6-从2006年国际管道会议IPC06看高钢级管线钢的发展-待发表6

从2006年国际管道会议IPC06看高钢级管线钢的发展
黄开文
（中国石油物资装备（集团）总公司北京100029）
前言：
本文根据2006年国际管道会议的情况，简要介绍近5年来国外X80、X100、X120的研究开发、生产、建设情况以及目前存在的问题。

针对HTP轧制工艺、高钢级管线钢的韧性止裂、基于应变的设计及抗大变形钢的开发等，进行详细的分析。

希望能对国内管线钢生产企业研究员所、施工单位、设计部门有所帮助。

关键词：高钢级、HTP、韧性止裂、基于应变设计、抗大变形钢
一、IPC2006会议背景情况：
国际管道会议IPC(International Pipeline Conference)是由美国机械工程师协会ASME(American Society of Mechanical Engineers)举办的全球油气管道工业技术交流会，每两年一次，在加拿大卡尔加里市举行。

今年会议宣读论文321篇，中国共有5个团组18余人，发表文章35篇。

本次国际管道会议共分12个专题。

其中“管道完整性管理”和“材料及焊接”是最热门的两个专题。

“管道完整性管理”专题分别对直接评价、腐蚀防护、应力腐蚀开裂（SCC）、内检测-裂纹、内检测-机械损伤、内检测-金属损失、管道评价、完整性管理进展、外力损伤防护以及其他等10个方向分15个专场进行了宣讲；“材料及其焊接”专题包括：X80、X100及以上高钢级管线钢的开发和应用技术研究、钢管制造、材料性能及测试，焊接接头氢致开裂、不停输补焊技术、钢管焊接材料和焊接工艺研究开发、环焊缝焊接接头的检验和评价，管道的起裂、扩展和止裂等几个方面的内容；其它还包括管道GIS系统的开发和应用、风险和可靠度评估、泄漏检测、管道运行和维护、极地管道基于应变的设计和制造等。

会议举行了个专题培训，我公司本次派员参与了两个专题培训。

一个是管道完整性评价与工程评估（Pipeline integrity evaluation and engineering assessments），一个是管道材料：力学性能及其对管道完整性的影响(Pipeline materials: mechanical behavior and its impact on pipeline integrity)。

有关完整性管理方面的专题培训有两部分：管道完整性评估和工程评价(Pipeline Integrity Evaluations and Engineering Assessments)，内检测技术（In-Line Inspection Technologies）。

管道完整性评估和工程评价培训中系统讲解了腐蚀、凹陷、焊缝缺陷的评价方法及评价技术的最新进展、发展趋势；内检测技术培训中国外几家著名检测服务公司及完整性咨询公司分别对该公司内检测技术的最新进展、内检测技术标准（API1163）的范围、要求等作了详细介绍；而管道材料专题，从理论上系统完整地讲解了管线钢的强度、韧性和耐应变时效、冲击韧性、止裂韧性、疲劳性能、应力腐蚀开裂等性能的机理，及其与冷加工、焊接、载荷、环境等历史行为的相互影响，对下一步国内确定研究方向具有一定的参考意义。

二、高钢级管线钢的应用与研究
在本次会议论文中，其中关于X120的文章有19篇，关于X100的文章有45篇，关于X80的文章有47篇，关于X70的文章有42篇。

总的看来，X70的应用
与研究趋向成熟，X80已经具备大规模应用的条件，X100可以在工程中开始试用但需要继续深入研究，X120仍处于试验阶段。

1、X80钢级的应用以及可能存在的问题：
国外近22年的使用经验证明，X80钢级应用于高压输气管道已经是一项比较成熟的技术。

对于X80的应用，本次会议主要侧重于现场施工、环焊缝焊接、弯管制造等应用技术的研究。

通过会上提问以及私下的交流和讨论，多数代表认为X80的制造、现场施工和焊接等各个方面技术都已具备大规模工业化应用的条件。

而且有代表提出，越是大规模地应用X80管材，越能体现出X80相对于X70及以下钢级的优越性。

以下介绍近几年的新建、拟建管道。

（1）近5年新建X80管道:
1)美国夏延输气管道Cheyenne Plains: 如下图[28]所示，夏延管道从
Wyoming的Cheyenne到Kansas的Greensburg。

