随着“双碳”战略目标的深入推进，建设大规模二氧化碳输送管网已成为实现“碳中和”目标的紧迫需求，然而我国二氧化碳管输技术起步较晚，面临工业源二氧化碳组分复杂、输送相态控制难、腐蚀与安全机理不清、技术标准体系空白等多重挑战，制约了产业化的高质量发展。

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关键技术攻关成果

      “十四五”规划期间，我国在二氧化碳长输管道领域实现了多项技术突破，初步构建了对标油气管道技术的二氧化碳管输技术体系。该体系分为基础技术类（6项）和工程技术类（4大部分，29项），技术图谱见图1。重点攻克了超临界大规模输送、多杂质腐蚀控制、长距离安全管控等关键技术，为规模化二氧化碳输送管网建设奠定了坚实基础。

图1 二氧化碳管输关键技术图谱

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管输工艺

常温常压下，二氧化碳临界温度为31.06 ℃，临界压力为7.38 MPa，密度约为空气的1.5倍，易在低洼处聚集引发窒息风险，且二氧化碳溶于水形成碳酸，具有腐蚀性。二氧化碳的特性使其管输工艺与油气管道存在显著差异，需重点关注相变引发的流动不稳定、减压波平台导致的止裂难度增大、焦耳-汤姆逊效应引起的低温脆裂等问题。

“十四五”规划期间，我国二氧化碳管输工艺技术在相态控制、水热力计算、流动保障等领域取得显著进展，在含杂质二氧化碳物性计算方面实现“从跟跑到并跑”的跨越，为下一步建设全国碳输送管网奠定了技术基础。

各大高校、科研院所与企业积极建设二氧化碳管道综合试验平台（表1）。国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网）组织开展了二氧化碳管道全尺寸爆炸试验，为二氧化碳输送管材研制、管道设计和建设技术提供了重要的数据支撑。中国石油化工集团有限公司（简称中国石化）与国家管网共同建设了工业级二氧化碳综合试验环道，首次在实验环境中实现超临界二氧化碳管道投产、放空、水击、停泵等工况的高精度复现。

表1 国内外主要二氧化碳管道试验统计表

大连理工大学基于工业规模二氧化碳管道泄放试验装置，针对泄放过程中管内的瞬态压力与温度开展了大规模试验研究，并与中国石化联合开展了高压埋地二氧化碳管道泄漏试验，为二氧化碳埋地管道泄漏风险评估提供了重要指导（图2）。

图2 大连理工大学搭建的工业级二氧化碳综合试验管道示意图（P₂~P₉表示传感器编号）

中国石油大学（华东）通过自主设计的大规模试验装置开展了多种初始条件下的二氧化碳管道泄放试验，明确了泄放后二氧化碳扩散与温度分布规律。同时，一些学者开展的中小规模试验研究也为二氧化碳管道设计和工程应用提供了参考依据。

02

腐蚀控制技术

腐蚀防控是管道完整性管理的重要环节。关于腐蚀机制的研究是近年来碳捕集利用与封存（CCUS）长输管道完整性管理领域的重要讨论议题。

国内外的理论研究主要集中在CCUS长输管道工程较为成熟的地区，包括Simonsen等通过系统实验揭示了H₂O和NO₂等杂质在高温下的协同腐蚀效应，发现NO₂会通过形成酸性物质显著降低溶液pH值，从而极大加速腐蚀进程，为管道材料的风险评估提供了关键模型。

Shaikhah等创新性地提出一种电泳沉积技术，将聚氨酯等聚合物整合到FeCO₃膜中，在X65钢表面构建了兼具韧性与阻隔性的复合涂层，实验证明该涂层在高速流动的二氧化碳环境中具有卓越的抗冲刷和防腐性能。

Zhu等综述了O₂、SO₂、H₂S、NO₂及H₂O等多种杂质在超临界CO₂中的复杂化学行为及其对腐蚀的差异化影响机制，明确指出微量O₂是导致剧烈局部腐蚀的最危险因素之一。

