海底管道作为海洋石油天然气资源运输的生命线,在海洋油气等资源的开采过程中起着极为重要的作用。但是海底恶劣的工作环境,如腐蚀,振动,洋流以及海地地震等原因则很容易使海底油气管道遭受破坏,影响海底油气资源的运输、污染海洋环境从而造成巨大的经济损失。当海底管道出现破损时,及时有效地修复和封堵破损管道可以最大程度的减少损失,保证生产的正常运行。水下焊接作为快速修复方案之一,在海底管道修复连接中起着重要作用,但由于海水以及海底高压的存在,导致焊接技术难度大,焊缝含氢高、质量差并且不能连续作业,因此采用机械快速连接的方法更为可靠。海底管道卡压式连接器是一种可用于海洋管道快速修复的机械连接器,其结构简单、操作方便,连接效率高,在海洋资源开采中具有广阔的应用前景。本文首先提出了卡压式连接器的结构方案。研究卡压式连接器的金属密封机理,提出密封部位设计原则。利用有限元软件ANSYS对初始设计卡压式连接器进行数值仿真。结果表明初始设计连接器密封性能较差,需进行优化设计。为提高优化效率,对卡压式连接器相关结构参数进行相关性分析,得到对密封性能影响最大的结构参数组,并对卡压式连接器进行自适应多目标优化设计。对优化后卡压式连接器进行1.5倍额定内压工况数值仿真,研究其密封性能变化情况。对优化后卡压式连接器开展微观接触密封性能研究。基于微观密封间隙中流体流动模型,建立考虑微观气体稀疏特性和密封结合面粗糙度的卡压式连接器气体微观泄漏模型,推导出气体微观泄漏率方程。建立密封结合面微观接触力学模型,推导出平均表面力方程。通过MATLAB和UG逆向工程联合建立微观粗糙表面三维模型并对微观粗糙密封表面接触过程进行数值仿真。对卡压式连接器的微观气体质量泄漏率进行分析,定量评价其密封性能。针对海底管道输送高温油气时卡压式连接器密封性能变化问题,对卡压式连接器进行稳态温度压力耦合场的密封性能研究。建立卡压式连接器的传热模型与有限元模型,对卡压式连接器温度压力耦合场进行数值模拟,分析卡压式连接器稳态温度场分布以及密封性能变化情况。通过对不同温度工况进行模拟,分析卡压式连接器温度场分布以及密封性能随温度变化的规律,确定出其使用温度范围。为了验证设计的卡压式连接器能够达到相应的设计指标,对加工出的1:1的卡压式连接器样机按照国际连接器测试标准程序进行相关试验,包括样机加载安装试验、静水压试验、气密性试验以及管道表面压痕观察试验。试验结果表明:设计的卡压式连接器具有良好密封性能,满足相关设计指标;卡压式连接器优化效果十分明显,采用自适应多目标方法进行优化设计是可行的。