在经济快速增长推动下,由西气东输、北油南运等组成的中国油气管道输送格局已经形成。但因管道腐蚀与城市建造等因素造成的事故越来越多,而大口径管道对口是管道敷设与维抢修作业的关键环节,其作业质量好坏将直接影响大口径管道寿命与管道事故抢修效率。采用传统的管道对口装置存在作业效率低、安全隐患大等缺点;同时,对对口焊接作业时管口变形与焊缝间距过大等问题,国内外鲜有研究。为此,针对上述问题本文深入展开以下研究:(1)在大口径管道对口工具国内外现状调研基础上,明确了大口径管道敷设、维抢修对口工具的功能需求和作业流程。针对不同工况,完成了管道外对口器、管道外对接工作台与管道封堵器的机械结构创新设计。(2)基于CREO骨架建模概念,完成大口径外对口器结构设计与三维建模,详细阐述了大口径管道外对口器功能原理。在对工作状态下大口径外对口器的关键结构力学分析与强度校核基础上,优选计算出各结构参数。(3)基于弹、塑性理论,结合大口径管道外对口器矫正能力,运用ABAQUS对矫正过程进行了数值模拟。结果表明:矫正时管口应力变化分为应力增长、应力不变、应力下降与应力回弹四个阶段;对于管口局部外凸变形5mm,10mm,20mm,矫正后管道恢复率分别为89.8%、87.6%、85.6%,矫正能力较好;但对于整体椭圆变形的管口,矫正能力较差。(4)为实现碰死口焊缝间距调节,建立了等效无限管长管-土耦合数值模型,对大口径埋地管道小位移拉伸行为进行了研究,并拟合出拉伸力与影响参数数学表达式。结果表明:各因素影响拉伸力大小程度依次为拉伸位移、径厚比、开挖长度、埋深、摩擦因数与弹性模量;管道小位移拉伸是解决碰死口焊缝间距过大可行方法。(5)根据大口径管道外对口器的工作原理与结构参数,对其液压系统进行了设计与选型计算;建立了阀控推动液压缸数学模型并设计反馈控制策略,通过AMESim进行仿真分析,优选出阻尼比ζ=1,反馈增益系K=200的控制参数;结果表明:设计液压系统与控制策略能实现大口径管道外对口器同步对中、焊缝间距精确控制等功能。(6)根据现场大口径管道更换工况,结合设计的大口径管道对口工具,设计了大口径管道改造施工工艺,为工具运用提供现场依据。