Ye等通过反应动力学与表面pH值变化研究指出了坚固的FeCO₃薄膜对于防止CO₂腐蚀至关重要，并且发现了温度循环波动会导致保护性FeCO₃膜发生破裂和剥离这一新现象，并首创通过“老化”处理促使FeCO₃膜再结晶和致密化，从而有效抑制因温度下降引发的瞬时腐蚀。

针对工程实际问题，中国石化团队开发了超临/膜腐蚀并进行连续电化学监测。研究表明，腐蚀速率与含水量并非简单正相关，而是呈现一定的规律。研究团队按照0.075 mm/a的控制限制，制定了体积含水量小于200×10^-6的控制指标。

作为诸多腐蚀防护措施之一的阴极保护技术因其应用范围广、持续时间长、经济性好而在示范工程中得到了应用。如图3所示，中国石化研发团队以抗干扰和智能感知为导向，创新性地提出以“腐蚀速率”作为阴极保护有效性评价指标，融合物联网技术，开发了腐蚀速率监测探头和智能阴极保护专家系统，实现了管道腐蚀速率的在线监控与分析，具有数据全面性、适用场景广、精度高、兼容性强等优势，取得了较好的经济效益。

图3 智能阴极保护系统评判准则及系统逻辑示意图

示范工程管道运行两年的腐蚀探针监测结果验证了防控技术的有效性（图4）。实际投入运行一年后的管道实测平均腐蚀速率最低为0.0087 mm/a，满足并远优于行业标准对低腐蚀速率的要求。

图4 示范工程二氧化碳管道末站2024年腐蚀电阻探针监测结果图

除了宏观腐蚀机制，中国石化团队还重点关注了因为表面析出含杂质饱和碳酸微液滴情况下的局部腐蚀情形。水是影响腐蚀产物膜演变，导致局部腐蚀至点蚀转变的主要参与者。通过温度、压力、杂质含量的正交试验，利用数理统计建立了典型工况下的腐蚀预测模型，并揭示了腐蚀速率与pH值变化的关系（图5）。结果表明，除控制杂质含量外，还可通过优化运行参数或诱导形成致密均匀腐蚀产物来直接或间接控制内腐蚀速率。

图5 管输工况下的腐蚀机制代表性研究结果图

03

安全与完整性管理

二氧化碳管道泄漏可能引发严重事故，风险源包括第三方破坏、腐蚀、自然/人为破坏、材料/焊接/装备失效等。泄漏后形成的低温高压二氧化碳射流可导致低温烧伤、干冰吸入伤害、冲击损伤及二次事故（图6）。

图6 二氧化碳管道意外释放风险图

风险控制需从事前预防、事中监测与事后缓解3个维度构建纵深防御体系，准确预测管输二氧化碳的泄漏扩散行为，并提升管道的断裂控制能力，是构建该纵深防御体系的关键。

04

关键装备与技术

二氧化碳的高效输送、精准注入、准确计量以及安全管控是保障整个流程稳定运行的关键环节，其实现高度依赖于各类性能优异的关键装备。

二氧化碳管输计量设备

二氧化碳管道输送的准确计量是成本控制和贸易公平的基础，同时为管输系统的动态调参提供了关键输入，是满足碳核算要求、推动管输智能化的必备工具。

由于液态和超临界二氧化碳的密度、温度及压力成函数关系，在不同温度、压力下其密度变化较大。因此，采用体积流量难以准确表征实际流量，采用质量流量计量是目前解决方式之一。

科里奥利质量流量计可以直接检测管输二氧化碳的质量流量，其计量结果不受密度变化的影响，计量精度可达0.1%，特点如表2所示。

表2 科里奥利质量流量计的主要参数及特点统计表

管道泄漏检测设备

液态或超临界二氧化碳管道的泄漏与油气管道泄漏相比，最大的不同是泄漏点处会发生相变，在泄漏点附近会形成干冰球，温度降低至-78 ℃。针对二氧化碳管道泄漏的特点，采用分布式光纤感温技术可实现管道的泄漏检测。分布式光纤传感技术具有检测距离长、定位精度高、抗干扰性强等优点。

