某工程管道法蘭在試運行時，發現泄漏，管道專業設計人員認為是施工方未擰緊螺栓，但是在施工人員加強了螺栓擰緊度后，法蘭又泄漏。經核算發現此處法蘭外荷載偏大，修改了管道走向，減少了法蘭外荷載，才消除了事故。
在單(dan)一管道(dao)(dao)流體壓(ya)力(li)(li)工(gong)況下，螺(luo)栓荷(he)載(zai)、墊(dian)片反力(li)(li)和介質(zhi)內壓(ya)力(li)(li)的(de)合成力(li)(li)矩(ju)(ju)會(hui)引起(qi)法蘭(lan)產生(sheng)變形(xing)（轉角(jiao)）而(er)導致密封失效(xiao)。但(dan)是(shi)在工(gong)程(cheng)實際(ji)，管道(dao)(dao)運行(xing)過程(cheng)中還(huan)(huan)會(hui)受(shou)(shou)到附加(jia)外力(li)(li)及(ji)力(li)(li)矩(ju)(ju)，法蘭(lan)接頭除承(cheng)受(shou)(shou)內壓(ya)外還(huan)(huan)要承(cheng)受(shou)(shou)上述附加(jia)載(zai)荷(he)。如果法蘭(lan)壓(ya)力(li)(li)等級的(de)確定，僅(jin)從法蘭(lan)器材選用(yong)內壓(ya)的(de)角(jiao)度(du)考慮設計(ji)往(wang)(wang)往(wang)(wang)是(shi)不(bu)(bu)夠(gou)的(de)，還(huan)(huan)需考慮設備管道(dao)(dao)布置、管道(dao)(dao)應(ying)力(li)(li)等因(yin)素。工(gong)程(cheng)上法蘭(lan)密封的(de)失效(xiao)常(chang)常(chang)是(shi)施工(gong)不(bu)(bu)規范或工(gong)程(cheng) 設計(ji)中忽(hu)略了較大的(de)外載(zai)荷(he)而(er)導致的(de)，工(gong)程(cheng)設計(ji)中應(ying)重視對法蘭(lan)外載(zai)荷(he)的(de)校核。
法蘭密(mi)封(feng)(feng)面與墊(dian)(dian)片(pian)之間存在(zai)著無數(shu)很細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)流動通(tong)道(dao)(dao)，介(jie)質將可能(neng)通(tong)過這些細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)通(tong)道(dao)(dao)而泄(xie)(xie)漏。密(mi)封(feng)(feng)的(de)(de)基本原理就(jiu)是要使得(de)介(jie)質在(zai)流經這種細(xi)小(xiao)(xiao)通(tong)道(dao)(dao)時的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)降大于密(mi)封(feng)(feng)腔內、外(wai)的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)差。法蘭在(zai)力(li)(li)矩(ju)作用(yong)下，如果剛度不(bu)足，就(jiu)會形成對墊(dian)(dian)片(pian)壓(ya)(ya)(ya)緊力(li)(li)的(de)(de)不(bu)均勻(yun)，從(cong)而導(dao)致(zhi)在(zai)墊(dian)(dian)片(pian)一(yi)側(ce)壓(ya)(ya)(ya)緊力(li)(li)較(jiao)小(xiao)(xiao)不(bu)能(neng)形成有效密(mi)封(feng)(feng)，而在(zai)墊(dian)(dian)片(pian)另一(yi)側(ce)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)過大導(dao)致(zhi)墊(dian)(dian)片(pian)壓(ya)(ya)(ya)潰，這就(jiu)引起了法蘭接(jie)頭(tou)密(mi)封(feng)(feng)的(de)(de)失效即泄(xie)(xie)漏。
管(guan)道的(de)法蘭(lan)(lan)(lan)除承(cheng)受(shou)內(nei)外(wai)(wai)壓外(wai)(wai)，還要(yao)承(cheng)受(shou)管(guan)道及介質質量、熱膨脹、振動等(deng)引(yin)起(qi)的(de)軸向(xiang)力(li)和彎(wan)(wan)矩(ju)的(de)作用(yong)。通常法蘭(lan)(lan)(lan)的(de)設計，例如ASME B16.5沒有(you)考慮管(guan)道外(wai)(wai)加荷(he)載、彎(wan)(wan)矩(ju)等(deng)的(de)影響，為(wei)防止在操作條(tiao)件下(xia)發生泄漏和可能出現的(de)損壞事故，必要(yao)時需(xu)(xu)要(yao)對(dui)已經選定的(de)標準法蘭(lan)(lan)(lan)進行可靠性校核，以判斷是否需(xu)(xu)要(yao)采(cai)取進一步(bu)的(de)安(an)全措施。法蘭(lan)(lan)(lan)外(wai)(wai)荷(he)載校核方法有(you)很多種，詳細(xi)講述(shu)見(jian)《管(guan)道應(ying)力(li)分析與工程(cheng)應(ying)用(yong)》一書(shu)。下(xia)面僅對(dui)管(guan)道設計人(ren)員需(xu)(xu)掌握的(de)基本(ben)內(nei)容做簡(jian)述(shu)。
