为了实现天然气的大输量(300亿m~3/n)、长距离输送,大口径、厚壁、高强X80管道已成为目前天然气长输管线建设的首选。随着管线钢级和输送压力的不断提高,对管道输送安全性提出了更高的要求。目前,大口径、厚壁、高强X80管线建设均采用的是焊接钢管。大量研究表明,长期服役管线失效主要发生在焊接接头处,且与疲劳、腐蚀有关,因此,管道焊接接头处的疲劳性能研究对管线输送的安全设计具有重要的意义。本文以西气东输三线工程所用X80焊管为研究对象,针对X80焊管制造过程中焊接、管端焊缝修磨、扩径以及内外涂层防腐等工艺对其组织和性能造成的影响,采用热模拟、金相、TEM、SEM、EBSD、X射线应力仪等方法,研究了X80焊管热影响区的组织、焊接接头的疲劳性能,综合分析了焊接热影响区组织和性能、焊缝余高、塑性变形以及残余应力对焊接接头处疲劳裂纹萌生和扩展的影响。焊接热模拟研究结果表明,热影响区中的细晶区因焊接热循环软化,其强度最低,导致疲劳寿命最低;而热影响区中的粗晶区具有较高的强度,其疲劳寿命高于细晶区,但因其组织粗化及大量小角度晶界的存在导致疲劳裂纹扩展速率增长最快,从而减少了粗晶区的疲劳寿命;热影响区中临界晶区的强度高于细晶区,内部组织细小且大角度晶界占比较高,因此其疲劳寿命最高。为了研究X80焊管在管端焊缝修磨前后性能的变化,建立了X80焊管原始焊接接头及去除焊缝余高后焊接接头的有限元模拟模型,研究了焊缝余高对焊接接头处疲劳性能的影响,结果表明,由于焊缝余高造成的应力集中,原始焊接接头处疲劳裂纹萌生在内焊缝的焊趾处,沿热影响区中的粗晶区扩展;去除焊缝余高后,因细晶区强度弱化以及粗晶区和细晶区之间的硬度梯度较大,疲劳裂纹萌生在粗晶区中靠近细晶区的位置,并沿细晶区扩展。因此,去除焊缝余高后X80焊管焊接接头处的疲劳强度是原始X80焊管的1.31倍。实际焊接接头及去除余高后焊接接头的疲劳试验结果证实,疲劳裂纹萌生位置及疲劳寿命与有限元分析结果相一致。采用预应变方法研究了X80焊管扩径引起的焊缝塑性变形对焊接接头性能的影响,结果表明,在1%～3%的预应变范围内,随着塑性变形量的增加,焊接接头的强度和疲劳总寿命升高。疲劳寿命提高的原因是强度提高引起的疲劳裂纹萌生寿命提高,但疲劳裂纹扩展寿命缩短。焊接接头预变形量每增加1%,疲劳裂纹扩展寿命约缩短22%,此结果严重降低了管道输送的安全性。分析了塑性变形后焊接接头处疲劳裂纹扩展加速的机理,结果显示,疲劳裂纹扩展过程中出现的解理断裂加速了X80焊管塑性变形后的疲劳断裂。测定了不同工艺预处理后X80焊管焊接接头处残余应力分布和疲劳寿命以评估涂层工艺对焊接接头性能产生的影响。去应力退火工艺通过改变晶粒内部位错分布显著降低了焊接接头的残余应力,改善了残余应力分布,提高了焊接接头的疲劳寿命。经过塑性变形后去应力退火的X80焊管,因强度升高以及拉伸残余应力的释放,使其焊接接头处的疲劳寿命最高,结果显示,在最大交变应力为550 MPa时,其疲劳寿命达到了10~7周次。