天然气水合物作为一种污染少、分布广的新型能源成为世界各国争抢的重要战略资源,而南海神狐海域的天然气水合物的成功开采,标志着我国进行开采深水可燃冰的开端。在深海立管中,开采得到的天然气水合物受到环境因素和自身性质的影响,进行生成和分解化学反应,使得管内流变成复杂的多相非平衡流,影响开采立管的安全性,容易引发安全事故。以分子热力学为基础,本文建立了天然气水合物在受温度压力变化影响下的生成分解相平衡模型,并在建立好的相平衡基础上考虑气液固三相的性质变化,得到由各相的连续方程、能量方程、动量方程组成的天然气水合物多相非平衡流的控制方程。本文结合有限差分法,利用MATLAB软件编程分析得到不同参数对开采立管内多相流的影响规律,并将不同施工参数下的内流压力赋值到Orca Flex软件建立的SCR立管的有限元模型,分析计算立管在海洋环境和平台动力响应作用下的结果。最后,本文采用多岛遗传算法以减小应力幅值,控制水力泵效以及减小管重三个目标对立管进行优化设计,选出最优解,为将来的天然气水合物开采立管设计提供优化的结构模型。研究结果表明,液相排量和固相排量的增加都将会导致管内压力损失增大,管径的增大将会影响管内温度增大,入口压力的减小导致管内压力减小,入口温度的增大导致管内温度增大,都将使得水合物相变位置下移。南海海洋环境条件下,立管动力分析结果的最大应力和最大曲率均出现在触地点处,固相排量和管径的改变对立管动力分析结果产生明显的影响。优化立管的管径和壁厚设计参数后,立管的等效应力幅值、管重以及最大曲率得到有效改善,尤其是立管悬挂处和触地处的等效应力幅值大幅度降低,控制了立管最大曲率,从而有效应对立管的疲劳损伤,增强立管使用寿命,且满足了减少立管经济成本的目标要求。