全长380mile，有3条
分支：与PEPL（Pilbara Energy Pipeline）相连，4mile，∅30"；与KGS
(Kansas Gas Service)管道相连，3mile，∅8"；与SSG(Southern Star Central
Gas Pipeline)相连，0.2mile，∅20"。

干线采用X80钢管∅914x11.9 mm，
穿越段采用∅914x17.2mm。

用管总量18.1万吨，其中14.3万吨是加拿
大IPSCO公司生产的螺旋管，3.8万吨是由美国Oregan钢铁公司采用
HTP工艺生产的不含Mo的钢板在NAPA公司UOE成型、水压扩径
的直缝管[29]。

夏延管道前125 miles运行压力为1615 psig (11.1Mpa)，
余下为1480 psig (10.1Mpa)，日输量1.7 Bcfd，总投资4.25亿美元，于
2004年7月5日开工，历时6月，2005年正式投入运营。

这是美国建
设的第一条X80长距离输气管道，是世界最长的X80输气管线，也是
第一次大规模应用HTP轧制工艺生产的管线钢的管道。

2)美国洛基捷运管道REX (Rocky Express) [30]: 由Kinder Morgan Energy
Partners、Sempra Pipelines & Storage以及ConocoPhillips联合投资建
设。

如图所示，主干线从科罗拉多州Rio Blanco的Meeker Hub开始, 经
怀俄明州Cheyenne 到俄亥俄州的Mullet，总长1663 miles, 主干线管径∅42", 采用钢级为X80，设计运行压力1480psig (10.1Mpa)，日输量 1.8～2 Bcfd。

施工分为四个阶段：Meeker－Wamsutter段136 miles ∅36"已经于2006年2月完成投运；Wamsutter－Cheyenne段192 miles2006年7月开始建设，预计2007年1月投运；Cheyenne－Audrain 段713miles，计划2008年1月投运；Audrain－Clarington段622miles，计划2009年6月投产。

此外从Wamsutter向西140miles扩展到Opal 的管线也在规划，计划2008年1月投运，届时为REX输入天然气1.5 Bcf/d。

同时，Kinder Morgan、Sempra和ConocoPhillips正在考虑将REX向东延伸100miles到宾夕发尼亚州的Oakford。

这是继夏延管线投产之后美国境内再次将X80大规模应用到天然气长输管线。

3)英国Aberdeen-Lochside pipeline[31]: ∅48"x15.1mm，水压试验压力
149.5bar（按照1.25倍关系推算运行压力应该为12Mpa），全长50 miles, 苏格兰境内最长的X80管道。

投资9500万英镑，由EIS（Entrepose Industrial Services）公司承建，2004年4月开始，10月结束。

2004年11月投入运营，由National Grid Transco管理。

这条管线虽然距离不长，但是与中国目前正在规划的西气东输二线的推荐方案口径、钢级、压力（依据推测）基本一致(壁厚不一样)，具有一定的参考价值。

（2）今后几年将建X80管道: 关于Mackenzie Valley和Alaska Highway早有文献详细讲述[32]，在此只是补充新的进展。

1)Mackenzie Valley：走向见下图[33]右侧黄线，从Inuvik到Boundary
Laker，全长1220 km均在加拿大境内。

该管道通过地震地区、冻土地
带，需要采用基于应变的极限状态设计方法，拟用钢级X80。

原计划
2006年开工、2008年完工，但是由于成本原因推迟。

从这次会议了
解的情况，目前各项准备工作仍在继续，可能在2008年后启动。

2)Alaska Highway：走向见下图左侧黄线，从美国Alaska的Prudhoe Bay
到加拿大的Boundary Lake，全长1710 miles，设计压力2500 psig(17.24 MPa)，拟用钢级为X80，也可能用X100，北美地区最长的跨国输气管道。

2004年6月公布的项目进度表如下[34]。

从2006年3月6日加拿大Yukon政府在第6届极地天然气论坛的讲话[35]可以得知，目前市场情况与政府态度均有利于这个项目，各方正在积极推进。

3)中国西气东输复线：目前正在规划，拟用钢级为X80。

（3）国外能够生产X80管线钢的钢厂、管厂:
1)欧洲钢管：生产宽厚板、UOE钢管，有大量业绩；
2)DILLINGER：生产宽厚板，目前已经成功供货X80近4万吨；
3)英国CORUS：宽厚板、UOE钢管；
4)加拿大IPSCO：生产热轧卷板、螺旋焊管，有大量业绩；
5)美国钢厂Oregan steel生产热轧板卷，NAPA生产UOE钢管；
6)日本新日铁/住友/JFE：生产热轧卷板、宽厚板、UOE钢管；
7)韩国POSCO：生产热轧卷板。

