海底输油气管道是海洋油气资源开发的关键设施,法兰透镜垫连接密封是海底输油气管道连接领域的关键环节之一,工作在内部介质高温高压,外部海水高压低温的环境中,透镜垫长期处于高应力状态,易发生泄漏,导致密封失效,还有海流、泥沙、鱼群等活动对管道产生扰动作用力,对海底管路中的法兰透镜垫连接密封造成影响。因此,考虑工作环境因素对法兰透镜垫连接密封泄漏影响研究具有重要的意义。本文首先根据深水管道所用的6in法兰透镜垫连接接头建立力学模型,推导接触宽度和透镜垫最大接触压力的计算公式,利用有限元软件仿真分析法兰透镜垫非线性接触问题,得到透镜垫的接触应力分布和变形情况,根据流体缝隙流动理论,建立了粗糙密封面泄漏率模型。本文从微观层面上分析法兰透镜垫接触密封机理,利用弹塑性力学知识,建立粗糙表面微凸体在弹塑性阶段的接触应力模型,并由此建立基于统计学特征的粗糙表面弹塑性接触应力模型,推导出粗糙平面的平均分离距离与接触面积及接触压力之间的关系式,结合上述粗糙密封面泄漏率模型,研究接触压力与泄漏率之间的关系,提出了满足三种粗糙度的透镜垫密封条件。本文根据热弹性力学知识,对透镜垫热应力进行了理论分析,采用仿真分析方法分析法兰透镜垫连接接头温度场分布及热-结构耦合作用对透镜垫接触应力的影响。考虑透镜垫长时间工作在高温高压环境下,分析蠕变对透镜垫密封连接影响,得到随时间推移蠕变对透镜垫接触应力的影响规律。本文通过ANSYS和Fluent联合仿真,建立绕流管道流-固耦合模型,利用有限元软件仿真分析了绕流管道流场流速分布和压力分布,得到在水流方向管道前后两侧动水压力分布结果。分析了水流冲击对悬跨管道中的透镜垫连接接头产生额外弯矩的作用,得到了弯矩对透镜垫接触应力在周向分布不均的影响结果。最后,设计了透镜垫的密封实验,通过透镜垫压痕宽度验证了透镜垫接触宽度计算公式的正确性;通过理论接触应力和实测轴向压力的比较,验证了透镜垫连接泄漏模型的正确性。同时结合实验结果,分析了温度和外流场对透镜垫连接密封的影响,间接验证了理论推导的正确性。