随着海洋石油工业的迅猛发展,在海洋领域中兴建的石油平台越来越多。一般海洋平台的设计寿命为20年左右,根据相关法律规定,平台的作业寿命到期后必须对其进行废弃处理。我国从19世纪60年代开始开采海洋石油,建设的大量石油平台均已超过其服务年限,需要对其进行退役拆除。目前我国海洋石油平台的拆除作业主要由国外几家大公司垄断,因此研究新型的切割技术及切割装备是我国海洋石油工程领域中一个极为重要的课题。本文围绕海洋废弃井口切割回收技术及其装备展开了系统深入的研究工作。针对现有的海洋废弃井口切割技术存在的切割效率低、成本高等问题,率先提出了一种基于电弧切割技术的海洋废弃井口切割新方法,该方法利用工具电极与套管之间电弧放电产生的高温熔化作用进行切割作业。该技术不受材料硬度的限制,较好地解决了传统机械切割方法存在的切割效率低、成本高、切削力和振动大、刀具磨损严重等问题。研制了一套基于电弧切割技术的井下机械作业系统,包括绞车机构、旋转机构、扶正锁紧机构、工具电极自动送进和更换机构。建立了扶正锁紧机构的运动方程,并对其进行了运动仿真分析,结果表明扶正锁紧机构运行稳定,能够提供足够的锁紧力保证井下作业装置的稳定性。研制了工具电极送进机构,该机构采用同轴型磁力耦合的方法传递伺服电机的扭矩,以实现切割过程中工具电极的自动送进和更换,避免井口切割过程中需多次起下作业系统换刀的问题,可较大提高切割作业效率和降低作业成本。开发了基于多轴运动控制卡(PMAC)的电弧切割装备的控制系统,设计了其硬件结构、软件结构,以及相应的运动控制程序,实现了切割过程中各种动作的自动控制和切割信号的实时检测。研究提出了基于电弧切割电压值和电流值的实时检测的工具电极运动控制策略,并试验验证了该控制策略的可行性和可靠性。基于VB语言开发了人机交互界面,实现了人机交互以及对切割参数的实时监测。提出了移动式电弧切割套管的方法,并对该切割技术进行了试验研究和理论分析,揭示了工作介质、工具电极材料、工具电极直径、切割电流、切割速度和工件厚度等参数对切割效率、工具电极损耗率和切割形貌的影响规律关系。研究结果表明,在进行套管切割时,选择合理的工具电极材料、工具电极直径、切割电流和切割速度等参数,既能满足切割要求,又可提高切割效率。提出了一种基于试验设计和概率设计模块(PDS)的切割参数敏感性分析方法,基于响应曲面法分别建立了切割初始穿孔的孔径和深度与切割参数间的数学模型和有限元模型。研究了切割电流、工件厚度和工具电极直径三个重要的参数变量对电弧切割效果的影响作用。研究结果表明,试验与理论分析结果基本一致。搭建了海洋废弃井口模拟试验装备,进行了套管切割试验研究,采用该装备5min便可以切断一根直径为13-3/8英寸、壁厚为10.92mm的套管。研究得到了切割过程中冲液和冲气两种方式下切割参数对切割效果的影响规律关系。基于热传导理论建立了电弧放电切割的温度场模型,采用加载移动热源的方式对套管切割过程进行了三维数值模拟,得到了不同介质中切割电流对温度场分布的影响关系。