随着天然气在能源消耗比例中的增加,我国天然气输送管道建设呈现迅猛的发展势头,陆续建成了西气东输一线、二线工程,三线工程也已基本完成,形成横贯我国大江南北的能源动脉网络,随之而来的便是天然气管道安全问题。由于管道在制造安装以及服役过程中,不可避免的因环境腐蚀、机械损伤等原因产生缺陷,这些缺陷极易在内部介质的作用下萌生为轴向裂纹,严重降低了管道强度与可靠性,采用传统的强度理论无法对管道状态做出评价,也无法对管道的修复止裂给出合理的方案。本文结合弹塑性断裂力学理论与复合材料力学理论,对含轴向穿透裂纹天然气管道断裂特性与管道修复进行了研究。在弹塑性断裂力学理论研究的基础上,建立了含轴向裂纹天然气管道有限元模型,设计小尺寸含裂纹管道试验,通过测定裂尖附近环向应变验证了有限元模型的可行性。基于该模型研究了裂尖J积分沿壁厚方向的分布规律,结果表明J积分沿壁厚方向呈现中间大两端小的分布规律;研究了管道参数对J积分的影响,结果表明J积分与裂纹长度呈现正相关性,与管道壁厚呈负相关性;基于裂纹尖端张开角准则建立了含裂纹管道极限载荷的计算模型,经现有试验数据验证表明该计算模型具有较高的准确性。研究了内聚力模型理论及其在裂纹扩展中的应用,基于内聚力模型建立天然气管道轴向裂纹动态扩展有限元模型,通过管道极限载荷验证了模型的可行性。基于该模型研究了不同载荷下裂纹扩展速度与裂纹尖端张开角随时间的变化规律,结果表明二者呈现负相关性,体现裂纹扩展力对裂纹扩展的驱动作用。研究了复合材料力学理论,并建立复合材料修复含轴向裂纹管道的有限元模型,将修复前后裂尖J积分的比值定义为评价修复效果的止裂系数,从而研究了复合材料的铺设角度、修复长度、修复厚度以及管道尺寸参数对止裂性能的影响,并给出了特定修复参数下止裂系数的计算公式。