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。
在單一管(guan)道(dao)(dao)流(liu)體壓(ya)力(li)(li)(li)(li)工(gong)(gong)況下，螺栓荷(he)載(zai)、墊片反力(li)(li)(li)(li)和介質內壓(ya)力(li)(li)(li)(li)的合成(cheng)力(li)(li)(li)(li)矩(ju)(ju)會引起(qi)法蘭(lan)(lan)產(chan)生變形（轉(zhuan)角）而(er)導(dao)致密封(feng)失(shi)效。但(dan)是在工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)實際，管(guan)道(dao)(dao)運行過程(cheng)(cheng)中還會受(shou)到附加外(wai)力(li)(li)(li)(li)及力(li)(li)(li)(li)矩(ju)(ju)，法蘭(lan)(lan)接頭除承受(shou)內壓(ya)外(wai)還要(yao)承受(shou)上述附加載(zai)荷(he)。如果法蘭(lan)(lan)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)等(deng)級的確(que)定，僅從法蘭(lan)(lan)器(qi)材(cai)選用內壓(ya)的角度考慮(lv)設計(ji)往往是不夠(gou)的，還需(xu)考慮(lv)設備管(guan)道(dao)(dao)布置、管(guan)道(dao)(dao)應(ying)力(li)(li)(li)(li)等(deng)因(yin)素。工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)上法蘭(lan)(lan)密封(feng)的失(shi)效常(chang)常(chang)是施工(gong)(gong)不規范(fan)或(huo)工(gong)(gong)程(cheng)(cheng) 設計(ji)中忽略了較(jiao)大的外(wai)載(zai)荷(he)而(er)導(dao)致的，工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)設計(ji)中應(ying)重視對法蘭(lan)(lan)外(wai)載(zai)荷(he)的校核(he)。
法蘭(lan)密封(feng)(feng)(feng)面與墊(dian)(dian)片(pian)(pian)之間存在著無(wu)數很細小(xiao)的(de)流動通(tong)道(dao)(dao)，介質將(jiang)可能通(tong)過這(zhe)些(xie)細小(xiao)的(de)通(tong)道(dao)(dao)而(er)泄(xie)漏。密封(feng)(feng)(feng)的(de)基本原(yuan)理就是要使(shi)得介質在流經(jing)這(zhe)種細小(xiao)通(tong)道(dao)(dao)時(shi)的(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)降(jiang)大于密封(feng)(feng)(feng)腔內、外的(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)差(cha)。法蘭(lan)在力(li)(li)矩作用下，如果剛(gang)度不足，就會形成(cheng)(cheng)對墊(dian)(dian)片(pian)(pian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊力(li)(li)的(de)不均勻(yun)，從而(er)導致在墊(dian)(dian)片(pian)(pian)一側壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊力(li)(li)較(jiao)小(xiao)不能形成(cheng)(cheng)有效密封(feng)(feng)(feng)，而(er)在墊(dian)(dian)片(pian)(pian)另一側壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)過大導致墊(dian)(dian)片(pian)(pian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)潰，這(zhe)就引(yin)起(qi)了法蘭(lan)接頭密封(feng)(feng)(feng)的(de)失效即(ji)泄(xie)漏。
