从泄漏热力学到智能监测：程玉峰院士团队系统揭示埋地超临界CO2管道风险演化机制

2026-07-24 15:44:02 作者：程玉峰院士团队来源：程玉峰院士团队分享至：

在全球能源转型和“双碳”目标加速推进的背景下，碳捕集与封存（CCS）技术正进入规模化发展阶段。作为连接碳捕集源与地质封存场的关键环节，管道运输因输送能力强、运行效率高和适合大规模连续输送，已成为长距离CO2运输的重要方式。

然而，埋地高压CO2管道一旦发生泄漏，管内超临界CO2将经历快速减压、焦耳–汤姆逊降温、闪蒸以及气–液、气–固相变等复杂过程。泄漏点附近温度甚至可能在数秒内下降至约−80 ℃，并形成干冰、冻结土壤和低温羽流。这些过程不仅决定CO2在管道、土壤和近地表环境中的迁移与扩散行为，也直接影响压力、温度、声学和浓度等泄漏信号的产生与识别。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室程玉峰院士团队，围绕埋地超临界CO2管道泄漏过程中的热力学机制与监测问题开展系统研究。相关成果以 “Thermodynamic aspects of leakage from buried supercritical CO2 pipelines: Fundamentals and monitoring implications” 为题，发表于国际能源领域权威期刊 Renewable and Sustainable Energy Reviews。

研究沿“管内减压与孔口释放—土壤多相迁移—地表突破与重气扩散”的完整链条，系统揭示了埋地超临界CO2管道泄漏的多尺度热力学演化过程。泄漏初期，管内快速减压及焦耳–汤姆逊冷却可引发闪蒸、多相转变和干冰形成，其演化受初始状态、泄漏几何及杂质组成等因素影响；进入土壤后，低温CO2可能形成“干冰核心—冻结土壤壳层—松动土壤外层”的局部结构，并进一步发展为低温羽流，最终以缓慢渗流或瞬态喷流形式突破地表，形成近地面重气云。研究同时指出，传统立方型状态方程在临界区和多相区预测能力有限，而高精度Helmholtz自由能模型虽更具优势，但仍受多组分、近临界及低温多相实验数据不足的制约。

研究强调，埋地超临界CO2管道的安全运行最终取决于完整监测系统的有效性，而不能仅依赖某一种传感器。研究提出了面向埋地超临界CO2管道的集成监测框架，将压力、流量、温度、声学、振动、应变、CO2浓度和地表形变等多源信息，与传感器布设优化、多参数关联、数据融合、机器学习泄漏反演及不确定性量化相结合，实现对泄漏位置、泄漏规模及诊断可信度的综合判断。该研究建立了从“泄漏热力学演化—物理信号产生—监测技术响应—系统集成与风险决策”的完整分析链条，为埋地超临界CO2管道泄漏实验设计、模型开发、传感器选型与布设以及风险导向型监测系统建设提供了系统性理论参考，对保障大规模CCS基础设施安全运行具有重要意义。

研究团队建议，未来应进一步开展真实杂质组成、长距离管段和持续释放条件下的高压泄漏实验，重点完善气–液–固相变、干冰形成、管道–土壤传热以及土壤热–流–固耦合模型。同时，应推动监测系统由经验式传感器布设向模型驱动的优化设计转变，使传感器类型、空间覆盖范围、检测阈值和响应时间与不同泄漏情景下的热力学信号相匹配。

文章链接：

Ying Zhou, Yangzhi Pei, Hongfang Lu, Y. Frank Cheng. Thermodynamic aspects of leakage from buried supercritical CO2 pipelines: Fundamentals and monitoring implications.

https://authors.elsevier.com/c/1nRJC4s9HwLJ0H

作者信息：

第一作者

周颖中国科学院宁波材料工程与技术研究所海洋关键材料全国重点实验室助理研究员

通讯作者

卢泓方 中国科学院宁波材料工程与技术研究所海洋关键材料全国重点实验室研究员

程玉峰 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室首席科学家

项目支持：

浙江省自然科学基金项目（LQN26E040003）

江苏省市场监管技术创新中心(油气储运设施安全运维)开放课题（JSTJ-KFKT-YC2025009）

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。