海底管道是深海油气田的生命线,在复杂海洋环境的作用下,不可避免的会发生泄漏,从而影响油气田的正常生产,造成巨大的经济损失,甚至破坏海洋生态环境,酿成严重的生产事故。因此,破损管道之间的高效可靠连接成为深水管道维修领域必须攻克的重大技术难题。目前海底管道连接器存在结构复杂、密封性能差、密封可靠性低等问题,针对现有不足,以卡压式海底管道连接器为研究对象,开展金属密封准则、系统可靠性分析、结构参数灵敏度分析、最佳密封性能的多目标可靠性优化以及样机试验等研究。在分析国内外现有连接器基础上,确定卡压式海底管道连接器的总体结构方案和工作过程,并分析连接器金属微观密封机理以及连接器密封性能的主要影响因素。为研究连接器实现可靠密封的必要条件,将金属密封表面的微观接触模型简化为一个等效微观表面与一个刚性平面挤压接触,通过分析单个微凸受刚性平面压缩的力学行为,分别确定微凸接触面积和接触力关于接触距离的函数关系式,进而利用金属材料变形体积守恒定律,求解粗糙表面弹塑性微观接触模型,确定连接器实现可靠密封时所需接触压力均值,引入接触压力方差以及塑性变形量,建立连接器金属密封准则。为研究连接器系统可靠性,建立基于应力强度干涉理论、专家评价理论、模糊理论以及故障树理论的模糊故障树分析模型,确定连接器系统可靠性分析流程。通过分析连接器系统的失效原因与失效模式,确定顶事件与基本事件,建立连接器模糊故障树。利用MCS最小割集原理,完成连接器系统的可靠性求解,确定连接器的密封可靠度。基于Fussell-Vesely Important Measure(FVIM)理论和Top Decrease Sensitivity(TDS)理论,进行连接器系统可靠性分析,确定系统薄弱环节,验证金属密封准则和连接器结构方案的合理性。为保证卡压式海底管道连接器具有最佳密封性能,采用多目标遗传算法对其结构参数进行可靠性优化设计。通过建立连接器密封性能的评价指标,分析密封部位结构参数与评价指标的关系,并利用连接器参数化有限元分析模型,对设计参数进行密封性能灵敏度分析,根据分析结果确定优化变量。基于连接器密封性能,以连接器密封面上的接触压力方差和连接器密封可靠度为目标函数,以密封面上的接触压力均值、最大塑性变形量为约束变量,通过遗传算法对连接器关键设计变量进行多目标可靠性优化设计。对比分析连接器优化前后的密封性能,验证优化设计的合理性,并确定连接器最终的设计参数。为验证连接器结构方案、系统可靠性分析以及可靠性优化设计的合理性,进行连接器样机试验研究。对连接器进行极限密封压力试验,确定连接器样机的极限密封压力,验证优化后连接器的密封性能更优。通过连接器轴向拉伸试验,验证具有双锚定环结构连接器的锚定性能优于单锚定环结构连接器,并确定其能承受的极限拉伸载荷。通过管道表面压痕形态试验,分别观察密封失效以及可靠连接的管道表面压痕形态,证明基于连接器密封性能的多目标可靠性优化结果的可信性,并且验证接触压力方差以及塑性变形对连接器密封性能的影响理论的正确性。对连接器进行疲劳可靠性试验,证明优化后连接器的密封性能更优,可抵抗较高的疲劳振动载荷,并验证多目标可靠性优化方法的可行性以及锚定环结构设计的合理性。