油气管道环焊接头的材料差异性大,几何与材料性能上不连续,在焊接过程中易形成各种缺陷,导致环焊缝成为了高钢级管道的薄弱环节。管道环焊缝的断裂行为受到多因素的耦合作用,目前材料、缺陷、载荷等因素对焊缝开裂极限状态的影响机理尚不完全明确,环焊缝断裂评估方法存在断裂准则不明确、评价方法不准确等多方面的不足,管道本质安全难以保障。高钢级管道作为地下生命线工程承担着输送油气资源的重任,研究管道环焊缝的断裂行为与评估技术是提升管道本质安全与管道保护水平的关键,本文围绕这一问题重点开展了以下方面的工作:基于数字图像相关技术,试验探明了环焊接头材料应力应变关系的空间分布规律。设计了外径1422 mm含裂纹X80管道环焊缝的宽板拉伸试验,采用全场应变测量方法探明了裂纹面附近的轴向应变分布特征,研究了裂纹面附近轴向应变随远端应变的变化规律,讨论了宽板结构的最终失效行为与失效模式。依托宽板拉伸试验,建立了环焊缝宽板拉伸试验的数值仿真模型,从结构整体力学响应、裂纹面附近轴向应变分布以及裂纹嘴张开位移变化规律三个方面对比试验结果与有限元结果,充分验证了有限元模拟方法与环焊缝断裂仿真技术的合理性与准确性。基于细观损伤力学理论与有限元方法,分别建立了单边缺口弯曲与单边缺口拉伸的多尺度环焊缝裂纹扩展阻力数值分析模型,基于硅橡胶物理复制的韧性阻力曲线测试方法验证了数值模型的准确性。研究了材料特性参数、试样与裂纹几何尺寸对环焊缝韧性阻力曲线的影响规律,研究结果表明屈服强度对材料韧性水平的影响较小,提高焊缝强度匹配系数,降低材料屈强比,降低材料中初始空洞体积分数均能够明显提高环焊缝的韧性水平。针对面内、面外拘束对环焊缝断裂韧性的影响,讨论了不同裂尖拘束参数描述断裂韧性与拘束关联的合理性,提出了一种基于裂尖等效塑性区面积的焊缝金属裂尖拘束差异性精确表征方法。建立了适用于不同材料特性条件的环焊缝断裂韧性与裂尖面内、面外拘束的统一关联,使用该韧性-拘束关联模型准确预测了不同裂尖拘束状态下全尺寸管道环焊缝的韧性水平,预测结果的相对误差均在10%以内,平均相对误差只有3.9%,平均绝对误差仅为0.03 mm。针对失效评估图无法准确考虑环焊缝强度匹配特征的不足,基于失效评估图理论与等效应力应变关系方法探明了目前评估方法对于管道环焊缝裂纹的评估精度,研究了裂纹深度、裂纹长度、管道径厚比、材料屈服强度、硬化系数、焊缝强度匹配系数等参数对环焊缝断裂评估精度的影响规律。建立了优化极限载荷与参考应力的计算方法,提出了改进的管道环焊缝断裂评估流程,弥补了传统方法出现评估结果不保守的不足,提高了高应力条件下环焊缝断裂评估的精度。针对多因素耦合作用下管道环焊缝应变能力无法准确量化的难题,基于结构应力分析讨论了环焊接头中裂纹的最危险位置,以含环向根部裂纹的管道环焊缝为研究对象,基于参数化编程建立了环焊缝裂纹驱动力的数值仿真模型,通过并行计算建立了6600组环焊缝应变能力分析数据库,详细讨论了焊缝强度匹配系数、裂纹深度、裂纹长度、管材屈强比、错边量、壁厚、内压、断裂韧性等因素对环焊缝应变能力的影响规律。基于数据驱动理论分别采用人工神经网络与非线性回归方法提出了考虑焊缝强度低匹配的管道环焊缝应变能力预测方法,与全尺寸管道环焊缝的试验结果对比,应变能力预测模型的平均绝对误差为0.29%,平均相对误差为15%,提出的预测模型相较于目前国际上常用的应变能力预测模型具有更高精度。讨论了目前管道工业界对于焊缝强度控制要求存在的不足,首次提出了基于可靠性理论的焊缝强度匹配系数指标设计方法。基于可靠性方法建立了以裂纹起裂为极限状态的管道环焊缝极限状态方程,采用蒙特卡洛方法研究了不同错边量、环焊缝断裂韧性、母材抗拉强度分布的标准差条件下,管道环焊缝失效概率随焊缝强度匹配系数的变化规律。提出了满足目标可靠度的焊缝强度匹配系数计算方法,探明了影响焊缝强度匹配系数指标的参数敏感性,为高钢级管道环焊缝的强度设计提供指导。