（4）CAPS（Cranfield Automated Pipewelding System）项目[36-37]：由Cranfield 大学和BP、TransCanada公司联合进行的一项改进高钢级管线钢焊接技术、提高焊接生产率、减少成本的项目，2006年12月31日结束。

内容包括：
1)运用激光和GMAW（Gas Metal Arc Welding）混合技术开发管道环焊
缝高速根焊工艺；
2)运用双炬串列焊接（dual tandem welding）的GMAW工艺开发高沉积
填充焊工艺。

这种焊接技术采用两道焊接火炬，两道焊炬相距
50~100mm，每道均为双焊丝，焊接速度比传统机械焊接过程要快很多
（significant faster）[36]。

这种焊接技术大大减少现场焊接人员和设备
投入，提高现场作业率；
3)将焊接新工艺成功应用到X70~X100管线中。

4)2003年3月在加拿大Edmonton进行了极地焊接试验，现场环境温度
-40︒C，管线采用X80钢级，口径1016mm，试验非常成功。

（5）需要进一步研究的问题:
针对X80，作者认为，应关注以下问题
1)如何优化板、卷轧制工艺，在满足性能的同时稳定质量、降低成本。

2)X80高速焊丝、焊剂以及焊接工艺的研究。

如果管线钢化学成分或焊
接工艺不当，焊缝热影响区将是个问题。

3)对于大口径、厚壁钢管的止裂韧性的爆破试验验证研究。

4)采用合理的适合大批量工业生产用的强度、韧性指标检验试样：屈服
强度采用板状试样/圆棒试样/环扩试样的相关性研究；DWTT采用
Cheveron缺口试样还是Pressed缺口试样，如何判定处理反韧脆性
（embrittlement），是否需要采用背开槽试样。

需要明确、一致、标准
化。

5)韧性的合理化与止裂器的应用的优化研究。

6)抗HIC/SSCC用途的X80管线钢的开发。

7)防腐、波形载荷、环境温降、土壤对X80钢管的应变时效、抗疲劳性
能等的影响的研究。

2、X100钢级的研究与应用：
(1)TAP（Trasporta gas Alta Pressione）[38]项目: ENI在20世纪90年代中期发起的一个研究项目, 历时3年，旨在研究现代在役高钢级管道的可施工性、现场使用性能等，同时为将来长输天然气管线项目开发新的技术。

项目分为5个主要内容：A) X100技术论证；B) 管线技术升级；C) 现场使用技术反馈；
D) X80钢级的演示；E) X100管道的设计。

ENI在位于意大利Sardinia岛上Perdasdefogu的CSM全尺寸试验站建成一个X100试验段并模拟运行，以验证X100管道施工以及运行过程中是否存在问题。

2004年欧洲钢管[39]为TAP项目提供500米X100钢级的∅48" x16.6mm/18.4mm的钢管，钢板的化学成分为：C-0.06%，Mn-1.9%，Nb-0.04%，Ti-0.02%，N-0.004%，V、Cu、Ni、Mo、Si成分不祥，CEV=0.48，Pcm=0.20；组织为细小均匀的贝氏体；钢管UOE成型，采用4丝内焊5丝外焊，力学性
能见下表。

（注：拉伸试验在壁厚中间取圆棒试样；DWTT采用压制缺口。

）
此次试验还研究了：不同力学性能试样（8mm园棒试样与全壁厚矩形试样）的影响；试样方位（横向、纵向）的影响来检查各向异性；模拟涂层热处理（200︒C，5/10/15min）对性能的影响。

通过研究发现：
1）材料各向异性：拉伸性能和应力应变曲线在横向、纵向差异较大；断裂延伸和均匀延伸在各向差异不大。

2）拉伸试样：对于横向性能，采用圆棒试样可以消除包辛格效应，但是这种试样不能反映全壁厚性能，比较离散；对于纵向性能，全壁厚矩
形试样较合适，易于加工、离散小。

圆棒试样与矩形试样之间的检验
结果，横向屈服强度相差65MPa、拉伸强度相差小于10MPa。

纵向与
横向性能最大相差100MPa。

3）应变时效：涂层热处理将导致钢管横向、纵向拉伸性能的升高，延伸率在横向影响较小、纵向影响较大。

最近全尺寸爆破试验验证：即使CVN=270J，也无法保证止裂，使用止裂器不可避免。

所以该项目还使用了两个强化纤维止裂器，止裂器尺寸为：∅1219.2mmx10mm/20mmx2m，强度1050MPa，耐压16MPa，两种壁厚止裂器间距5.5m。

