长输管道作为油气资源安全、高效输送的主要方式，在国民经济发展进程中发挥着重要作用^[1−3]。随着能源需求量日益增大，长输管道不断向大口径、高压力、高钢级方向发展。目前，X80管线钢已经成为世界高钢级管道建设中应用最为广泛的材料。截至2022年，中国X80管道建设里程高达1.9×10⁴ km，超过国外X80管道里程总和^[4]，是世界上X80管道应用里程最长的国家。

随着管线钢强度的提高，管材的韧性将会有所降低。相对于低强钢制管道，高强钢制管道的环焊缝更易发生开裂事故，如中缅天然气管道晴隆段两次环焊缝断裂燃爆事故^[5−7]、泰青威管道环焊缝开裂事故^[8]，均造成了重大人员伤亡与财产损失。同时，长输管道环焊缝数量庞大，平坦地带敷设的管道，平均每千米约有90道环焊缝；在人口稠密或地形复杂区域，环焊缝的数量还会增加。环焊缝开裂问题将对高强钢管道本质安全构成重大威胁，亟需在设计、施工、运维阶段开展环焊缝本质安全设计与控制技术研究，以保障X80管道环焊缝结构可靠服役。

应变时效是导致管道环焊缝开裂失效的重要原因之一^[9]。长输管道在建设与运行期间可能受到防腐层高温涂敷与复杂地质环境的影响，在大变形位置发生应变时效现象，即金属材料经一定量塑性变形，在常温或加热条件下长期放置后，其强度升高而塑、韧性下降。该现象的本质是由固溶态C、N等轻质元素作为间隙原子与位错应力场间交互作用而形成的“Cottrell气团”对位错起到钉扎作用，进而引起材料性能的变化^[10−12]。自保护药芯焊丝半自动焊焊缝金属中的N含量较高，更易发生应变时效而使其性能发生恶化，不利于其安全服役。

应变时效对材料性能的影响在诸多工业领域引起了广泛关注^[12−13]。Zhao等^[14]通过研究静态应变时效后X100管线钢组织及力学性能，发现应变时效对管材拉伸性能及应力-应变曲线特征具有重要影响，随着预应变增大或时效温度升高，材料的强度增加、断后伸长率降低。Wu等^[15]通过研究应变时效对含铜微合金化低碳管线钢微观组织、铜析出及力学性能的影响，发现应变时效处理后，管线钢的强度显著升高，而断后伸长率与冲击韧性均未有明显变化。Li等^[16]研究了应变时效对X90管线钢拉伸及冲击性能的影响，认为应变时效对管线钢性能产生影响的主要原因源于材料组织特点与化学成分差异。目前，针对管线钢动态应变时效的研究较少，Jacobs等^[17−20]通过拉伸试验与断口分析，评估了X52、X70管线钢的高温力学性能，证明了动态应变时效现象的存在。

管线钢在生产、运输、敷设及服役过程中均可能受到外界载荷作用而发生变形，当管线钢承受过大的变形（超出弹性变形阶段）时，极有可能发生由温度或时间主导的静态应变时效现象，使管线钢的材料性能发生劣化。例如，长输管道在防腐涂层涂敷过程中需要将管体表面加热到473～523 K，很可能在产生预应变的管道上发生温度主导的静态应变时效现象。时间主导的应变时效则主要指已产生塑性变形的管道于自然温度下长期放置而发生静态应变时效现象。相关研究表明，温度时效与常温下的时间时效具有一定的转化关系^[21]。然而，对于高钢级管道，温度时效与时间时效的对应关系尚未建立，有必要通过大量的系统性实验，确定高钢级管道常温下劣化时间的预测模型。在此，以X80管道环焊接头为研究对象，通过标准冲击实验与小尺寸拉伸实验探究X80环焊接头经不同条件时效处理后的力学性能变化规律，结合理论模型与实验数据建立X80管道环焊缝应变时效临界劣化时间预测模型，以期为高钢级管道环焊缝应变时效的防治及控制提供数据支撑与理论指导。

