随着中国海洋事业的发展，海洋工程开发也由原来的单一国外总包商承担逐渐向国内工程公司完成主要工程量转变，而实现这一转变的一大特点是施工资源、机具的开发以及施工工艺的成熟。同时也应注意到海洋用产品，特别是水下产品的专利性大大地制约了海洋工程开发技术的国产化进程，目前水下生产系统的所有关键部件均由四到五家国外公司所垄断。因此水下产品的国产化需要充分学习、研究及创新，做出中国特色的产品。

从这一出发点，本文对水下产品中风险和技术难点相对集中的球型法兰进行研究，首先从水下球型法兰的特点进行介绍，接着对比国内外球型法兰的发展情况，最后通过结合国内海洋石油水下法兰合格供应商“廊坊永春”对球型法兰的制造研究，并介绍了针对东海某项目水下用球型法兰的关键参数、制造及后续整体试验验证的研发工作等一系列试验，得到其在国内海油水下项目适用性评估的结论。

1 水下球型法兰总体介绍

海洋工程中，水下法兰需要考虑水下施工的对中要求及可操作性，并不能实施陆地管道对接时设置两片标准的焊颈法兰，主要原因是陆上可分段建造和施工，并且可实现较精确定位。海底管道工程基本需要考虑连续施工，并且需要产品本身具备可调节性，为此，水下法兰一般是配备一片焊颈法兰和一片旋转环法兰，通过两者挤压密封垫圈实现管道的密封连接，通过旋转环的调整，可实现水下连接时螺栓孔的准确定位^[1]。水下用旋转环法兰示意见图 1。

水下球型法兰是在水下旋转环法兰的基础上升级功能的水下产品，主要体现在既可实现旋转环法兰的水下准确定位功能，还可实现两个不在同一直线上的管段对接，大大降低了对接管段施工的精度要求^[2]。

水下法兰一般应用在海上平台附近的膨胀弯/立管、膨胀弯/膨胀弯或膨胀弯/平管的连接。海底管道的施工通过铺管船施工后一般存在施工误差，一般为±5 m。在陆地管道看来，这个误差值是非常大的，但是在水下施工是正常的误差，如果仅通过预制好的膨胀弯进行调整，对法兰的对中要求比较高，必须保证法兰面非对中的情况下也可以连接，这种状态可通过法兰本体进行调整，形成了球型法兰的概念。

水下球型法兰非常好地解决了管道施工引起的非对中情况的角度调整问题，同时通过长期使用及法兰密封设计，有效地保证了法兰的长期密封问题，对国外水下工程技术，球型法兰是一种成熟的产品。水下球型法兰的应用较广，广泛应用于膨胀弯连接时的非对中情况，球形法兰的特点是带有可调整角度的球形结构，可以达到调整角度的目的，一般有±10度的容差许用值。球型法兰连接示意如图 2。

2 球型法兰国内外发展现状 2.1 国外发展现状

国外由于海洋油气田开发较早，很多技术先进的产品已投入了工业化生产，并成功应用，球型法兰是其中一种，图 3列出几种国外公司常用的球型法兰型式。

国外的这些产品已经非常成熟，并且有大量的业绩，但同时也考虑到其高昂的价格，国内有必要对球型法兰的设计、制造及安装技术进行深入研究，并应用于海洋业绩上，以摆脱国外的技术垄断。

2.2 国内发展现状

对于水下产品附件体系（包括法兰和锚固件），其中对普通水下旋转环法兰和锚固件等材料，最近几年国内在廊坊永春公司和上海瑞迈等公司的技术攻关下，已顺利完成国产化并大量成功应用，但是对于水下球型法兰，目前国内仍处于技术推广阶段，需要依靠研发的成果进行推广应用。

水下球型法兰的技术及供货一般由国外公司垄断，在中国海洋事业飞速发展的30年内，国内厂家并没有完全把这个产品的关键技术攻克，使得国内油田开发长期依靠国外供货。

而近期作为水下法兰合格供应商的廊坊永春公司率先引领技术进步，通过大量的研究攻关、试验验证及试制工作，研制出一套适用于水下用的球型法兰研究系统。整个过程的目的是为国内开发项目的应用树立信心，使这种球形法兰尽快完成国产化并推广应用，打破国外垄断。

3 国内球型法兰的研究及开发 3.1 项目介绍

以东海某项目为背景，该项目的信息如下：

•用途：水下用连接、抢修球型法兰

•连接管道外径：323.9 mm

•连接管道壁厚：12.7 mm

•输送介质：油、气、水

•设计寿命：25年

•设计温度：65 ℃

•设计压力：15 MPa

•法兰等级：1 500磅

•法兰材质：ASTM A694 F65

•设计水深：约80 m

廊坊永春公司经过长达一年的技术攻关，形成了一套完整的球法兰设计手册，经过试验验证及多方见证，最终形成的球型法兰产品如图 4所示。

下面从几个方面对整个研发过程中的技术关键项进行详细论述。

3.2 法兰关键技术参数

根据项目技术规格书的要求，确定主规范为ASME B16.5^[3]，加工规范为美标MSS-SP-44规范^[4]。针对球型法兰的关键技术参数包括：

（1）法兰材料

法兰材料需要考虑管道输送介质要求，如酸性或非酸性等，同时需要与连接管道进行材质匹配，需满足焊评要求等因素。本项目最终确定选用材料为ASTM A694 F65材料。在研制过程中需严格确保购置材料的各种性能满足规格书要求，为此进行了材料化学组份的检验，确保各项指示满足要求。