(2)X100试验管道：
1)2002年TransCanada公司在Westpath建立了1公里∅1219mm的X100
试验段；
2)随着英国CAPS项目的成功，TransCanada输气公司在2004年1月份
进行了一项新的试验项目[36]，旨在把串列焊接应用到X100钢级管线。

他们在加拿大距离Alberta的Edmonton北部300km的Godin Lake建
立了一条2公里∅914x13.2mm的X100环形管道。

但是由于双炬串列
焊接一些小问题还没有完全解决，最后采用了单炬串列焊接（single
torch tandem）。

焊接持续了5天，现场环境温度早上-30︒C，中午上升
到-10︒C乃至0︒C，焊接结果非常良好，一共174道焊缝，修复只有7
道。

3)2006年在Slittsville建5公里∅1066mm的试验段。

以上试验段钢管采
用日本JFE提供的UOE直缝焊管。

4)据说TransCanada还将在Alberta的Dickens-Vardie建设长度为37公里
的长距离试验段[29]。

该试验段将采用基于应变设计。

(3)X100止裂问题：
为了解决Alaskan管道的冻胀（frost heave）和融沉（thaw settlement）等地形位移带来的管道应力和应变问题，需要作止裂控制试验。

目前研究普遍认为[36]：X100大口径钢管处于延性断裂和扩展条件的上限区间，在某些条件下管线钢自身韧性可以止裂，但是在严酷条件下不足以止裂，需要采用止裂器。

2002年BP公司在英国北部的Cumbria的Spadeadam试验基地建立了一条360m ∅1320mm的管道来作爆破试验，为模仿Alaska的环境条件，管道内部充满高压富气，运行温度-18︒C。

由于管道压力高，此次试验采用了钢制或复合套式的按不同用途设计止裂器。

试验结果证明，止裂器能迅速止住裂纹。

但是Alaskan管道上采用止裂器的数量还需要论证，很有可能是1公里1个。

(4)X100有待研究的问题：
针对X100的工程应用，目前说法不一。

Alan Glover认为[40]：X100可以全面应用（ready for full implementation）；本次会议上美国EMC2公司的专家认为：“X100的试验管道不是很成功，显示出还有许多系统配套研究需要进行”。

作者认为，主要问题在于：
1)机械性能问题：强度很高，有用韧性有限。

2)止裂韧性问题：自身韧性不足以止裂，需要考虑止裂器。

3)环焊缝强度匹配问题：由于母材强度很高，很难实现过匹配。

4)应变时效：对于X100和X120来说，应变时效问题突出，对温度敏感、
对SCC也很敏感。

5)对氢致脆化（hydrogen embrittlement）很敏感。

(5)拟用管道[36]：Alaskan管道（预计5年之内启动）,长度3500km，输量1.1
亿方/天，拟用钢级X100，管径1320mm, 壁厚20.6mm，输送压力172bar；另外一种可能适用管道是与Alaskan管道规模相当的从东西伯利亚道中国的管线项目。

3、X120钢级的研究与应用：对于X120，目前研究主要侧重于产品研发和性能测试。

(1)试验管道：
2004年2月，TransCanada与Exxonmobil合作在加拿大Alberta的Wabasca 建立了一条1.6 mile的试验管道[41]，∅914x16mm，钢管由日本新日铁公司提供，采用的是低C高Mn-NbMo-Ti-B合金化原理[36] [42]：C-0.042%，Mn-1.94%，Mo-0.29%，Ti-0.013%，B-0.0009%，Cu、Nb、Cr、Ni成分不祥，Pcm=0.21。

