水下井口头系统是水下建井和生产的基础,密封总成作为水下井口头系统的关键部件之一,其密封性能的优劣和工作的可靠性直接影响并决定了整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性。密封总成密封压力等级属于(超)高压,工况复杂,对其性能要求很高。密封装置除了满足密封、抗腐蚀性之外,还必须保证其宽温域(设计温度:-20℃——150℃)、长服役年限、耐冲击、抗疲劳等性能要求。密封总成通过下放工具远程操控将其坐放至水下井口头坐封位达到密封状态,更增加了密封实现的难度,使命完成后还要能被回收重用。因此密封装置的设计是整个水下井口头系统设计的关键。　　 本论文以应用于1000m以内水深,10000PSI压力等级的水下井口头系统的密封总成为研究对象,在分析现有密封总成的结构形式、密封材料及下放回收方式的基础上,系统研究密封总成的设计方案,以密封可靠、下放回收简单、可重用为目标,确定了水下井口头密封总成设计方案。详细介绍了所设计的重力坐封式金属一金属密封总成的结构组成和工作原理,建立了密封总成力学分析模型,借助有限元分析软件ANSYS对主要部件锁紧套筒、驱动环、金属密封环进行了仿真分析,分析密封总成在坐放、密封、解封三种工况下的力学性能,探讨了其密封性能随材料延伸率、弹性模量的变化规律,并对“限力部件”剪切销钉和定位螺栓做了强度校核计算。最后借助于ANSYS优化模块,使用零阶法和一阶法对密封环的关键部位—凸脊作了优化设计,最终获得最优化的结构尺寸。结果表明,设计的密封总成结构合理,强度满足设计要求,经过优化设计后,密封凸脊处的接触压力增大,密封更为可靠。