油气管道是一种典型的焊接结构,焊缝及热影响区不可避免地存在各种形式的焊接缺陷。我国近年来已发生多起高钢级管道事故,多表现为管道环焊缝的应变能力不足。环焊缝的应变能力与其力学性能密切相关,由于环焊缝的非均质性,管道环焊缝力学性能测试与表征一直是一项难题。因而管道环焊缝的力学性能研究必须引起高度重视,对保障管道安全运营具有重要意义。环焊缝力学性能研究分为局部本构关系识别和断裂韧性测试两部分内容。针对管道环焊缝局部本构关系难以准确识别、单边缺口拉伸试件（SENT）断裂韧性测试中母材与焊缝的J积分塑性因子方程研究不充分以及规则化方法在SENT试件J-R阻力曲线测试上的适用性等关键问题进行研究,主要研究内容及成果如下:（1）提出了一种利用数字图像相关技术（DIC）测量焊接接头局部本构关系的方法,搭建了基于DIC技术的材料拉伸实验平台,测试了X80与Q235管道焊接接头局部力学性能,得到母材与焊缝试件不同位置的局部真应力-应变曲线。分析母材不同位置的真应力-应变曲线,结果表明,DIC方法可以准确测试材料性能,具备区分非均质材料力学性能的能力,可用于测试焊接接头局部本构关系。测试并分析了X80与Q235管道焊接接头的微观组织、硬度分布,其硬度分布规律与基于DIC方法得到的焊接结构屈服强度规律一致,证明了测试结果的准确性。分别研究X80和Q235试件母材、焊缝、热影响区的Ramberg-Osgood模型参数,确定了试件的匹配强度,两种材料焊接接头平均匹配系数分别为0.95和1.21。（2）建立管道母材SENT试件三维有限元模型,研究裂纹长度（a/W=0.2～0.7、增量0.1）、试件厚度（B/W=0.5、1、2）、硬化指数（n=5、7、10、15、20）、试件侧槽对J积分塑性因子的影响。通过数值分析结果,考虑裂纹长度、试件厚度、材料硬化性能等因素的影响,通过拟合方法提出适用于不含侧槽与侧槽深度为10%B的管道母材SENT试件J积分塑性因子方程。（3）建立针对管道环焊缝的SENT试件三维有限元模型,模拟计算焊缝金属SENT试件在不同裂纹长度（a/W=0.2～0.7）、试件厚度（B/W=0.5、1、2）、焊缝宽度（2h/W=0.5、0.75、1）、匹配系数（My=1.1～1.4）下的J积分塑性因子,研究不同因素对J积分塑性因子的影响规律,通过拟合方法提出针对不含侧槽与侧槽深度10%B的焊缝金属SENT试件J积分塑性因子方程。（4）提出了一种适用于SENT试件J积分阻力曲线测试的改进规则化方法,并应用于X80管道钢母材和焊缝的断裂韧性测试,相较于规则化方法,改进的方法与卸载柔度法的偏差更小,准确性更高。对比了BS 8571、ASTM E1820、GB/T21143等标准中起裂韧性的确定方法,分析了裂纹长度、最终裂纹扩展量、侧槽深度等对断裂韧性的影响规律,提出SENT试件优选的侧槽深度与试件加工方式。基于测试的SENT试件P-CMOD曲线和J-R阻力曲线,校核并修正了GTN模型参数,结果表明,该模型可以较好的预测材料的韧性撕裂行为,为管线钢的工程应用提供一定依据。