水下井口头是海洋油气开发的关键枢纽性装备,环形密封装置是其核心部件,用来隔绝水下高压井口头和各层套管之间的压力、井孔内压,形成封闭的环形空间。水下井口头密封装置工况恶劣,井内油气压力高、腐蚀性强、安装拆卸操作复杂、工作周期长,对密封装置结构和材料提出了很高的要求。目前,欧美发达国家在该方面的研究处于领先地位。因此,开展环形密封装置结构设计与可靠性研究对开发拥有自主知识产权的国产水下井口头具有重要意义。首先,开展了水下井口头密封技术研究。根据水下井口头密封装置的作业需求,研究其功能需求和非功能需求,并分析了影响密封性能的因素;对水下井口头密封装置进行功能结构和方案对比分析,确定其总体设计方案;开展金属密封机理研究,分析了金属密封特点、影响金属密封性能的因素,得到金属密封性能的评定标准。其次,进行了水下井口头密封装置结构设计。基于需求分析和总体设计方案,开展了水下井口头密封装置各功能模块结构设计,并对关键部件进行有限元分析;针对影响密封性能的因子进行敏感性分析,并得到显著因子与接触压力的二阶响应模型;以接触压力、驱动载荷为优化目标,利用Ansys软件开展多目标结构优化设计,对密封体凸缘半径进行优化修正。再次,完成了水下井口头密封技术可靠性研究。采用故障树分析法建立了水下井口头密封装置故障树,通过最小割集识别求解,进行定性分析得到密封装置失效的原因,为提高装置可靠度提供理论支持;建立水下井口头密封装置Markov可修模型,开展密封技术可靠性定量分析,分析了各转移率对稳态可用度和MTTF的影响,提出了能够提高密封性能的具体措施。最后,根据本文环形密封装置结构设计和优化设计,设计了试验用环形金属密封试件,按照API17D和API16A的相关规定,对试件进行了有限元分析和静水压试验,通过分析对比实验结果验证了密封装置的可行性和可靠性;进行了剪切试验,在驱动载荷作用下能够成功剪切,保证装置密封激励的顺利进行,为实际装置的加工制造提供理论和技术支持。