与部分X100钢管一起连接在Godin Lake Hoop管线的X70钢管上，运行压力为8.7MPa，主线焊接采用PGMAW工艺，现场温度最低达到零下40度。

钢管与环焊缝之间采取过匹配。

采用了紧固钢套、复合套两种止裂器。

管线按照进度如期完成，没有碰到大的困难，标志着X120的环焊缝工艺已经成功地应用到现场[36]。

(2) 拟用管道：目前还没有明确目标。

(3) 存在问题：相对应X100目前存在的问题，X120的环焊缝强度匹配更为困难。

还需要大量的基础配套研究工作。

4、 高Nb 管线钢的HTP 轧制工艺：
高温轧制工艺HTP 是现代控轧控冷工艺的众多工艺中的一种。

Nb 可延迟奥氏体再结晶、降低相变温度，通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来获得要求的性能。

但近二十年以日本厂家（包括欧洲厂家）为代表的技术路线采用超低碳NbMo 系生产针状铁素体的X70和贝氏体X80管线钢时，强调Nb 的含量在(0.01~0.06)%和Mo 在(0.1~0.3)%范围内综合性能（强度、韧性、焊接性能）最好[43]。

由于Mo 的价钱很贵，为降低成本，就必须更新工艺。

HTP 工艺提出[44]：超低碳，提高Nb 的含量到0.1%（通常在0.07~0.11%）、不添加Mo （有时还采用降低Mn 含量同时提高Cr 含量），利用高温轧制就可以得到针状铁素体。

有人认为：在现有X80的合金化原理的基础上采用HTP 工艺可以实现X100钢级。

HTP 工艺主要是在超低碳的情况下利用Nb 能够提高形变奥氏体的再结晶温度、阻碍铁素体转变的原理，提高钢的初轧温度和精轧温度。

初轧在奥氏体再结晶区域进行，获得细小均匀的奥氏体组织；精轧在奥氏体的非再结晶区进行，为针状铁素体或贝氏体的转变创造良好的形核和长大的准备环境。

这种工艺的特点是：（1）一般C<0.05%，N 含量很低，形成组织为针状铁素体或下贝氏体；（2）轧制温度较高、轧制力较小，所以轧机的能力得以提高；（3）产品塑性好、易焊接;（4）同板性能差值不大；（5）在制管过程中屈服强度升值较大；（6）适宜壁厚为14～32mm ，适宜轧机为炉卷轧机（能维持均匀高温轧制）；（7）这种工艺应用
于X70、X80，可以不用添加Mo ；对于X100和X120钢级[40][41]，尤其是X120，
由于主基组织为贝氏体，还需要有第二相组织形成，需要加入Mo 、B 元素，不能采用该工艺。

HTP 工艺最近在国际和国内上得以重视，对过去用户在钢管力学性能的基础上还要求限制化学成分的现象是一个改变，同时还强调关注众多合金综合效果而非个别合金元素（如Mo ），这样给了冶金生产厂家更多的自由度来发挥他们的特长。

但作者认为：这种工艺目前用于夏延管线，轧机为IPSCO 和OREGEN 的炉卷轧机，对于传统的连铸坯用于热连轧或3/4热连轧机，目前没有相关报道。

而且在夏延管道中，发现用热轧卷板生产的螺旋焊管的HAZ 韧性低且弥散，所以其综合性能还有待关注；而且对于不同使用要求，应关注：
（1）对于强调淬透性的钢管：比如热煨弯管用母管，要注意与干线钢管的合金化原理设计的不同，管材淬透性指标公式[45]：
Cu Cr m o Ni Mn si ic i f f f f f f D D ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
（公式1）
其中 )2.1(,33.31<⨯+=Mn Mn f Mn Mo f Mo ⨯+=0.31
Cr f Cr ⨯+=16.21
由上述公式可以看出，降低Mo 、Mn 含量必然会导致淬透性的降低。

（2）现场环焊缝热影响区的软化问题；
5、 高钢级输气管道塑性裂纹的扩展和止裂
有关高压输气管道的长程裂纹扩展及其止裂韧性，依然是目前的研究热点。

当前主要集中在对以BATTELLE 双曲线法为代表的半经验公式进行统计分析和修正，以及对CTOA 止裂判据进行改进以使其适用于实际工程。

需要注意的是，对于X80，都认为材料本身的高韧性足以止裂，但是对于X100及以上钢级，在高压运行条件下，由于材料本身的韧性往往无法满足止裂要求，必须采用止裂器才能保证止裂要求[46]。

