能源在人类生存和发展过程中扮演着重要的角色,而在所有能源中,石油和天然气占有最主要地位。随着陆地油气资源开采殆尽,开发海洋油气资源已迫在眉睫。在海洋油气资源的开发过程中,需要将海底油气输送至陆地或者油气船上。目前,世界各国主要采用海底管道作为油气输送工具。卷管铺设是一种新型海底管道铺设方式,在远距离管道铺设中具有较大的优势。因此,开展卷管铺设关键技术研究,研制一种具有自主知识产权的卷管铺设装备,对打破国外技术封锁,提高我国海洋工程装备技术水平具有重要意义。本文首先介绍海底管道各种铺设方法的发展现状,并分析归纳各种方法的优缺点;针对论文研究的卷管铺设法,对其涉及到的关键理论进行综述,具体包括:管道安全性、管道屈曲理论和管道校直理论。提出卷管铺设系统的总体方案。针对部件结构尺寸和重量较大的问题,采用模块化设计的思想。根据部件的功能和特点,将整个系统分为滚筒、校准器、校直器、张紧器和铺设塔架五个部分。并对各个部件的结构和驱动形式进行设计。在此基础上,对系统的液压驱动和控制方案进行设计。针对卷管铺设中管道受力较大易失效的问题,提出一种管道安全性的判定方法。通过分析管道的失效机理和铺设过程中的受力状况,得到管道极限载荷承载能力和极限应变能力,并对影响管道安全性的因素进行研究。采用该方法对试验系统中管道的安全性进行分析,验证本文滚筒设计的正确性。研究卷管铺设中上卷时管道的屈曲问题。以非线性环理论为基础,建立起管道横截面变形和曲率之间的关系;考虑管道和滚筒之间的接触,基于虚功原理,获得横截面变形和外界载荷之间的平衡方程;并用牛顿-拉夫森迭代法进行求解,获得管道在上卷过程中弯矩和椭圆度的变化。分析管道几何、材料参数以及弹性回弹对管道屈曲的影响。采用陆地试验和仿真相结合的方法验证该方法的正确性。针对管道上卷后残余挠度较大的问题,建立一种连续、快速的校直模型,获得了校直反弯下压量和校直行程。基于最小势能原理,获得管道单位长度上的最大弹性压力,建立起校直器压点、支点和管道性能之间的关系。以弹塑性理论为基础,通过求解管道弯矩、塑弯比从而获得管道校直曲率和初始曲率之间的数学关系。为便于铺设过程中校直器的操作,进一步得到管道的校直反弯下压量和校直行程。通过研究材料、几何参数对校直曲率的影响,将校直曲率公式进行简化。基于ANSYS对管道校直过程进行分析,通过仿真结果和理论结果的比较分析,验证校直模型和理论的正确性。开展卷管铺设试验研究。研制卷管铺设系统试验样机,搭建海试试验平台。通过样机调试、码头上卷试验和海上退卷试验,对样机总体方案和理论计算进行验证。试验结果验证了本文所提出的总体方案、管道安全性判断方法、管道上卷弯曲屈曲分析方法、管道校直模型和理论的正确性。本文研究成果对深海卷管铺设系统工程样机的研制提供了理论基础,为卷管铺设法的实际操作提供了宝贵的实践经验,同时为我国海底管道铺设技术的深入研究开阔了思路,具有重要意义。