1. 當(dang)量壓力法(fa)［Kellogg 當(dang)量壓力法(fa)（Peq法(fa)）］
Kellogg 當(dang)(dang)(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)法(fa)(fa)（equivalent pressure method）認為法(fa)(fa)蘭(lan)連接處(chu)的(de)(de)(de)(de)所有外(wai)部(bu)(bu)載荷(he)均(jun)作(zuo)(zuo)用(yong)在(zai)墊片上，軸(zhou)向應(ying)力(li)(li)應(ying)處(chu)于(yu)安全(quan)范圍內(nei)。在(zai)這(zhe)個方法(fa)(fa)中，沒有考慮(lv)螺(luo)栓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，作(zuo)(zuo)用(yong)在(zai)法(fa)(fa)蘭(lan)上的(de)(de)(de)(de)軸(zhou)向力(li)(li)和彎矩轉(zhuan)化成了當(dang)(dang)(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個當(dang)(dang)(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)與設計(ji)壓(ya)(ya)力(li)(li)相加得(de)到總的(de)(de)(de)(de)當(dang)(dang)(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)，并(bing)根據法(fa)(fa)蘭(lan)材料與ASME B16.5中的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)-溫度(du)等級(ji)(ji)表(biao)進行(xing)對比。如(ru)果總的(de)(de)(de)(de)當(dang)(dang)(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)小(xiao)于(yu)等級(ji)(ji)表(biao)中相應(ying)溫度(du)下的(de)(de)(de)(de)許(xu)用(yong)壓(ya)(ya)力(li)(li)，即判定法(fa)(fa)蘭(lan)不會泄漏。此方法(fa)(fa)簡(jian)單可靠，但(dan)是過于(yu)保守。因為，外(wai)部(bu)(bu)載荷(he)實際上并(bing)不只作(zuo)(zuo)用(yong)于(yu)墊片，外(wai)部(bu)(bu)載荷(he)在(zai)墊片處(chu)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)最大應(ying)力(li)(li)是在(zai)最外(wai)邊沿處(chu)，而由壓(ya)(ya)力(li)(li)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)是均(jun)勻分布的(de)(de)(de)(de)。
如圖5.4.1所示，將(jiang)由于管道(dao)所受重力和熱(re)膨脹而產生(sheng)的(de)作(zuo)用在(zai)(zai)法(fa)蘭上的(de)軸向力F和彎矩M（M為作(zuo)用在(zai)(zai)法(fa)蘭上的(de)合力矩）轉(zhuan)換成當量(liang)壓(ya)力Pel和Po2,Pe1和Pe2相加得出總的(de)當量(liang)壓(ya)力P。
將(jiang)計算得到的(de)總壓(ya)力(li)P1與ASME B16.5中與法蘭材料相關的(de)對應溫度下的(de)壓(ya)力(li)進行對比。當P1小于此壓(ya)力(li)時(shi)，理(li)論上認為法蘭不會發生泄漏，否則，認為存在(zai)泄漏的(de)可能。
所需數據：法(fa)蘭(lan)材料、壓力(li)等級、工作壓力(li)、工作溫度(du)、墊片內(nei)直徑和有(you)效寬度(du)、外部(bu)軸(zhou)向力(li)和外部(bu)力(li)矩，可以在(zai)下列(lie)規范找(zhao)到(dao)。
法蘭(lan)材(cai)料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫壓曲線：ASME B16.5 Table 2，ASME B16.47 Table 3～Table 27。
墊片材料(liao)：ASME B16.5 NONMANDATORY APPENDIX B，ASME B16.47 Table B-1。
墊片尺寸：ASME B16.20，ASME B16.21。
2. ASME Section VIII Division 1法蘭外(wai)荷載校核方法
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采用(yong)的(de)法(fa)蘭(lan)設計(ji)方法(fa)是華脫爾斯法(fa)（（E-.D.Waters），沿用(yong)至今已達半(ban)個多世紀。該方法(fa)是簡單理論(lun)分析并帶(dai)有經驗(yan)性質的(de)設計(ji)方法(fa)，是否能(neng)可靠保(bao)證密(mi)封性能(neng)存(cun)在質疑。補充了剛度校核及(ji)與其配套的(de)ASME PCC-1《承壓(ya)范圍螺(luo)栓法(fa)蘭(lan)連接(jie)件的(de)裝配指南》，基本能(neng)夠保(bao)證工程設計(ji)的(de)泄漏要求，因(yin)此仍被采用(yong)。
