作为CO2捕集和封存技术的重要环节,管道输运是大规模和长距离运输CO2的重要方式。由于各种复杂因素,CO2长输管道存在泄漏和断裂风险。然而,现有研究还无法理解高压CO2管道泄漏时介质的压力响应、相态变化和扩散特性。基于此,本文开展了工业规模CO2管道水平、向上泄放以及竖直放空实验,研究了 CO2管道泄放和放空过程中管道内压力、温度、相态和减压波速度变化规律,以及扩散区域内温度、CO2浓度和可见云形态变化规律。具体研究内容如下:(1)搭建了工业规模CO2管道(长258 m、DN250)泄放实验装置,实现不同初始相态(气相、密相和超临界)、不同泄放口径(0～233 mm)、不同泄放方向(水平和垂直)条件下管道内压力和温度、管壁温度,以及泄放区域温度、C02浓度和可见云形态的同步测量。双膜爆破装置和混凝土加固装置的设计保证了高压和全口径泄放的安全可控。(2)实验研究了不同口径和初始相态CO2管道水平泄放中管内压力响应特性。结果发现:初始相态为气相时,伴随液滴生成和气化,减压波抵达时压力线性突降并反弹至准静态压力;初始相态为密相时,伴随气泡成核,压力突降和反弹之间明显存在一个减慢过程;初始相态为超临界时,压力突降-反弹过程发生在临界区域附近,且压力穿过临界压力时,压变速率停滞或减慢。对于相同初始相态,小口径较大口径泄放中压力突降和反弹次数更多,形成的准静态压力更高;全口径泄放中压力突降后会减慢但无反弹。(3)基于实验测量的压力、温度数据,研究了不同口径和初始相态CO2管道水平泄放中管内C02相变规律。结果发现:初始相态为气相时,泄放端附近CO2始终为气态;口径增大时,管道末端附近会出现气液两相(或气固液三相)。初始相态为密相时,C02先后经历密相、气液两相、气固两相(或气固液三相)、气相。初始相态为超临界相时,CO2先后经历超临界相、气液两相、气相;当口径变大时,超临界CO2首先转变为过热气相,而后转变为气液两相;当温度低于三相点时,将有固相CO2生成。(4)实验研究了不同口径和初始相态CO2管道水平泄放中欠膨胀射流和扩散规律。结果发现:在泄漏口附近形成的欠膨胀射流结构中,由于焦耳-汤姆逊效应造成温度急剧下降而产生大量干冰颗粒;干冰颗粒被气流带入远场中,与凝结水雾混合进而形成可见云。干冰降至地面前升华或分散落于地面,故未出现干冰堆。在一定条件下,随着CO2充装量或泄放口径增大,扩散区域内的温降幅度、C02扩散范围及安全距离都会变大。环境因素对扩散区域内的温度和CO2浓度分布影响很大。(5)实验研究了小口径下不同初始相态CO2管道向上泄放中压力响应、相态变化和扩散规律。结果发现:与水平泄放不同,初始相态为密相和超临界时,当压力降至三相点时,由于管道底部产生的干冰颗粒在泄漏口附近积聚,造成靠近泄漏口管道部分的温降幅度更大,使整个管道产生“两头冷,中间热”现象。相对于其它相态,在密相CO2向上泄放中,地面易于形成较高浓度CO2区域,可观察到明显可见云沉降过程。(6)实验研究了超临界CO2管道竖直放空中压力响应过程、相态变化以及扩散规律。结果发现:在竖直放空过程中,主管道内没有出现压力突降和反弹过程;放空管内压力在阀门开启后快速上升,上升幅度随着与放空口距离变小而降低。在放空过程中,主管道内超临界CO2先后转变为气液两相和气相;放空管内CO2先后经历气相、液相、气液两相、气相。放空管长度只改变了排空高度,对可见云形态本身影响不大。