破片，对实验环道进行加热升温升压，采用双爆破片控 制装置控制管内爆破压力，通过注入孔向爆破管段注入CO₂平衡实验环道内压力，使实验环 道内CO₂流体绝对压力不变情况下相对压力下降，同时爆破管段内CO₂压力低于外爆破片标 定爆破压力，再次调节主管实验压力至内爆破片爆破压力，升温过程结束，再升高爆破管段 压力至外爆破片爆破，外爆破片爆破后将使内爆破片背压为环境压力进而使内爆破片爆破， 爆破瞬间形成泄漏瞬态失压工况，根据采集管内参数及时间关系得出减压波传播速度；

4)泄漏至设定压力时，关闭实验环道末端的电磁截止阀，实验结束，更换爆破片进行下 一组实验。

减压波传播速度的计算方法：