Cui等提出一种基于低频窄带声发射传感器的二氧化碳管道泄漏定位技术，通过经验模态分解处理信号衰减与色散问题，并结合横波速度计算与数据融合方法，实现了约4.5%的定位误差，为长距离二氧化碳运输管道的泄漏监测提供了低成本、高灵敏度的解决方案，但尚未应用于现场实践。

对于内部传感器/计算模型的泄漏检测方法，Kim等提出了一种基于深度学习的二氧化碳运输管道实时监测方法。该方法的核心是利用模型预测管道出口的质量流量，并将其与实际流量进行实时对比以检测泄漏异常。该方法通过计算管道出入口的延迟时间间隔来提升预测精度，并借助条件输入选择模块进一步提高异常检测的准确性。

在齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS示范项目的二氧化碳输送管道中，已全线铺设了分布式光纤测温与测振系统用于泄漏监测。

未来，可利用AI模型、统计学方法和动态策略优化信号处理，提升报警准确性。具体实施路径包括：

① 对于光纤感声技术，建立泄漏声纹数据库（如全开泄漏的宽带噪声、微渗漏的低频连续波），通过傅里叶变换提取实时信号特征与数据库比对，可依托泄漏特征的频谱一致性降低误报率；

② 对于光纤感温，通过智能分区报警、自适应动态阈值调整和温降速率计算减少误报。

为了进一步提高泄漏检测系统的报警准确性，可以同时布设光纤感温和光纤感声设备，同步监测声学、温度、应变、振动等多物理量，实现事件多重验证，避免单一参数波动导致的误报。系统通过多参数融合与交叉验证，对比多个参数的时空关联性，区分真实泄漏与环境干扰，达到降低误报率的目的。

2

挑战与难题

01

流动保障

“十四五”规划期间，我国二氧化碳管输技术已取得显著进展，但整体仍处于示范阶段，存在诸多工程技术瓶颈。面向未来大规模二氧化碳管道建设以支撑碳减排的需求，亟需在“十五五”规划阶段聚焦并突破流动保障关键技术。

在含杂质二氧化碳物性计算方面，尽管目前已初步明确不同状态方程的适用性，显著提升了理论计算在不同工况下的精度，但现有实验数据仍较为匮乏，不足以系统验证各类状态方程——尤其在临界点附近，现有模型的计算结果与实验值常存在较大偏差。因此，需进一步开展理论与实验相结合的研究，厘清不同杂质对二氧化碳物性的影响机制，建立具有普适性的状态方程或物性计算方法，为管道仿真提供可靠的基础参数。

由于二氧化碳物性随温压变化敏感，致使水热力计算过程收敛困难、速度缓慢。未来可研发更适应二氧化碳管道特性的水热力模型数值求解方法，或引入AI技术以提高计算效率与精度，从而增强对复杂管输系统的模拟能力，缩短异常工况下的响应时间。

目前，国内仅有一条在役长距离超临界二氧化碳管道，其碳源来自齐鲁石化，气体组成相对稳定，尚未考虑杂质波动带来的运行挑战。随着未来区域化二氧化碳管网集群的建成和CCUS基础设施的共享，多碳源汇入将对管网运行带来复杂影响。

目前尚缺乏针对该场景的评估方法，需开展多杂质组成、多相态输送条件下的系统性研究，发展多碳源、多相态、多目标管网输送技术。

此外，在面对泄漏、相变、两相流等特殊工况时，传统一维模型难以准确模拟流动行为，下一步应推动三维数值模拟的应用，以更精确地捕捉复杂流动特征。

02

腐蚀预测与防控

近年来，随着AI技术的不断进步，将腐蚀机理研究及腐蚀预测模型的构建带上了一个新的高度。

Ben等注重对比单一模型的预测精度，引入多重参数，利用传统神经网络，根据主要的判定指标确定较为精确的模型来准确预测油气管道最大点蚀深度。

Peng等提出知识图谱、神经网络以及混合智能算法，将腐蚀机理直接嵌入模型架构，平衡数据驱动与物理可解释性，并且考虑了多因素耦合，涵盖土壤特性、流体力学、二氧化碳分压等复杂工况，将预测结果与传统遗传算法（GA）和粒子群优化算法（PSO）等进行预测精度上的比较，实现多相流管道腐蚀速率的预测。