3. ASME BPVC VIII Division 2法(fa)蘭(lan)外(wai)荷載(zai)校(xiao)核方(fang)法(fa)
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類似，主要區(qu)別在(zai)于(yu)：Division 1 參考(kao)ASMESection II Part D Table 1A和(he)1B的(de)(de)(de)許(xu)用(yong)(yong)應力(li)(li)(li)（采用(yong)(yong)最大主應力(li)(li)(li)確定(ding)(ding)）；Division 2參考(kao)Table 5A和(he)5B的(de)(de)(de)許(xu)用(yong)(yong)應力(li)(li)(li)（采用(yong)(yong)變形能(neng)理論或Von Mises屈服準(zhun)則的(de)(de)(de)確定(ding)(ding)）。Division 2考(kao)慮(lv)了由于(yu)施加在(zai)法蘭(lan)上的(de)(de)(de)軸向力(li)(li)(li)和(he)彎曲力(li)(li)(li)矩而產生(sheng)的(de)(de)(de)附加外部力(li)(li)(li)矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法(fa)蘭外(wai)荷(he)載校核(he)方法(fa)
此校核方法(fa)(fa)(fa)源于ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，因此稱(cheng)為(wei)NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)，也(ye)稱(cheng)為(wei)NC 3658.3最大屈服強度法(fa)(fa)(fa)。這個(ge)方法(fa)(fa)(fa)也(ye)是當量壓力，但只考(kao)慮了彎矩的(de)等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是關于核電站部件建設標(biao)準(zhun)，采(cai)用此方法(fa)(fa)(fa)對(dui)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)泄漏(lou)進行校核需要(yao)滿(man)足(zu)(zu)一定的(de)要(yao)求。當下(xia)列2個(ge)條件同時(shi)滿(man)足(zu)(zu)時(shi)，才(cai)能(neng)使用NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)校核法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)泄漏(lou)：
a. 法蘭(lan)、螺栓、墊片符合(he)ASME 1316.5中的要求；
b. 螺栓材(cai)料(liao)在(zai)100F（38℃）下的許用應力不小于(yu)20000psi（138 MPa）。
此方法認為(wei)管道(dao)介質內壓以(yi)及由(you)管道(dao)變形所產(chan)生的(de)彎矩或(huo)扭矩都施加在(zai)螺(luo)栓(shuan)上，并且假(jia)定(ding)應力都均勻分(fen)布在(zai)螺(luo)栓(shuan)孔所處圓周上，如果螺(luo)栓(shuan)發(fa)生破壞，則(ze)法蘭產(chan)生泄(xie)漏。根據ASME BPVC III-1-NC分(fen)卷第3658.3節(jie)，滿足式（5.4.1）的(de)要求。
當根(gen)據計算式得出的值小于(yu)等于(yu)時，則認為法(fa)蘭不會發生泄漏，否則認為會發生泄漏，需要(yao)采取方法(fa)（如提高(gao)法(fa)蘭磅級）解(jie)決。
當量壓力法(fa)不適用于動載(zai)荷分析(xi)。
5. GB/T 20801法蘭外荷載(zai)校(xiao)核(he)方法
GB/T 20801法蘭(lan)外荷載校核列(lie)出了4種(zhong)方法。
當(dang)管法蘭(lan)承受外(wai)加軸向力或外(wai)加彎矩時，可按下列(lie)方法之一評估：
a. 法蘭壓(ya)力-溫度(du)額(e)定值(zhi)-當量壓(ya)力方法。
按式（5.4.5）計(ji)(ji)算其外加軸向力(li)(li)或外加彎(wan)矩的(de)當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)p。，設(she)計(ji)(ji)壓(ya)力(li)(li)與當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)之和應(ying)不大于(yu)法蘭的(de)壓(ya)力(li)(li)-溫(wen)度額定值。經設(she)計(ji)(ji)者(zhe)同(tong)意，設(she)計(ji)(ji)壓(ya)力(li)(li)也(ye)可采用相應(ying)工況(kuang)下的(de)最大工作(zuo)壓(ya)力(li)(li)。