管道的(de)(de)法蘭除承(cheng)(cheng)受(shou)內外(wai)(wai)壓外(wai)(wai)，還要(yao)承(cheng)(cheng)受(shou)管道及(ji)介質(zhi)(zhi)質(zhi)(zhi)量(liang)、熱膨脹、振動等引起的(de)(de)軸向力(li)和彎(wan)矩(ju)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用。通常法蘭的(de)(de)設計，例如ASME B16.5沒(mei)有考(kao)慮(lv)管道外(wai)(wai)加荷(he)載(zai)、彎(wan)矩(ju)等的(de)(de)影響(xiang)，為防止(zhi)在操作(zuo)(zuo)條件下(xia)(xia)發(fa)生泄漏和可能(neng)出現的(de)(de)損壞事故，必要(yao)時需(xu)要(yao)對(dui)已經選(xuan)定的(de)(de)標準法蘭進行可靠(kao)性(xing)校(xiao)核，以判斷(duan)是否需(xu)要(yao)采取進一步的(de)(de)安全措施。法蘭外(wai)(wai)荷(he)載(zai)校(xiao)核方法有很多種，詳細講述(shu)見《管道應力(li)分析與工程應用》一書。下(xia)(xia)面僅對(dui)管道設計人員需(xu)掌(zhang)握的(de)(de)基本內容做簡述(shu)。
1. 當量壓力法［Kellogg 當量壓力法（Peq法）］
Kellogg 當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)法(fa)（equivalent pressure method）認(ren)為(wei)(wei)法(fa)蘭連(lian)接處(chu)的所有外(wai)部(bu)載(zai)荷均(jun)作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)墊(dian)片上(shang)(shang)(shang)，軸向應(ying)力(li)(li)應(ying)處(chu)于(yu)安全(quan)范圍內。在(zai)這(zhe)個(ge)方(fang)法(fa)中，沒有考慮螺栓力(li)(li)的影(ying)響，作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)法(fa)蘭上(shang)(shang)(shang)的軸向力(li)(li)和彎矩轉(zhuan)化成了當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)（Peq）。將(jiang)這(zhe)兩個(ge)當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)與設計壓(ya)力(li)(li)相加得到總(zong)(zong)的當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)，并根據法(fa)蘭材料與ASME B16.5中的壓(ya)力(li)(li)-溫度等(deng)級表(biao)進行對比。如果總(zong)(zong)的當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)小于(yu)等(deng)級表(biao)中相應(ying)溫度下(xia)的許用(yong)(yong)壓(ya)力(li)(li)，即(ji)判定法(fa)蘭不(bu)會泄(xie)漏。此(ci)方(fang)法(fa)簡(jian)單可靠，但是過于(yu)保守(shou)。因為(wei)(wei)，外(wai)部(bu)載(zai)荷實(shi)際上(shang)(shang)(shang)并不(bu)只(zhi)作(zuo)用(yong)(yong)于(yu)墊(dian)片，外(wai)部(bu)載(zai)荷在(zai)墊(dian)片處(chu)產(chan)生的最(zui)(zui)大應(ying)力(li)(li)是在(zai)最(zui)(zui)外(wai)邊沿處(chu)，而由壓(ya)力(li)(li)產(chan)生的應(ying)力(li)(li)是均(jun)勻分布的。
如圖5.4.1所(suo)示，將由于管道所(suo)受重力(li)和(he)熱膨(peng)脹而產生的(de)作用在(zai)法蘭上的(de)軸向力(li)F和(he)彎(wan)矩M（M為作用在(zai)法蘭上的(de)合力(li)矩）轉換(huan)成當量(liang)壓力(li)Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相(xiang)加得出(chu)總的(de)當量(liang)壓力(li)P。
將(jiang)計算得到的(de)總(zong)壓力(li)P1與(yu)ASME B16.5中與(yu)法(fa)(fa)蘭(lan)材料相關(guan)的(de)對應溫度下的(de)壓力(li)進行對比。當P1小于(yu)此壓力(li)時(shi)，理論上認為法(fa)(fa)蘭(lan)不會發(fa)生泄(xie)(xie)漏(lou)，否則，認為存在泄(xie)(xie)漏(lou)的(de)可能(neng)。
所需數(shu)據：法蘭(lan)材料、壓力(li)(li)等級、工作壓力(li)(li)、工作溫(wen)度、墊片內(nei)直徑(jing)和(he)有效寬度、外(wai)部(bu)軸向力(li)(li)和(he)外(wai)部(bu)力(li)(li)矩，可(ke)以在下列(lie)規范找(zhao)到。
法(fa)蘭材(cai)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(dian)片尺寸：ASME B16.20，ASME B16.21。