Soomro等主要关注了动态贝叶斯网络模型的推演，以提高模型的泛化能力，用于管道完整性的动态建模和不断演化。

Woldesellasse等利用动态贝叶斯网络模型的推演，通过腐蚀缺陷深度的分布预测，建立一个全面的决策支持系统。

未来，中国石化团队将持续聚焦管道腐蚀防护技术，以腐蚀速率作为衡量新能源管道完整性管理有效性的核心指标，通过AI智能决策，为每一千米管道构建专属的“数字神经系统”。融合AI建模、多源数据融合与物联网技术，实现“传感探头-算法分析-平台控制”的一体化闭环运行。

以AI Agent为核心，构建场景驱动的智能平台，并依托Transformer、BERT、GPT等先进架构，构建“腐蚀大模型”，支撑智能感知、自适应调节、风险预警、材料选型与寿命预测等多场景深度决策。这一系列创新将系统集成于一个可扩展、可移植、适用于多介质环境的新型智慧能源数字底座，其系统性腐蚀防护逻辑框架如图7所示。

图7 基于AI的腐蚀防护系统性逻辑框架图

团队将持续依托中国石化CCUS重点实验室与新能源研发中心，构建从腐蚀机理基础研究，到工程应用验证，再到智能平台开发的全链路技术能力，推动腐蚀防护向智能化、平台化、服务化方向演进。

此外，由于密相二氧化碳介质的特殊性，传统水基缓蚀剂难以适用。现有案例表明，管道内壁腐蚀往往伴随冲刷磨损现象。借鉴天然气管道经验，可在管道内壁施加薄层内涂层，以降低流动阻力、减少因上游腐蚀产物或杂质引发的下游磨蚀风险。

根据笔者的研究结果，化学转化膜作为一种传统的表面钝化方法，在面对碳酸腐蚀介质这一特殊的环境，能够对管线钢带来一定的靶向防腐效果。

其工艺过程是将碳钢在一定的温度下浸润至含有化学转化钝化剂的水浴中，经过一段时间后自然形成一层由微纳米晶氧化锆等无铬无磷物质组成的钝化膜（化学转化膜），有效阻隔可能析出的碳酸腐蚀介质；并且通过壳聚糖等生物大分子添加剂改性使这种膜层能够在后续的服役过程中起到靶向修复的作用，相关研究成果已经通过先前发表论文证实了其应用的可能性。

实验证明经过钝化后的管线钢试样的耐碳酸微液滴的能力显著增强，化学转化膜的存在有效阻隔了碳酸腐蚀介质对管线钢的局部侵蚀。该钝化膜的另一个优势在于其成膜过程有Fe²⁺参与，与腐蚀产物“同根同源”。在后续服役中若发生腐蚀，可促进产物膜与转化膜之间的螯合作用，从而显著增强腐蚀产物膜的整体防护性能。

03

安全控制

在长距离二氧化碳管道泄漏检测领域，仍存在诸多技术瓶颈。由于各类检测方法均存在适用性限制，仅靠单一机制难以实现对管道网络的全程有效监控。例如，分布式温度传感光纤存在响应滞后问题，而分布式声波传感光纤则面临误报率高的挑战。因此，融合多源检测方法是未来的重要发展方向。

其次，提升微小泄漏的检出率仍是当前技术难点。特别是对于微孔泄漏，现有技术往往在其发生相当长时间后才能检出，导致泄漏已持续扩大。亟需提升检测技术的灵敏度和准确性。

高压二氧化碳泄漏扩散机理模型的建立同样面临重大挑战。由于输送介质中通常含有少量杂质，其三相点会向更高压力和更低温度方向偏移，进而显著改变泄漏射流近场的特性，包括激波结构、温度、压力、相态分布及二氧化碳浓度等。