b. 泰(tai)勒(le)(le)方(fang)法(fa)(fa)-當量(liang)壓力方(fang)法(fa)(fa)、泰(tai)勒(le)(le)方(fang)法(fa)(fa)-當量(liang)力方(fang)法(fa)(fa)、泰(tai)勒(le)(le)方(fang)法(fa)(fa)-修正當量(liang)力方(fang)法(fa)(fa)。對于(yu)法(fa)(fa)蘭剛度，必要時還(huan)可(ke)按GB／T 17186.1的規定(ding)校核法(fa)(fa)蘭剛度。
6. 法(fa)蘭(lan)外(wai)荷載校核過程
法(fa)蘭(lan)(lan)應放在(zai)受(shou)外(wai)部彎矩(ju)盡可能小的(de)地方。并不是(shi)每(mei)一(yi)(yi)處法(fa)蘭(lan)(lan)有了外(wai)加荷(he)載都需要詳(xiang)細的(de)校(xiao)(xiao)核。一(yi)(yi)般情(qing)況可根據管道專(zhuan)業(ye)設(she)計人的(de)經驗，對(dui)下(xia)列法(fa)蘭(lan)(lan)進行詳(xiang)細的(de)外(wai)荷(he)載校(xiao)(xiao)核：
①. 法(fa)蘭等級在(zai)900磅及以上的高壓(ya)法(fa)蘭連接(jie)處；
②. 法(fa)蘭(lan)口徑在24＂及(ji)以上的法(fa)蘭(lan)連接處；
③. 承載高溫、劇毒、易(yi)燃、易(yi)爆等流體的法蘭連接(jie)處；
④. 根(gen)據管道專(zhuan)業設計人員經(jing)驗，認為需要詳細法(fa)蘭外荷載校核處；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)(fa)(fa)(fa)認為(wei)法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)連接處的所有(you)外部載荷均作用在(zai)墊(dian)片上(shang)。NC 3658.3方法(fa)(fa)(fa)(fa)認為(wei)管(guan)道介質(zhi)內壓以及由(you)管(guan)道變形所產(chan)生的彎矩和扭(niu)矩都施(shi)加在(zai)螺栓上(shang)。而(er)ASME Section VIII方法(fa)(fa)(fa)(fa)主要是對(dui)法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)應力(li)進行(xing)計算比對(dui)。Kellogg Peq 法(fa)(fa)(fa)(fa)輸入簡便快捷，而(er) ASME Section VIII和NC 3658.3方法(fa)(fa)(fa)(fa)需要在(zai)相關標準中查閱大量數據。Kellogg Peq法(fa)(fa)(fa)(fa)相對(dui)較保(bao)守(shou)，計算結果與(yu)現場實際情(qing)況有(you)偏(pian)差，ASME Section III和NC 3658.3方法(fa)(fa)(fa)(fa)相對(dui)更(geng)精確，與(yu)實際情(qing)況更(geng)接近。
在國內外一些大(da)型工程(cheng)(cheng)公司中(zhong)一般結合這幾(ji)種方(fang)(fang)案按以下流程(cheng)(cheng)校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)法(fa)蘭(lan)(lan)泄(xie)(xie)漏，都能保證現場實際運行過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的安全穩定。首(shou)先用Peq方(fang)(fang)法(fa)（Kellogg當量壓力法(fa)）校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)，如果通過(guo)(guo)，則設(she)計法(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)泄(xie)(xie)漏；若校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)不(bu)通過(guo)(guo)，再用ASME Section VIII方(fang)(fang)法(fa)校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)，通過(guo)(guo)則設(she)計法(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)泄(xie)(xie)漏，失敗就需要分析(xi)具體的原因，修改調整后再重新校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)，直到通過(guo)(guo)為止。僅螺(luo)栓的預緊應(ying)力在不(bu)論是(shi)否(fou)有軸向(xiang)力和彎矩的情況下，均超出(chu)許用應(ying)力值時，才使用NC3658.3方(fang)(fang)法(fa)進行校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)。見(jian)圖5.4.2所示(shi)。法(fa)蘭(lan)(lan)外荷載校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)方(fang)(fang)法(fa)詳(xiang)細講述見(jian)《管(guan)道應(ying)力分析(xi)與工程(cheng)(cheng)應(ying)用》、《工業管(guan)道配管(guan)設(she)計與工程(cheng)(cheng)應(ying)用》兩書(shu)。