2. ASME Section VIII Division 1法蘭外荷載校核(he)方法
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采用(yong)的(de)法蘭設計方(fang)法是華脫爾斯(si)法（（E-.D.Waters），沿(yan)用(yong)至今已達(da)半個多世紀。該方(fang)法是簡單理論分析(xi)并帶有經驗性(xing)質(zhi)的(de)設計方(fang)法，是否能(neng)可靠保(bao)證密封性(xing)能(neng)存在質(zhi)疑(yi)。補(bu)充了剛(gang)度校核及與其(qi)配套的(de)ASME PCC-1《承壓(ya)范圍螺栓法蘭連接件(jian)的(de)裝配指南》，基(ji)本能(neng)夠(gou)保(bao)證工(gong)程設計的(de)泄漏(lou)要求，因此仍被(bei)采用(yong)。
3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭外(wai)荷載校核方法
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類(lei)似，主(zhu)(zhu)要區別在于(yu)：Division 1 參考(kao)ASMESection II Part D Table 1A和1B的許用(yong)應力(li)(li)（采(cai)用(yong)最大主(zhu)(zhu)應力(li)(li)確(que)定(ding)）；Division 2參考(kao)Table 5A和5B的許用(yong)應力(li)(li)（采(cai)用(yong)變形(xing)能理論或(huo)Von Mises屈服(fu)準則的確(que)定(ding)）。Division 2考(kao)慮了由于(yu)施加在法蘭上(shang)的軸(zhou)向力(li)(li)和彎曲力(li)(li)矩而產生(sheng)的附加外部(bu)力(li)(li)矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法(fa)(fa)蘭外荷載(zai)校核(he)方法(fa)(fa)
此校核(he)方法(fa)(fa)(fa)源于(yu)ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第3658.3節，因此稱為NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)，也(ye)稱為NC 3658.3最大屈服強(qiang)度法(fa)(fa)(fa)。這個方法(fa)(fa)(fa)也(ye)是當(dang)量壓力，但只(zhi)考慮了彎矩的等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷(juan)是關(guan)于(yu)核(he)電站部件建設標準(zhun)，采用此方法(fa)(fa)(fa)對(dui)法(fa)(fa)(fa)蘭泄漏(lou)(lou)進行校核(he)需要滿足一定(ding)的要求。當(dang)下列(lie)2個條件同時滿足時，才能使(shi)用NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)校核(he)法(fa)(fa)(fa)蘭泄漏(lou)(lou)：
a. 法(fa)蘭、螺栓(shuan)、墊片符合ASME 1316.5中的要求；
b. 螺栓材(cai)料在100F（38℃）下的許用應(ying)力不(bu)小于20000psi（138 MPa）。
此方法認(ren)為管道(dao)介質內壓以及由(you)管道(dao)變形所(suo)產生的彎矩或(huo)扭矩都(dou)(dou)施加(jia)在螺(luo)栓上(shang)，并且假定應力都(dou)(dou)均勻分布在螺(luo)栓孔所(suo)處(chu)圓周(zhou)上(shang)，如果(guo)螺(luo)栓發(fa)生破(po)壞，則(ze)法蘭產生泄漏。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(suan)式得出(chu)的值小(xiao)于等于時，則(ze)認為(wei)法(fa)蘭不(bu)會(hui)發(fa)生(sheng)泄漏，否則(ze)認為(wei)會(hui)發(fa)生(sheng)泄漏，需要采取(qu)方(fang)法(fa)（如提高法(fa)蘭磅級）解決。
當量壓力法不適用于(yu)動載荷(he)分析(xi)。
5. GB/T 20801法蘭外荷載校(xiao)核方(fang)法
GB/T 20801法(fa)(fa)蘭(lan)外荷載(zai)校核(he)列(lie)出了4種方法(fa)(fa)。
當管法蘭承(cheng)受(shou)外(wai)加軸(zhou)向力或外(wai)加彎矩時(shi)，可按下列(lie)方法之一評估：
a. 法(fa)蘭壓(ya)力-溫度額定(ding)值(zhi)-當量(liang)壓(ya)力方法(fa)。