因此，亟需开发包含典型杂质组分的二氧化碳混合物近场泄漏源模型，深入研究多组分耦合作用对泄漏过程中相态演变、低温扩散行为及浓度分布的影响，并构建复杂组分条件下的泄漏特性数据库。

目前，管道止裂控制模型均来源于天然气管道全尺寸爆破试验形成的半经验公式，即基于夏比冲击试件的BTCM止裂控制方法和基于落锤撕裂试验（DWTT）的日本高强度管线钢管委员提出的HLP止裂控制方法，以及在HLP法基础上引入修正管道尺寸效应得到的HLP-Sumitomo止裂控制方法。

不同初始压力、温度、杂质种类及浓度的二氧化碳管道断裂过程相较于天然气管道断裂更复杂。具体来讲，二氧化碳管道的裂纹扩展过程是动态断裂力学场、非定常流动力学场、非线性结构力学场相互交织耦合的复杂过程，涉及弹塑性力学、流体力学、断裂力学等知识体系，如图8所示。

图8 二氧化碳管道断裂场流固耦合机理分析图

含有缺陷的管道受管内高压介质的作用形成初始裂纹，裂纹尖端是应力奇异区，高压二氧化碳为裂纹扩展提供了驱动力；裂纹发生断裂后，管内大量二氧化碳介质喷出并形成减压波，使得裂纹驱动力处于非定常状态；受非定常流动作用的裂纹形貌为管内介质提供了移动边界，进而影响了介质的减压和扩散行为。

大量研究表明，管道裂纹起裂时的裂纹尖端张开角比较大，裂纹扩展过程中临界裂纹尖端张开角（CTOA）仅与裂纹稳定扩展阶段有关，CTOA可在描述裂纹断裂扩展方面有效替代夏比冲击试件和落锤撕裂试件，被认为是管道止裂控制模型的重要参数。此外，由于现有止裂模型对二氧化碳管道的止裂存在诸多限制，开发适用于二氧化碳管道的特定止裂器也是管道安全输运的主要发展方向。

大连理工大学和新疆大学组成的研究团队基于全尺寸断裂实验，开展了机械式止裂器和复合材料止裂器的止裂性能验证实验。研究发现，机械式止裂器在止裂部位强制约束裂纹扩展方向实现止裂，但二氧化碳压力失稳形成的BLEVE现象导致开裂管道易发生环向剪切扩展，造成止裂器与管道脱离。泄漏的二氧化碳高速射流赋予脱离管道较大动能，导致片状管道随高速气流飞向射流场，对射流场构成二次灾害，形成管道灾害升级的多米诺效应。而复合材料止裂器相较于机械式止裂器，虽然管道的裂纹扩展长度偏长，但不会造成开裂的管道飞出，止裂过程更安全。

3

未来发展目标与实施路径

在中国“双碳”目标引领下，CCUS技术已成为推动深度减排的关键路径。作为连接排放源与封存汇的核心环节，二氧化碳管道运输凭借其高效、经济、可靠的特点，将在未来国家碳网建设中发挥重要作用。在“十五五”规划期间，需加快推进管道总体布局与技术攻关，为实现系统化、规模化减排提供坚实的基础设施支撑。

01

二氧化碳管输技术发展方向　

在二氧化碳管道输送技术的发展方向上，应围绕安全、高效、规模化的核心目标，重点推进以下3类关键技术的研发与应用，并明确具体突破方向：

① 发展高精度二氧化碳相态与流动控制技术。建立适用于工业源二氧化碳（含多种杂质）的多组分相态预测模型，研发能够适应多杂质、变工况条件的动态水力热力仿真软件，为管道系统设计与运行提供可靠依据，并防止输送过程中发生相变，保障输送过程的稳定性和连续性。

② 突破管道泄漏监测与安全应急技术。构建“实时感知-精准预测-快速处置”的全链条安全防控体系。重点研发基于分布式光纤声学与温度传感的沿程实时监测技术，提升微小泄漏识别的灵敏度与准确性；开发耦合地表环境、大气扩散及相变行为的二氧化碳泄漏扩散预测模型，模拟泄漏后二氧化碳云团的迁移规律及其对生态与安全的影响；研制适用于超临界二氧化碳管道的智能封堵器等高效应急装备，实现泄漏后的快速隔离与控制，最大限度降低风险。

