钻井立管是石油和天然气的安全开采、生产和运输过程中的重要结构。随着全球油气需求量的递增,海洋石油开发正迈向资源更为丰富的北极海域,立管的服役环境变得更加严苛,且钻井立管一旦发生破坏,后果通常非常严重。对于极地冰区的钻井作业来讲,冰荷载对立管的作用要远比其他荷载的影响甚大,因此必须加强对冰荷载作用下的立管系统的力学性能和防冰设计研究。本文主要研究了钻井立管在冰荷载作用下的力学响应以及立管系统的漂移分析,最后进行了立管抗冰设计的初步探讨,主要研究内容如下:(1)针对单体体积较大的单浮冰在水动力下对立管的一对一撞击,设计并进行了钢带和PE材料实验以及钢带缠绕增强管与整块浮冰相互作用的整体模型试验,通过材料实验得到了钢带的应力-应变曲线和PE的应力-应变曲线,针对整体模型试验分别进行了 40cm和50cm水深下纯流、波流作用下的4组工况的分析,每组工况选取不同流速和波高进行研究,并对实验过程中碰撞区域应变及顶部拉力的变化进行了讨论分析。通过Abaqus有限元软件建立了有限元模型,针对实验两种水深下纯流的工况进行了有限元分析,并将顶部拉力和实验结果进行了对比分析,误差均在10%以内,验证了有限元模型的正确性。最后通过有限元进行了相关参数分析,研究了碰撞过程中冰速、冰层厚度以及水深对立管响应的影响。(2)针对单体体积较小的碎冰对立管的持续多对一撞击,提出采用离散元建模方法进行碎冰与立管的撞击分析,与以往直接在有限元中模拟冰载的方法相比更加可靠。通过离散元模型进行了敏感性分析,分析了海冰厚度、结构物尺寸以及海冰密集度对碰撞过程中立管最大冰力以及平均冰力响应的影响。(3)提出了漂移理论分析方法,通过理论分析结果与orcaflex有限元整体分析结果相互印证,结果拟合较好。有限元分析中所得到的各警戒圈的临界时间可用于指导工程实践,为快速解脱实际操作提供参考。(4)针对立管系统抗冰设计方案,进行了文献调研以及初步探讨,从结构物外形和立管自身抗冰两个方面进行了一系列探讨,得到可以通过结构物的外形设计来改变冰-与结构物的碰撞破坏形式,从而减小立管系统的响应;以及在立管外部一定高度加一层铠装层可以有效地对立管进行防护。