（2）法兰密封垫圈

球型法兰的密封垫圈并不像旋转环法兰一样可遵照ASME B16.20进行选择，球型法兰往往需要根据各特点厂家的制造能力及密封设计进行设计，同时需要考虑海上测漏的要求，垫圈的设计为球型法兰的关键点，需要结合转动的球体进行设计及材料选择。

以较典型的Taper-LOK法兰垫圈为例，它通过特殊的Taper-LOK的楔形垫圈设计，可有效地保证了球型法兰的密封效果。

本项目垫圈采用软铁，由于法兰体整体结构采用了三段分体式，对接面属于普通ANSI法兰对接面，这种密封技术相对成熟，可把密封和转动分开考虑，使用成熟产品的技术有利于更好地推广。

（3）球型法兰调整角度

一般球型法兰的调整角度为+10~-10°，而特殊设计的球型法兰可达到+20~-20°，但这种特殊球法兰在设计阶段和制造阶段需要更加细心，否则过大的调整角度对法兰体的受力不利。而本项目设计的可调角度为+10~-10°，属于成熟的技术可调整范围，利于推广。

（4）设计验证手段

设计阶段，需要对法兰的各种工况进行计算模拟验证，有效的设计验证手段能很好地证明法兰的有效性。本项目中采取有限元分析方法进行设计，达到了验证的效果。主要包括以下几方面：

① 模型约束（图 5）

延伸管道的边界采用固定边界；由于球卡盘和球盖通过小螺栓和小螺母相对固定，因此将球卡盘小螺栓孔的所有自由度相对球盖与小螺母的摩擦面相对固定。

② 荷载施加（图 6）

工况1：施加设计压力15 MP（a 900磅）的内压，液体压力被约束在第一道密封位置；工况2：施加静水压力（设计压力的1.5倍）22.5 MPa内压，液体压力被约束在第一道密封位置；工况3：施加设计压力15 MPa（900磅）的内压，液体压力被约束在第二道密封位置；工况4：施加静水压力（设计压力的1.5倍）22.5 MPa内压，液体压力被约束在第二道密封位置。同时在球卡盘、对焊法兰与大螺母接触面施加螺栓连接力。螺栓预紧扭矩取700 lb · ft，计算得到螺栓拉力为140 kN，将此螺栓拉力分别作用在20组螺母接触面上。

③ 模型网格划分

网格划分采用自由六面体对法兰及管道进行网格划分，规定了环向和轴向的网格大小，通过ANSYS内部原则进行网格划分。通过多次的网格大小划分对比，如图 7的网格细分足以保证结果的精度。

④ 计算结果及分析

只显示工况1的结果如图 8。当球型法兰受15 MPa内压时，可以看到管体内壁大部分区域的von mises应力达到120~180 MPa。球型法兰整体的von mises应力数值较低，大部分区域低于100 MPa。球型法兰上应力较大的部位为对焊法兰和球盖的接触端面，应力为260~280 MPa，该应力为压应力，有较大安全余量；另外球型法兰上应力较大的部位为球卡盘与小螺栓连接的螺孔，约为280 MPa，考虑螺栓连接的特殊性，此部分结构也有较大安全余量。在承受15 MPa设计内压时，球型法兰有较大安全余量。

其它工况均满足规范要求，通过设计阶段的验证过程很好地证明了本项目12"球型法兰的强度能够满足设计要求。

3.3 法兰制造

本项目中对该球型法兰的机加工全部采用先进的数控设备，对材料以及后续的锻制热处理严格按照相关美标从严要求。本项目的法兰制造分为材料粗加工、材料锻造、材料热处理、法兰精加工和附属件制造等5个阶段，每个阶段制造过程相关证书及报告均需要详细记录。

防腐方面，由于目前对于普通旋转环法兰已有非常成熟的经验，为此本项目外部防腐法兰本体采用FBE，螺栓等材料防腐采用PTFE，完全满足水下海洋环境的长期使用要求。

本项目制造过程完全按照技术规格书的要求开展，形成相应的检验试验计划，并全程由第三方监造，得到了第三方的认可，并根据国际通用做法EN 10204^[5]的要求，成功地在第三方的见证下完成了型式认证试验。

3.4 试验验证及检验

试验验证包括材料取样破坏性试验、整体可安装性试验、整体水压试验、密封测式试验和无损检验内容。

4 产品技术对比及评价

通过与国外主流成熟产品项目的技术对比（表 1），可以看出，目前国内廊坊永春公司生产的球型法兰相关技术指标已经达到国际技术水平，该产品可先应用于国内浅水地区项目，成熟之后可推广应用于百米级水深海域。

5 结论

通过对国内外水下球型法兰及国内廊坊永春公司球型法兰研发过程的介绍，得出以下结论：

（1）球型法兰的选用可有效降低连接管道的安装难度，国内球型法兰的研发与应用市场前景广阔。

（2）国内廊坊永春公司生产的球型法兰相关研发技术指标已经达到国际水平，适用于常规条件水下环境。