随着陆上石油资源逐渐枯竭,世界各国越来越重视海上油气的开采。同时,海油开采技术的不断进步,促使海洋石油的开发由浅水向深水发展。海底输油管道作为深水油气开发建设工程的重要组成部分,是连续输送大量油气最快捷、最安全和最经济可靠的运输方式。深水石油管道连接需依靠自动化连接机具完成。本文以国家“863计划”重大专项《深水海底管道铺设技术》的子课题《深水海底管道水下回接技术及AUT检验设备国产化技术研究》为依托,为满足深水海底石油管道连接作业需求,系统开展深水管道法兰自动连接机具的应用研究。研制具有自主知识产权的深水海底管道连接设备,对提高我国在深海石油开发领域的技术水平,降低深海石油开采成本具有重要意义。论文综述了国内外海底管道连接技术的发展概况,并着重介绍深水管道法兰自动连接机具的国内外发展现状,并对它们的优缺点进行对比分析。根据管道法兰自动连接机具的技术要求,参考国外相关技术装备的设计经验,并考虑国内现有技术条件,提出了深水管道法兰自动连接机具的总体技术方案,包括机械本体结构、液压系统以及控制系统。机具结构采用模块化设计方法,由螺栓库、螺母库、拉伸器库组成。在对机具结构设计分析的基础上,规划了机具的作业流程。根据深水海底油气管道法兰连接作业需求,提出了一套法兰连接机具液压动力供给装置的设计方案,解决了水下遥控潜水器(ROV)与法兰连接机具机械结构联接和油路对接的难题。设计了具有滑台座的柔顺液压接头,以补偿对接装置初定位误差,降低对初定位精度的要求,从机械结构上保证了液压油路的精确对接。基于概率理论建立了油路对接成功概率模型,得到了对接成功概率与油路插头的尺寸精度、位置精度的关系。利用Matlab软件对油路插头精度进行数值计算,结果表明,该装置的油路对接成功率较高。针对深水管道法兰自动连接机具20个螺栓同时引入螺母的难题,研制了一套螺栓引入机构,通过设置弹簧、聚四氟乙烯导向套和橡胶支撑环,保证螺栓可靠的引入螺母。针对水下作业环境,建立了螺栓引入螺母碰撞过程的数学模型。运用ADAMS动力学仿真软件,建立螺栓引入机构系统多体动力学模型,并对其作业过程进行动力学仿真,得到螺栓引入螺母过程的速度、位移曲线,为机具的实际作业运动控制提供依据。在螺栓引入机构试验样机上进行螺栓引入试验,结果表明螺栓能成功引入螺母,验证了螺栓引入机构结构设计的合理性。运用多刚体运动学理论,通过对法兰自动连接机具的位姿变换矩阵求全微分,建立机具的误差模型,并进行误差的仿真计算,得到各结构参数对螺栓末端位姿误差的影响。对法兰自动连接机具进行误差匹配设计,结合机具的具体结构形式,设计了螺栓库转角误差调整机构,实现了对螺栓库转角误差的硬件补偿,提高了螺栓末端的定位精度。研制深水管道法兰自动连接机具试验样机,搭建机具试验平台,在试验平台上进行机具的性能试验。为验证马达转速同步性能,进行了马达初始液阻测定试验、螺母套筒扳手机械摩擦试验、转速同步性调试试验,试验结果表明,设计的螺母库和液压同步控制回路能够保证20个马达转速同步误差为0.0447,满足法兰自动连接机具的作业要求。进行了法兰自动连接机具陆上综合调试试验,结果表明,设计的法兰自动连接机具在远程视频系统监控下成功完成两管道的法兰螺栓连接,达到了预期设计目标,为管道法兰自动连接机具的工程化应用打下了一定的基础。