世界各国能源需求量急速增长,对油气管网的建设速度、输送效率、建设成本以及安全性能提出更高要求。焊接过程中,由于焊缝接头的快速升温和降温,热影响区组织经历结晶、晶粒长大,导致热影响区硬度增大,韧性下降。焊后残余应力和残余变形的产生,大大降低焊缝接头的静载强度、疲劳强度,使焊缝接头成为管道失效重灾区。目前,管道朝着大壁厚、大管径和高韧性方向发展,管道厚度的增加,将进一步加快冷却,严重影响焊缝接头性能。因此,如何能保证焊缝接头组织良好以及降低焊接残余应力成为研究热点。本文的主要研究内容有:本文基于ANSYS有限元软件平台,开发用于模拟X80管线钢平板单道焊接和管道多层多道焊接的有限元模型。研究过程中,焊件的几何参数如下:平板尺寸为150mm×200mm,厚度为8mm、10mm、12mm、14mm、16mm;管道外径为220mm,壁厚为10mm。最终得到焊接的温度场、应力场计算结果,并通过实验验证有限元模型的准确性和可行性。本文研究了焊件厚度、热输入和焊前预热对热循环参数(冷却时间T_8/5、高温停留时间T_H以及峰值温度)及残余应力的影响规律,并对各焊件焊缝接头进行微观组织观察和硬度测量。研究结果表明:（1）焊件厚度的增加会加速热量传导至整个焊件,从而改变焊接热循环参数,导致冷却时间、高温停留时间减少,峰值温度降低。冷却速度过快不利于热影响区组织良性演变,严重影响焊缝性能。增大热输入有助于延长冷却时间、高温停留时间,但是过高的峰值温度会使粗晶区晶粒严重粗化,大大降低焊缝冲击韧性。焊前预热可显著降低冷却速度、延长高温停留时间,有效调节焊接热循环参数,有利于粗晶区组织良好。（2）焊件厚度的增加,纵向残余应力峰值和横向残余应力峰值都呈现上升趋势。当焊件厚度从8mm增加到16mm时,纵向残余应力峰值增大57MPa,横向残余应力峰值增大222MPa;热输入低于12k J/cm时,纵向残余应力峰值和横向残余应力峰值相对较高,热输入高于12k J/cm时,残余应力峰值趋于稳定;焊前预热可降低纵向、横向残余应力峰值,降低幅度分别为50MPa、80MPa。（3）焊缝接头各区域微观组织因经历的热循环不同而差异显著。焊件厚度的增加导致冷却速度加快,晶粒生长受限,造成粗晶区组织中粒状贝氏体和多边形铁素体数量增多。焊缝接头硬度分布呈“M”状,且硬度值随焊件厚度的增加而增大,原因在于组织中多边形铁素体数量增多。