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(luo)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(yi)管(guan)道(dao)(dao)流體壓力工(gong)(gong)況(kuang)下(xia)，螺栓荷載、墊片反力和介(jie)質內(nei)壓力的(de)(de)合成力矩(ju)會引(yin)起法(fa)蘭(lan)產生變形（轉(zhuan)角(jiao)）而導致密封(feng)失效(xiao)。但是(shi)在工(gong)(gong)程實際，管(guan)道(dao)(dao)運行過程中(zhong)(zhong)還(huan)會受(shou)到(dao)附加外(wai)(wai)(wai)力及力矩(ju)，法(fa)蘭(lan)接頭除承受(shou)內(nei)壓外(wai)(wai)(wai)還(huan)要承受(shou)上(shang)述附加載荷。如(ru)果(guo)法(fa)蘭(lan)壓力等級(ji)的(de)(de)確定，僅(jin)從法(fa)蘭(lan)器材選用(yong)內(nei)壓的(de)(de)角(jiao)度考(kao)慮設(she)計(ji)往往是(shi)不(bu)夠的(de)(de)，還(huan)需(xu)考(kao)慮設(she)備管(guan)道(dao)(dao)布置、管(guan)道(dao)(dao)應力等因素(su)。工(gong)(gong)程上(shang)法(fa)蘭(lan)密封(feng)的(de)(de)失效(xiao)常常是(shi)施(shi)工(gong)(gong)不(bu)規范或工(gong)(gong)程 設(she)計(ji)中(zhong)(zhong)忽略了較(jiao)大的(de)(de)外(wai)(wai)(wai)載荷而導致的(de)(de)，工(gong)(gong)程設(she)計(ji)中(zhong)(zhong)應重視對(dui)法(fa)蘭(lan)外(wai)(wai)(wai)載荷的(de)(de)校核。

  法蘭密(mi)封(feng)面與墊(dian)(dian)片(pian)之間存(cun)在(zai)著無數很細小的(de)(de)流動通(tong)(tong)道，介質(zhi)將可能通(tong)(tong)過(guo)這些細小的(de)(de)通(tong)(tong)道而(er)泄(xie)(xie)漏。密(mi)封(feng)的(de)(de)基本原(yuan)理就是要使得(de)介質(zhi)在(zai)流經這種細小通(tong)(tong)道時的(de)(de)壓(ya)力(li)降大于密(mi)封(feng)腔內(nei)、外(wai)的(de)(de)壓(ya)力(li)差。法蘭在(zai)力(li)矩(ju)作用下，如果剛度(du)不(bu)足，就會形(xing)成(cheng)對墊(dian)(dian)片(pian)壓(ya)緊(jin)力(li)的(de)(de)不(bu)均勻，從而(er)導致(zhi)(zhi)在(zai)墊(dian)(dian)片(pian)一(yi)側壓(ya)緊(jin)力(li)較小不(bu)能形(xing)成(cheng)有效密(mi)封(feng)，而(er)在(zai)墊(dian)(dian)片(pian)另一(yi)側壓(ya)力(li)過(guo)大導致(zhi)(zhi)墊(dian)(dian)片(pian)壓(ya)潰，這就引起了法蘭接頭密(mi)封(feng)的(de)(de)失效即泄(xie)(xie)漏。

  管(guan)道(dao)的法(fa)蘭除(chu)承(cheng)受(shou)內(nei)外(wai)(wai)壓外(wai)(wai)，還要承(cheng)受(shou)管(guan)道(dao)及介(jie)質(zhi)(zhi)質(zhi)(zhi)量(liang)、熱膨脹、振(zhen)動(dong)等引起的軸向力和彎(wan)矩的作用。通常法(fa)蘭的設(she)計，例(li)如ASME B16.5沒有(you)考(kao)慮管(guan)道(dao)外(wai)(wai)加荷載、彎(wan)矩等的影(ying)響，為(wei)防止(zhi)在操作條件(jian)下發生泄漏和可(ke)能出現(xian)的損壞事故，必要時(shi)需要對(dui)(dui)已經選定的標準(zhun)法(fa)蘭進(jin)行可(ke)靠(kao)性校核(he)，以判斷是(shi)否需要采(cai)取進(jin)一步的安全措施。法(fa)蘭外(wai)(wai)荷載校核(he)方法(fa)有(you)很(hen)多(duo)種，詳細(xi)講述(shu)見《管(guan)道(dao)應力分(fen)析與工程應用》一書。下面僅對(dui)(dui)管(guan)道(dao)設(she)計人員需掌握的基本內(nei)容做(zuo)簡述(shu)。