本次会议关于高钢级管道止裂器的设计以及实物验证试验较多，这对于国内管道界今后在高钢级管道止裂设计有一定的参考意义。

（1） 目前基于夏比冲击试验以BATTELLE 双曲线法为代表的确定止裂韧性判据的半经验预测公式，比较典型的有[46]：
1) BTC ：Battelle “Two Curve ” Model ，1974年W. Maxey 等人考虑减压波
模型和动态裂纹扩展模型两种独立模型的相互作用提出的止裂韧性预
测公式。

如下图所示，蓝色实线为裂纹扩展速度（裂纹尖端速度）曲
线，红色虚线为气体减压波曲线。

随着钢材韧性的提高，裂纹扩展曲
线逐渐上移到气体减压波的上方（1→3→2）。

当裂纹扩展曲线在减压
波速度曲线下方时，没有进一步的减压波现象发生，裂纹按照交叉点
的速度继续扩展；当裂纹扩展曲线在减压波速度曲线上方时，在所有
压力情况下，减压波速度大于裂纹扩展速度，这时裂纹被止住不会扩
展。

通过下列两个公式[47]迭代计算，即可得出裂纹扩展曲线与减压波
速度曲线相切时（图中P B 点）的韧性值，即为最小止裂韧性值。

6/1]1][
[-=a d f B f CVP C V σσσ （公式2） ]})(24..75.18[arccos{exp ]333.32[5.02Rt E CVP f f
a σππσσ-= （公式3）
其中V f 为断裂速度，m/s 。

C B 为回填常数（没有回填介质2.76，土壤回填2.0，水
回填为1.71）。

σf 为钢管在工作状态下的应力（flow stress ），MPa 。

CVP 为2/3壁厚试样的夏比冲击试验上平台能。

σd 为钢管所受减压波环向应力（decompressed hoop stress
＝P d R/t ），Mpa 。

σa 为钢管止裂所需应力（arrest stress ），Mpa 。

P d 、R 、t 分别为减压波压力（Mpa ）、钢管平均半径、
壁厚。

由于当时试验基于X52、X60钢级，所以该公式在材料韧性较低
（<94J ）、夏比冲击试样没有断口分离现象、输送介质为纯甲烷或接近
等情况下适用。

在计算过程中通常使用两种软件：用GASDECOM 决
定气体减压波行为，用DUCTOUGH 计算断裂扩展速度。

BTC 是当今
最被广为应用的新管线设计确定止裂韧性的计算方法。

使用的简化计
算公式有[48]：
3/12)(0108.0Rt CVN BTC σ= （公式4）
其中σ是钢管的环向应力，R 、t 分别是钢管的平均半径和壁厚。

2) BSC ：Battelle “Single Curve ” Model ，Eiber 与W. Maxey 等人在1993
年基于针对不同工况使用BTC 迭代模型模拟得出的结果提出的简化
公式，用来计算能止住韧性裂纹扩展的夏比冲击的最小上平台能
（upper Shelf Sharpy energy ）。

3/12S )(35730.0Rt CVN C B σ= （公式5）
其中σ是钢管的环向应力，R 、t 分别是钢管的平均半径和壁厚。

3) BTC-CSM: CSM Adjustment of BTC Model, 2001年Mannucci 等人根据
一些列X100管线钢的实际全尺寸爆破试验结果与预测数值的差异，
提出修正模型：
BTC CSM BTC CVN CVN 7.1=- （公式6）
4) BTC-LEIS: Leis Adjustment of BTC Model ，1997年Leis 等人考虑将夏
比试验中裂纹萌生与裂纹扩展两部份分开计算而提出了修正模型。

BTC LEIS BTC CVN CVN =-, 对于CVN<94J;
623.1500269.004.2-+=-BTC BTC LEIS BTC CVN CVN CVN （公式7）
通过高能量的夏比试验机（694J ）得出的最新结果，针对高钢级，
2000年Leis 再次修正模型得到如下公式。

这种修正减少了裂纹萌生的
能量贡献，因为它并不能代表材料的真实动态断裂阻力。

B T C
L E I S B T C C V N C V N =-, 对于CVN<94J; 18.21002.004.2-+=-BTC BTC LEIS BTC CVN CVN CVN
（公式8）
5) BTC-WILK: 通过将对传统的CVN 试验结果与修正的DWTT 试验作相
关研究，分开考虑裂纹萌生与扩展能量，Papka 等人在Wilkowski 等人
试验和分析的基础上于2003年提出了新的修正模型：
8.16)29.101018.0(056.0597.2-+=-BTC WILK BTC CVN CVN （公式9）
针对上述5种模型，C-FER Technologies 公司的John Wolodko 与
Mark Stephens 等对于高钢级（X70~X120）高韧性（大于150J ）管线
作过的全尺寸爆破止裂试验数据做过相关分析，得出如下结论：
PREDICTED
ACTUAL P A CVN CVN R =- （公式10） MEAN DEVIATION STANDARD P A R R COV --=
（公式11） 通过本次会议的交流可以看出，目前还没有一个权威、通用的模型
应用于高钢级管线设计。

