海底管道是海洋油气资源开发的生命线,对海底石油和天然气的生产和外输起着关键性的作用。由于深水海洋环境十分恶劣,海底管道同时受到弯矩、轴向拉力和静水压力的共同作用,其安全性受到很大的挑战,因此开展深水海底管道铺设施工工艺和铺管形态的研究显得尤为重要。深水海底管道铺设有三种方法:S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法,本文在系统地分析和总结国内外这三种铺管法现状和优缺点的基础上,运用悬链线理论对S型铺管法的铺设形态和受力性能进行了详细的研究,在理论研究的基础上开发了自然悬链线法和刚悬链线法的计算分析程序。利用悬链线程序对S型管道铺设进行了参数敏感性分析,总结了不同初始参数下管道张力、铺设形态和极限铺设水深的变化规律。提出了深水海底管道铺设的技术性建议,为实际管道铺设作业提供理论基础。本文的主要研究内容和成果概述为以下几个方面:(1)系统研究了S型铺管法国内外的发展现状和趋势,对管道的制作工艺和施工步骤进行了详细阐述,总结了S型铺管法的施工流程,比较分析了新型S型铺管法相对于传统S型铺管法的优势。并列出了近年来S型管道铺设的一些工程实例和遇到的问题。(2)运用悬链线理论建立了S型铺管法的静平衡微分方程,分别用自然悬链线法和刚悬链线法对平衡微分方程进行了数值求解,并结合中间段和托管架部分研究了S型铺管法的铺设形态和受力性能。在理论研究的基础上应用数值方法开发了相应的计算分析程序,计算分析了从铺管船到海床的管道整体形态以及各点的弯矩和轴力,同时结合DNV-OS-F101规范还可以计算分析一定规格管道所能铺设的极限水深。(3)通过悬链线程序对海底管道铺设进行了参数敏感性分析,得出不同初始参数下(水深、管径、壁厚、配重层厚度、托管架长度、管道初始倾角、钢材等级、控制应变等)管道的张力、铺设形态和极限铺设水深,总结了深水海底管道施工铺设的一些规律和建议。对不同水深下管道的弯矩和轴力进行了计算分析,发现铺设水深对管道弯矩图的形状有明显的影响,对轴力图的形状影响不大,水深越大反弯点以下部分的弯矩曲线越扁平。本文的研究工作受到“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项课题“深水海底管道铺设技术”的资助,是子课题《深水海底管道铺设工艺设计和计算分析技术研究》(课题编号:2006AA09A105-1)的重要组成部分。