为及时预判管道环焊缝的应变时效临界劣化时间，在上述拉伸实验数据基础上，建立X80钢环焊缝应变时效临界劣化时间预测模型。由于柯氏气团造成的应变时效受扩散控制，其所致力学性能变化所需时间与温度符合阿伦尼乌斯公式：

式中：t为应变时效达到任意阶段的时间，s；A为常数；Q为应变时效活化能，J/mol；T为热力学温度，K；R为气体常数，取8.314 J/（mol·K）。

对式（1）取自然对数，得到：

对式（2）作进一步变换，得到：

式中：t₁、t₂为不同的时效周期，s；T₁、T₂为t₁、t₂对应的时效温度，K。

根据较高温度下获得的应变时效数据确定Q/R的值，便可利用式（3）预测在实际服役的较低温度环境下产生相同应变时效劣化效果所需的时间。其中，Q/R值的确定方法为：首先根据应力-应变曲线，获得在不同时效温度及周期下由应变时效引起的材料屈服强度变化值ΔY（图9），然后取一固定的ΔY数值，在ΔY变化曲线中获得不同时效温度下的周期值，通过线性拟合获得Q/R。

图9 应变时效对材料应力-应变曲线的影响示意图Fig. 9 Effect of strain aging on the material stress-strain curve

基于上述规则，对填充焊区域（位置1、2）的实验数据进行拟合，得到不同时效温度下预应变试样ΔY随时效周期变化曲线（图 10），拟合式为：

式中：a、b、c均为常数。

图 10 不同时效温度下预应变试样ΔY随时效周期变化曲线Fig. 10 Variation curves of ΔY with aging periods for pre-strained specimens at different aging temperatures

由图3、表3可知，预应变环焊缝试样经80 ℃+7 d应变时效后，其冲击吸收能量由158.8 J降至78.8 J，低于标准中环焊缝冲击吸收能量平均值大于80 J的要求。因此，将位置1处预应变试样经80 ℃+7 d应变时效所对应的ΔY（85.9 MPa）作为X80钢环焊缝力学性能劣化至不可接受程度的临界值。以ΔY=85.9 MPa作水平直线，与图 10中的拟合曲线分别相交，得到150 ℃、100 ℃、80 ℃下屈服强度变化85.9 MPa的时效周期，记录对应时效温度，线性拟合获得时效温度-时效周期关系式：

利用该模型可预测管线钢环焊缝在较低温度下发生应变时效导致韧性降低至不可接受程度所需的等效时间。根据该预测模型进行推算，将T₁=20 ℃（293 K）、T₂=80 ℃（353 K）、 t₂=7 d作为已知参数代入式（5），计算可得环焊缝发生应变集中后在20℃下服役，由应变时效而导致韧性恶化所需的时间约为119.7 d。

以X80管道环焊接头为研究对象，通过标准冲击实验与小尺寸拉伸实验探究了X80环焊接头经不同条件时效处理后的力学性能变化规律，建立了X80管道环焊缝应变时效临界劣化时间预测模型，得到以下研究结论：

1）环焊缝经时效处理后，其冲击韧性显著降低，吸收能量最高可由应变时效前的158.8 J降至50.0 J，降幅达68.5％，冲击韧性远低于标准要求，已不能满足服役要求。

2）环焊缝及母材经应变时效处理后，屈服强度、抗拉强度、屈强比均出现不同程度的升高，应力-应变曲线由“圆屋顶型”转变为“吕德斯型”，并伴随有均匀延伸率降低。

3）基于不同时效温度及周期下的试验数据，获得了应变时效温度-周期的关系公式以及预测模型；根据预测模型可推算，环焊缝发生应变集中后，在20 ℃下服役由应变时效而导致韧性恶化所需的临界周期约为119.7 d。

4）受实验材料及测试数据限制，所获应变失效预测模型的适用性尚存在一定的局限性。建议后续工作中在不同材料及工况条件下针对管线钢应变时效进行测试，对所提出的模型进行修正，以期使之更广泛地适用于管道建设及运维工作中。