按式（5.4.5）計(ji)(ji)算其外加(jia)軸向力(li)或外加(jia)彎矩的當量壓(ya)力(li)p。，設計(ji)(ji)壓(ya)力(li)與當量壓(ya)力(li)之和應不(bu)大于法蘭的壓(ya)力(li)-溫度額定值。經設計(ji)(ji)者同(tong)意，設計(ji)(ji)壓(ya)力(li)也可(ke)采(cai)用相應工況下的最大工作壓(ya)力(li)。
b. 泰(tai)勒方(fang)(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)-當(dang)量壓力(li)方(fang)(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)、泰(tai)勒方(fang)(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)-當(dang)量力(li)方(fang)(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)、泰(tai)勒方(fang)(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)-修正(zheng)當(dang)量力(li)方(fang)(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)。對于法(fa)(fa)蘭(lan)剛度，必要(yao)時還可(ke)按GB／T 17186.1的(de)規定校核法(fa)(fa)蘭(lan)剛度。
6. 法蘭外荷載(zai)校核過程
法(fa)蘭應(ying)放在受外(wai)部彎矩盡可能(neng)小(xiao)的地(di)方(fang)。并不是每一(yi)處法(fa)蘭有了外(wai)加荷載都需要詳細的校核(he)。一(yi)般情況可根據管道專業設計人的經驗，對下列法(fa)蘭進行詳細的外(wai)荷載校核(he)：
①. 法蘭(lan)等(deng)級在(zai)900磅及以上的高(gao)壓法蘭(lan)連接處；
②. 法(fa)蘭(lan)口(kou)徑在24＂及以上的法(fa)蘭(lan)連(lian)接處；
③. 承載(zai)高溫(wen)、劇(ju)毒(du)、易燃、易爆等流體的法蘭(lan)連接處；
④. 根據管道專業設計人(ren)員經驗，認為需要詳細法蘭外荷(he)載(zai)校核處；
⑤. 其他(ta)。
Kellogg Peg法(fa)(fa)認(ren)為法(fa)(fa)蘭連接處的(de)所有(you)外部載荷均作(zuo)用在墊片上。NC 3658.3方法(fa)(fa)認(ren)為管(guan)道介質(zhi)內壓以及由管(guan)道變形所產生的(de)彎矩和扭矩都施加在螺栓上。而(er)ASME Section VIII方法(fa)(fa)主要是對(dui)法(fa)(fa)蘭應力(li)進行(xing)計算比對(dui)。Kellogg Peq 法(fa)(fa)輸入簡便快捷，而(er) ASME Section VIII和NC 3658.3方法(fa)(fa)需要在相(xiang)(xiang)關標(biao)準中(zhong)查閱大量數據。Kellogg Peq法(fa)(fa)相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)保守，計算結(jie)果(guo)與(yu)現場(chang)實際情況有(you)偏差(cha)，ASME Section III和NC 3658.3方法(fa)(fa)相(xiang)(xiang)對(dui)更精確，與(yu)實際情況更接近。
在(zai)國(guo)內外一些大型工程(cheng)公司中一般結合這幾種(zhong)方(fang)案(an)按以下流程(cheng)校(xiao)核法(fa)(fa)蘭(lan)泄漏(lou)，都能保(bao)證現場實際(ji)運行過程(cheng)的(de)(de)安全穩定。首先用Peq方(fang)法(fa)(fa)（Kellogg當(dang)量壓力(li)法(fa)(fa)）校(xiao)核，如(ru)果(guo)通(tong)過，則(ze)設(she)計(ji)法(fa)(fa)蘭(lan)不(bu)泄漏(lou)；若校(xiao)核不(bu)通(tong)過，再用ASME Section VIII方(fang)法(fa)(fa)校(xiao)核，通(tong)過則(ze)設(she)計(ji)法(fa)(fa)蘭(lan)不(bu)泄漏(lou)，失敗就需要(yao)分析具(ju)體的(de)(de)原因，修改調整后再重(zhong)新校(xiao)核，直到(dao)通(tong)過為止。僅(jin)螺栓的(de)(de)預(yu)緊(jin)應力(li)在(zai)不(bu)論是否有(you)軸向力(li)和(he)彎矩的(de)(de)情況下，均超出許用應力(li)值時，才使(shi)用NC3658.3方(fang)法(fa)(fa)進行校(xiao)核。見(jian)圖5.4.2所示(shi)。法(fa)(fa)蘭(lan)外荷載校(xiao)核方(fang)法(fa)(fa)詳細講(jiang)述見(jian)《管(guan)道(dao)應力(li)分析與工程(cheng)應用》、《工業管(guan)道(dao)配管(guan)設(she)計(ji)與工程(cheng)應用》兩書。