③ 重点攻关超临界二氧化碳管道腐蚀智能预测与防护技术。通过构建基于AI大数据的腐蚀智能决策平台、研发耐冲刷自修复内涂层及化学转化膜等新型表面防护技术，开展多源数据融合建模、工艺参数优化及全链路工程验证，形成覆盖“感知-分析-决策-防护”的智能防腐系统，全面提升管道在复杂工况与环境中的长期安全性与运行可靠性。

02

二氧化碳管输标准建设

坚持对标油气管道标准体系，立足二氧化碳管道输送特性开展针对性标准建设。重点围绕规模化二氧化碳输送需求，制定以大口径、高压力管输工艺仿真和管材止裂安全为核心的设计标准；形成覆盖全地形管道试压、深度干燥及跨相态高效置换等关键环节的施工验收与投产规范；建立涵盖全周期腐蚀防护、可靠泄漏检测和风险可控预防的运营管理标准。加快推进国家二氧化碳管道标准体系建设，为我国二氧化碳管道规模化发展提供标准化技术支撑。

03

政策支持和法规完善

重点推进二氧化碳管道输送流动保障、腐蚀防控与安全控制等关键技术研发。

超前布局规模化二氧化碳输送管网等基础设施，力争于2030年前建成千万吨级CCUS产业集群。

建设国家级CCUS技术创新平台，加强专业人才队伍建设。

构建覆盖CCUS全链条的法规、监管与标准体系，重点制定电厂改造、管道设计、封存安全等领域技术规范。

深化国际CCUS知识共享与技术合作，带动低碳技术和产业发展，提升中国在应对气候变化领域的影响力。

4

结论与展望

二氧化碳输送管道作为CCUS产业化发展的关键载体，正在成为中国实现“碳中和”目标不可或缺的重要基础设施。其相关理论突破、技术创新与重大装备研发，直接关系到国家碳网布局的合理性与运行可靠性，对未来能源结构低碳转型具有深远战略意义。

“十四五”规划期间，我国在二氧化碳管输基础物性、多相流动机制、腐蚀机理及安全控制等关键领域取得了显著研究进展，形成了一批具有自主知识产权的核心成果，并依托重大示范工程实现了从理论到实践的系统性验证，为后续规模化应用奠定了坚实基础。

展望“十五五”规划期间，作为国家低碳转型的关键达峰阶段，CCUS技术将在电力系统低碳化、传统工业深度脱碳、油气增产增储以及“二氧化碳+新能源”协同利用等多个战略方向发挥核心作用。面对日益增长的规模化、长距离二氧化碳输送需求，推动高压、大口径、智能化长输管道技术实现跨越式发展，已成为中国构建绿色能源体系、保障能源安全的必然选择。

未来，应进一步加强跨学科协同和产学研用融合，持续攻关核心软件、关键材料、智能装备等瓶颈环节，完善标准法规与监管体系，同时积极参与全球气候治理与合作，构建具有国际影响力的CCUS技术体系和产业生态。二氧化碳管道输送技术有望在支撑国家“双碳”战略、引领低碳科技革命和塑造绿色发展新格局中，发挥更为重要和广泛的作用。

来源：节选自《天然气工业》

作者：李阳1，范振宁2,3，潘杰2,3，李清方2,3，陈磊4,5，李萌2,3，张俊朋2,3，张湘玮2,3，梁海宁2,3，赵清民1，张建2,3

工作单位：1.中国石油化工集团有限公司

2.中国石化碳捕集利用与封存（CCUS）重点实验室

3.中国石化石油工程设计有限公司

4.新疆大学化工学院

5.大连理工大学化工学院

第一作者简介：李阳，中国工程院院士，正高级工程师，主要从事油气藏开发基础理论及关键技术、碳捕集利用与封存技术研究工作。