1. 當(dang)量壓(ya)力(li)法［Kellogg 當(dang)量壓(ya)力(li)法（Peq法）］

  Kellogg 當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)法(fa)(fa)（equivalent pressure method）認為(wei)法(fa)(fa)蘭(lan)連(lian)接處的(de)(de)所有外部載(zai)荷均作用(yong)在(zai)墊(dian)片(pian)上(shang)，軸向(xiang)應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)應(ying)處于(yu)(yu)安全范圍內。在(zai)這個方法(fa)(fa)中(zhong)，沒有考慮螺栓力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)影響，作用(yong)在(zai)法(fa)(fa)蘭(lan)上(shang)的(de)(de)軸向(xiang)力(li)(li)(li)(li)(li)和彎(wan)矩轉化成(cheng)了當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)（Peq）。將這兩個當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)與(yu)設計(ji)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)相加得到總的(de)(de)當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)，并根據法(fa)(fa)蘭(lan)材料與(yu)ASME B16.5中(zhong)的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)-溫度等(deng)級(ji)表(biao)進行對(dui)比。如果總的(de)(de)當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)小(xiao)于(yu)(yu)等(deng)級(ji)表(biao)中(zhong)相應(ying)溫度下(xia)的(de)(de)許用(yong)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)，即判定法(fa)(fa)蘭(lan)不會泄漏。此方法(fa)(fa)簡單可靠，但是(shi)過于(yu)(yu)保(bao)守。因為(wei)，外部載(zai)荷實(shi)際上(shang)并不只作用(yong)于(yu)(yu)墊(dian)片(pian)，外部載(zai)荷在(zai)墊(dian)片(pian)處產生的(de)(de)最大應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)在(zai)最外邊沿處，而由(you)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)產生的(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)均勻分(fen)布的(de)(de)。

  如圖5.4.1所示(shi)，將由于(yu)管道所受重力(li)(li)和(he)熱膨脹(zhang)而產生(sheng)的作用(yong)在(zai)法蘭上的軸向力(li)(li)F和(he)彎矩M（M為作用(yong)在(zai)法蘭上的合(he)力(li)(li)矩）轉換(huan)成當量壓(ya)力(li)(li)Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相加得出總的當量壓(ya)力(li)(li)P。

  將計算得到的總壓力P1與ASME B16.5中與法蘭材料(liao)相關的對(dui)應溫度(du)下的壓力進行對(dui)比。當(dang)P1小于(yu)此(ci)壓力時，理論上認(ren)為法蘭不會發生泄漏，否則，認(ren)為存在泄漏的可(ke)能。

  所(suo)需數據：法蘭材料、壓力(li)(li)等(deng)級(ji)、工作壓力(li)(li)、工作溫度(du)、墊(dian)片內直(zhi)徑和有效寬度(du)、外部(bu)軸向(xiang)力(li)(li)和外部(bu)力(li)(li)矩，可以在下列規范找到。

  法蘭材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。

  溫(wen)壓曲線：ASME B16.5 Table 2，ASME B16.47 Table 3～Table 27。

  墊片材料：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(fa)(fa)蘭外荷載校核(he)方法(fa)(fa)

  ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所(suo)采用的(de)(de)法蘭(lan)設(she)計(ji)方法是華脫(tuo)爾斯法（（E-.D.Waters），沿用至今已達半個(ge)多世紀。該方法是簡單理論(lun)分析并帶有經驗(yan)性質(zhi)的(de)(de)設(she)計(ji)方法，是否(fou)能(neng)可靠保(bao)證密(mi)封性能(neng)存在質(zhi)疑。補(bu)充了剛度校(xiao)核及與其配(pei)(pei)套的(de)(de)ASME PCC-1《承壓范圍螺栓(shuan)法蘭(lan)連接件(jian)的(de)(de)裝配(pei)(pei)指南(nan)》，基本能(neng)夠保(bao)證工(gong)程(cheng)設(she)計(ji)的(de)(de)泄(xie)漏要求，因此仍被采用。

