球形接头是深水钻井工艺中重要的海底设备,为解决球形接头在低温高压下密封性能差的难题,便于更安全可靠地应用于工程实际中,本文提出一种压差自动调节的三级密封球形接头。首先,完成了球形接头总体方案、整体结构、密封系统、压差自动调节系统、防沙罩和其他附属零部件的设计;其次,应用接触理论和有限元仿真技术,在分别对轴向组合密封和球面组合密封进行密封性能分析的基础上,对轴向组合密封、球面组合密封和整体密封系统进行了密封性能对比;再次,将防喷器组柔性化处理,把防喷器组、球形接头和隔水管作为整个系统,进行隔水管系统动力学分析,利用拉格朗日动力学方程建立隔水管系统动力学方程,并运用振型叠加法进行求解,得到球形接头在隔水管系统中的振动响应;最后;利用球形接头在隔水管系统中的振动响应结果,应用RecurDyn动力学仿真技术,进行密封系统刚柔耦合仿真,分析了密封系统在球形接头振动下的动力学响应。研究结果表明:O形圈的硬度、材料常数比值、压缩率、摩擦系数对轴向组合密封和球面组合密封的密封性能影响较大,密封环的几何尺寸对球面组合密封最大接触应力影响较大,相同情况下,整体密封系统比轴向组合密封和球面组合密封的最大接触应力大,因此整体密封系统密封性能更加优越;隔水管系统偏转角度越大,球形接头在隔水管系统中的振动越强烈,其振动位移曲线是多个简谐振动的叠加;球体旋转时密封系统各接触点的最大接触应力波动较小,振动持续衰减最终达到稳定,各级密封振动位移波动较小,最大振幅值较小,轴向组合密封各接触点振动频率小于球面组合密封各接触点振动频率,球体的偏转时,密封系统各接触点的最大接触应力波动较大,部分接触点的最大接触应力无明显衰减,轴向组合密封和球面组合密封振动位移波动均较大,最大振幅值较大,部分接触点的振动虽然振幅值较小但无明显衰减,球面组合密封的振动频率约等于轴向组合密封振动频率。