常见的做法是基于不同情况在BTC 的基础上
提出修正系数。

（2） 钢级对止裂韧性公式的影响：
目前止裂韧性全尺寸爆破试验数据来源于以下四个方面[47]：（1）PRCI （Pipeline Research Council International ）的208号报告；（2）EMC2过去报告的数据；（3）Advantica JIP 爆破试验项目关于X100的数据；（4）CSM 的DemoPipe 项目的数据。

总共186个数据点，分类如下：
美国EMC2的Wilkowski 等人在上述数据的基础上研究了钢级对各种止
裂韧性计算公式的影响。

除了（1）中提及的BTC 公式、BTC-LEIS 公式，Wilkowski 还提及了他本人在1997年提出的最小夏比能修正公式、2000年提出的最小夏比能公式、最小DWTT 能量公式，主要是把CVN 与DWTT 试验结果相关联，将能量/面积比值E/A （Wilkowski 认为E/A 更能代表材料的抗裂纹扩展能力）纳入止裂韧性判据中：
3
1800])/[(175/385.0)1977(-=-DWTT PN W Charpy A E A E ）（ （公式12）
3
1800])/(3.1[175/385.0)2000(-=-DWTT PN W Charpy A E A E ）（ （公式13） 385.01
min )2000(]1751800)/(3[3.11/+=-CVN W DWTT PN A E A E ）（ （公式14） 其中PN-DWTT 为压制缺口落锤试验，CVNmin 为要求的夏比冲击试验
值的最小值。

最终得出结论[47]：随着钢级提高，对于以夏比冲击试验为基础的止裂韧
性判据，都需要逐级改变修正系数（如X80:1.4BTC ，X100:1.75BTC 或
1.45BTC-LEIS ）；对于以DWTT 试验为基础的止裂韧性判据则不需要改变修正系数。

（3） 止裂器的种类：
目前止裂器有5种类型：钢套式（steel sleeves ）、焊接或卡环式（welded or clamped rings ）、钢丝绳式(wire rope)、螺扣钢环式(threaded steel rings)、复合止裂器(composite arrestors)等。

CSM 曾利用模拟软件PICPRO 针对X120钢级试验段进行不同类型止裂器的尺寸进行优化，得到良好的效果。

（4） 最新研究动向：
1) 除了CVN 和DWTT 试验，将CTOA 试验结果引入高钢级管线钢的止
裂韧性判据，进行改进以使其适用于实际工程[49-51]；
2) 对于高压高钢级管线引入止裂器的设计与应用[52-53]：
三、 极地环境的管道铺设：
随着油气开发向极地环境的进展，地震、滑坡、冻胀融沉等导致的地形运动对油气输送管线的设计、施工、运营维护提出新的挑战。

尤其是在极地或次极地环境的不连续的冻土地带，要求管道用管具有抵抗大的拉伸应变和压缩应变的能力。

针对这种情况，经过多年研究，加拿大在其管道设计标准CSA Z662的附件C 中提出了极限状态设计方法的参考准则[54]。

各钢管生产厂也研究出了抗大变形的管线钢[55]。

1、 基于应变设计的方法（strain-based design ）：
(1) 极限状态设计方法(limit states design)：
1) 极限状态设计的主要原理包括以下内容：
A 、 对所有适用极限状态进行标识；
B 、 对不同极限状态的分类：按照突破极限状态带来的后果将不同极
限状态分为极端极限状态（ultimate limit state ）和可服役极限状态
（service limit state ）。

C 、 极限状态函数的研究；
D 、 建立设计准则确保设计的安全、有效。

2) 不同极限状态设计方法：
按照建立和验证设计准则的过程，可将极限状态设计方法分为两种：
基于可靠性的设计（reliability-based design ）、载荷和抗力因子设计LRFD(load and resistance factors design)。

基于应变的设计（strain-based。