3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭外荷載校核方法

  ASME BPVC VIII Division 2與(yu)Division 1類似，主要區(qu)別在于(yu)：Division 1 參(can)考ASMESection II Part D Table 1A和1B的許(xu)用應力(li)(li)（采用最大主應力(li)(li)確(que)定）；Division 2參(can)考Table 5A和5B的許(xu)用應力(li)(li)（采用變(bian)形能理論(lun)或Von Mises屈服準則的確(que)定）。Division 2考慮了由于(yu)施加在法蘭上的軸向力(li)(li)和彎曲(qu)力(li)(li)矩而產(chan)生的附加外部(bu)力(li)(li)矩。

4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外(wai)荷載校核方法

  此(ci)(ci)校(xiao)核(he)(he)方法源(yuan)于ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，因此(ci)(ci)稱為(wei)NC 3658.3法，也(ye)稱為(wei)NC 3658.3最大屈(qu)服強度法。這個方法也(ye)是(shi)當(dang)量壓力，但只考慮(lv)了(le)彎矩的等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是(shi)關于核(he)(he)電站部件(jian)建設(she)標(biao)準，采用此(ci)(ci)方法對法蘭(lan)泄漏進行校(xiao)核(he)(he)需要滿足(zu)一定(ding)的要求(qiu)。當(dang)下列(lie)2個條件(jian)同時滿足(zu)時，才能使用NC 3658.3法校(xiao)核(he)(he)法蘭(lan)泄漏：

   a. 法蘭、螺(luo)栓、墊(dian)片符(fu)合ASME 1316.5中的(de)要(yao)求；

   b. 螺栓材料在100F（38℃）下的許(xu)用應力不(bu)小于20000psi（138 MPa）。

  此方(fang)法認為管道介(jie)質內壓以及由管道變形所產生的彎矩或扭矩都施加在(zai)螺(luo)栓上，并且假定應(ying)力(li)都均勻分布(bu)在(zai)螺(luo)栓孔所處圓周上，如果(guo)螺(luo)栓發生破壞，則法蘭產生泄漏(lou)。根據ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，滿足式(shi)（5.4.1）的要求。

  當根據計算式得出的值小于等于時(shi)，則(ze)認為法(fa)蘭不(bu)會(hui)發(fa)生泄(xie)漏(lou)(lou)，否則(ze)認為會(hui)發(fa)生泄(xie)漏(lou)(lou)，需要(yao)采取方法(fa)（如提高法(fa)蘭磅級）解決。

  當量壓力法不適用(yong)于動載(zai)荷(he)分(fen)析(xi)。

5. GB/T 20801法蘭(lan)外荷載校核(he)方(fang)法

  GB/T 20801法(fa)(fa)蘭外荷載校核列出了4種方法(fa)(fa)。

  當管法(fa)蘭承受(shou)外加(jia)軸向力或外加(jia)彎矩時，可(ke)按下列方法(fa)之一評估：

  a. 法(fa)蘭壓力(li)-溫(wen)度(du)額定值(zhi)-當量壓力(li)方法(fa)。

  按式(shi)（5.4.5）計(ji)(ji)算其外加軸向力(li)或(huo)外加彎矩的當量壓(ya)力(li)p。，設(she)計(ji)(ji)壓(ya)力(li)與當量壓(ya)力(li)之和(he)應不大于法(fa)蘭的壓(ya)力(li)-溫(wen)度額定值(zhi)。經設(she)計(ji)(ji)者同意，設(she)計(ji)(ji)壓(ya)力(li)也可采用相應工況(kuang)下的最大工作(zuo)壓(ya)力(li)。

  b. 泰勒方法(fa)(fa)-當(dang)量(liang)(liang)壓力(li)方法(fa)(fa)、泰勒方法(fa)(fa)-當(dang)量(liang)(liang)力(li)方法(fa)(fa)、泰勒方法(fa)(fa)-修正當(dang)量(liang)(liang)力(li)方法(fa)(fa)。對于法(fa)(fa)蘭剛(gang)(gang)度(du)，必要時還可按GB／T 17186.1的(de)規(gui)定校核法(fa)(fa)蘭剛(gang)(gang)度(du)。

