海底管道是海洋油气开发过程中关键的运输载体,具有高效、连续和安全的输送特点,其在海洋工程领域担当的重要角色被国内外专家广泛认可。海底管道在铺设、服役和维修的各个阶段均会受到多种载荷的联合作用,容易发生屈曲失效破坏,这种失效形式所引发的油气资源泄漏将会造成灾难性的后果。因此本文对海底管道屈曲压溃、屈曲传播和止屈穿越过程中的关键科学问题进行了重点研究,探究其失效机理,具有实际工程应用价值。本文以海底管道为研究对象,完成了其在轴向拉力和水压联合作用下屈曲压溃的理论模型推导和试验研究。海底管道的屈曲压溃过程属于非线性大变形问题,推导出了几何方程、本构方程和能量方程,建立了海底管道在轴力和水压作用下的理论模型,并编写程序实现了理论模型的求解。在国内外相关研究中缺乏全尺寸海底管道的试验数据,尤其是在轴力和水压联合作用下的全尺寸海底管道试验。因此依托深海压力舱,设计了一套完整的管道试验流程,完成了全尺寸和缩尺比海底管道试验,将试验结果和理论计算结果进行了对比分析,验证了理论模型的正确性。以不同加载路径对海底管道屈曲压溃的影响为研究对象,开展了海底管道试验和数值模拟研究。海底管道受到轴力和水压两种载荷的联合作用时,必然存在这两种载荷的不同加载顺序问题。本文首次对相同几何尺寸和材料参数的试验管道,进行了轴力和水压下不同加载路径的管道屈曲压溃试验,证明了先水压后轴力的加载路径比先轴力后水压的加载路径更容易使海底管道发生破坏,该危险路径的确定对海底管道极限承载力的校核具有重要的工程应用价值。同时建立了参数化的有限元模型,数值模拟结果与试验结果相一致,揭示了载荷不同加载路径对海底管道压溃压力产生影响的原因,并针对危险路径提出了更加准确的经验计算公式。以海底管道屈曲传播和止屈穿越为研究对象,对动态屈曲传播过程和止屈穿越模式进行了研究。首次将附加质量单元法,应用于海底管道动态屈曲传播过程中流固耦合作用的模拟,在有限元软件中完成了用户单元子程序开发流程设计。同时考虑了率相关的材料本构关系,更加符合管道动态屈曲传播过程的工程实际,并开展了轴力对管道动态屈曲传播过程中重要因素的敏感性分析。海底管道屈曲穿越整体式止屈器时,会产生平行穿越、正交穿越和其他角度的穿越模式,本文采用试验和数值模拟的方法揭示了管道下游初始椭圆度对整体式止屈器穿越模式的影响,对不同角度穿越模式产生的原因进行了分析。提出了更加合理的判断平行穿越和正交穿越模式的转换因子计算公式,并对DNV规范中穿越压力的计算公式进行了修正。