随着全球经济的飞速发展,人类对能源的需求不断增加,各国开始将目光投向了更具潜力的海洋,将海洋油气资源开发及相关技术作为国家经济发展的重要战略目标。海底管道作为油气传输的主要方式,其安全运营是系统正常运行的保障。相关统计显示,国内海底管道每年每1000公里出现损伤、泄漏的频率为0.2%,为快速应对海底管道事故,发展水下修复技术和修复装备是非常必要的。目前,国内水下修复技术落后,修复装备严重依赖进口,行业相关单位正致力于水下修复装备和技术国产化研究。水下修复装备和技术国产化依赖于相关问题的解决,调研发现,其中涉及力学方面的相关问题包括:椭圆管道的修复连接问题、水下修复密封问题、管道错位对中问题和复杂环境下修复连紧固问题。针对此四个相关问题,文章采用理论、试验和数值方法,从安装载荷和强度、密封可靠性、错位对中方法和连接紧固性方面开展了以下研究内容:1、椭圆管道修复过程中的力学性能研究。存在椭圆度的海底管道与机械连接器的过盈安装载荷预测及结构安全性评估是水下修复的一个难点问题。文章将存在椭圆度的管道简化为椭圆管道,基于ANSYS软件建立椭圆管道与连接器修复连接接触非线性有限元模型,结合组合厚壁圆筒经典解进行了理论验证;采用有限元模型模拟了椭圆管道与连接器的过盈接触摩擦性能,基于等效方法建立了二者的接触应力解,进一步考虑接触摩擦力提出了存在椭圆度缺陷的海底管道修复连接安装载荷预测经验公式;模拟分析了修复安装过程中海底管道的等效应力与椭圆度、过盈量等参数的关系,提出了一种基于强度的椭圆缺陷海底管道修复连接安全评估方法。2、密封材料选择与密封可靠性研究。密封作为水下修复的一个相关问题,其性能优劣关乎修复能否成功。本文调研了水下机械式修复常用的密封形式和密封材料,总结了现有的密封准则和相关密封性能参数,为密封可靠性分析奠定基础;采用有限元软件ANSYS建立了机械连接器O型密封环结构的二维轴对称模型,分析了接触面上的密封压力和密封面积,并基于Buchter准则对密封可靠性进行了评估。3、预应力条件下的管道连接方法研究。海底管道多处于预应力状态,修复切割后两端容易出现错位问题,对修复连接提出了新的挑战。针对管道错位连接问题,文章结合悬臂梁模型和Winkler弹性地基梁模型,建立了管道弹性地基梁错位对中理论模型;结合相关假设,依据理论模型设计了一套错位对中方案,对施载位置、控制载荷或位移及极限对中工况等进行了详细说明;最后,采用有限元模型进行了算例分析,验证了错位对中方案的可行性。4、复杂环境载荷下连接紧固性研究。修复连接管道能否抵抗服役过程中波浪、海流、内压、温度及悬空等复杂载荷作用是水下修复必须要考虑的问题。针对连接器常用的螺纹牙紧固结构,简化建立了理想超高强紧固力学模型,给出了轴向紧固约束力与结构尺寸、材料参数的经验理论关系;基于ABAQUS软件建立了螺纹牙紧固结构与管道的弹塑性紧固模型,采用理论模型进行了一致性验证,结合数值模拟结果进行了应力分析和紧固约束力因素分析;依据挪威船级社规范对内压、温度、悬空等复杂环境载荷进行了简化,提出了基于载荷等效力与紧固约束力比对的紧固性评估方法,为工程应用提供指导。