6. 法蘭外荷載校核過程

  法(fa)蘭應放(fang)在受(shou)外部(bu)彎矩盡可能小的(de)(de)地(di)方。并不是每一(yi)處法(fa)蘭有了外加(jia)荷(he)載(zai)都需要詳細的(de)(de)校(xiao)核。一(yi)般情況可根據(ju)管(guan)道專業(ye)設(she)計(ji)人(ren)的(de)(de)經驗，對下(xia)列(lie)法(fa)蘭進行(xing)詳細的(de)(de)外荷(he)載(zai)校(xiao)核：

   ①. 法蘭等級(ji)在(zai)900磅及(ji)以上的高壓法蘭連接處；

   ②. 法蘭(lan)口徑在24＂及以(yi)上(shang)的法蘭(lan)連接(jie)處；

   ③. 承載高溫、劇毒(du)、易(yi)燃、易(yi)爆等流體的法蘭(lan)連接處；

   ④. 根(gen)據管道專業設計人(ren)員經驗(yan)，認(ren)為需要詳細(xi)法蘭外荷(he)載(zai)校核處；

   ⑤. 其他。

  Kellogg Peg法(fa)(fa)(fa)(fa)認為法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)連接(jie)(jie)處的所(suo)有(you)外部載荷均(jun)作(zuo)用在墊片上。NC 3658.3方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)認為管(guan)道介質(zhi)內壓以及(ji)由管(guan)道變形所(suo)產生的彎矩(ju)和扭矩(ju)都(dou)施加在螺(luo)栓(shuan)上。而ASME Section VIII方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)主要是(shi)對(dui)(dui)法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)應力進行計(ji)算(suan)比對(dui)(dui)。Kellogg Peq 法(fa)(fa)(fa)(fa)輸入(ru)簡便(bian)快(kuai)捷(jie)，而 ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)需要在相關標準中(zhong)查(cha)閱(yue)大量(liang)數據。Kellogg Peq法(fa)(fa)(fa)(fa)相對(dui)(dui)較保(bao)守，計(ji)算(suan)結果與現場(chang)實際(ji)情(qing)況(kuang)有(you)偏差，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)相對(dui)(dui)更精確，與實際(ji)情(qing)況(kuang)更接(jie)(jie)近。

  在國內外一(yi)些大(da)型工(gong)程公司中(zhong)一(yi)般(ban)結合這(zhe)幾(ji)種方(fang)(fang)案按以下(xia)流程校(xiao)核(he)法(fa)(fa)蘭(lan)(lan)泄漏，都(dou)能保證現場實際運行過程的安全穩定。首(shou)先用(yong)Peq方(fang)(fang)法(fa)(fa)（Kellogg當(dang)量(liang)壓(ya)力法(fa)(fa)）校(xiao)核(he)，如果通(tong)過，則設計法(fa)(fa)蘭(lan)(lan)不泄漏；若校(xiao)核(he)不通(tong)過，再(zai)用(yong)ASME Section VIII方(fang)(fang)法(fa)(fa)校(xiao)核(he)，通(tong)過則設計法(fa)(fa)蘭(lan)(lan)不泄漏，失敗(bai)就需(xu)要分(fen)析具體的原因，修改調整后(hou)再(zai)重(zhong)新(xin)校(xiao)核(he)，直到通(tong)過為止。僅螺栓的預緊(jin)應力在不論是(shi)否有軸向力和(he)彎矩的情況下(xia)，均超出許用(yong)應力值時，才使用(yong)NC3658.3方(fang)(fang)法(fa)(fa)進(jin)行校(xiao)核(he)。見(jian)圖5.4.2所示(shi)。法(fa)(fa)蘭(lan)(lan)外荷載校(xiao)核(he)方(fang)(fang)法(fa)(fa)詳(xiang)細講(jiang)述見(jian)《管(guan)道(dao)應力分(fen)析與工(gong)程應用(yong)》、《工(gong)業(ye)管(guan)道(dao)配管(guan)設計與工(gong)程應用(yong)》兩(liang)書(shu)。