某工程管道法蘭(lan)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(shuan)，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。
在單一管道(dao)流體壓(ya)(ya)力(li)工(gong)(gong)(gong)況(kuang)下，螺栓荷(he)載(zai)、墊片(pian)反力(li)和(he)介(jie)質(zhi)內壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)合成(cheng)力(li)矩會(hui)引起法蘭產生變形（轉角(jiao)）而導致(zhi)密封(feng)失(shi)效(xiao)。但(dan)是在工(gong)(gong)(gong)程(cheng)實(shi)際，管道(dao)運行過程(cheng)中(zhong)(zhong)還(huan)(huan)會(hui)受到附(fu)加(jia)外(wai)力(li)及力(li)矩，法蘭接頭除承受內壓(ya)(ya)外(wai)還(huan)(huan)要(yao)承受上(shang)述附(fu)加(jia)載(zai)荷(he)。如果法蘭壓(ya)(ya)力(li)等級(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)確(que)定，僅從(cong)法蘭器材選用內壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度(du)考慮(lv)設(she)計(ji)(ji)往往是不(bu)夠的(de)(de)(de)(de)(de)，還(huan)(huan)需考慮(lv)設(she)備管道(dao)布置(zhi)、管道(dao)應力(li)等因素(su)。工(gong)(gong)(gong)程(cheng)上(shang)法蘭密封(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)失(shi)效(xiao)常常是施工(gong)(gong)(gong)不(bu)規范(fan)或工(gong)(gong)(gong)程(cheng) 設(she)計(ji)(ji)中(zhong)(zhong)忽略了較大的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)載(zai)荷(he)而導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)，工(gong)(gong)(gong)程(cheng)設(she)計(ji)(ji)中(zhong)(zhong)應重視對法蘭外(wai)載(zai)荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)校(xiao)核。
法蘭密(mi)(mi)(mi)封面與(yu)墊(dian)片之間存在著無數很(hen)細(xi)小的(de)流動通道，介質將(jiang)可能通過這(zhe)些細(xi)小的(de)通道而(er)泄漏。密(mi)(mi)(mi)封的(de)基本原(yuan)理就是(shi)要使(shi)得介質在流經這(zhe)種細(xi)小通道時的(de)壓(ya)(ya)力(li)降大于密(mi)(mi)(mi)封腔內、外的(de)壓(ya)(ya)力(li)差。法蘭在力(li)矩作用下，如果剛(gang)度(du)不足，就會形成對墊(dian)片壓(ya)(ya)緊力(li)的(de)不均勻，從而(er)導(dao)致在墊(dian)片一(yi)側壓(ya)(ya)緊力(li)較小不能形成有效密(mi)(mi)(mi)封，而(er)在墊(dian)片另一(yi)側壓(ya)(ya)力(li)過大導(dao)致墊(dian)片壓(ya)(ya)潰(kui)，這(zhe)就引起了法蘭接頭(tou)密(mi)(mi)(mi)封的(de)失(shi)效即泄漏。
管道(dao)的(de)(de)(de)(de)法(fa)(fa)蘭(lan)除承(cheng)受內外(wai)壓外(wai)，還要承(cheng)受管道(dao)及介質質量(liang)、熱膨脹、振動(dong)等(deng)引起(qi)的(de)(de)(de)(de)軸(zhou)向力和(he)彎(wan)矩(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)作用。通(tong)常法(fa)(fa)蘭(lan)的(de)(de)(de)(de)設(she)計，例如ASME B16.5沒有(you)考慮管道(dao)外(wai)加荷載、彎(wan)矩(ju)(ju)等(deng)的(de)(de)(de)(de)影響，為防止在(zai)操(cao)作條件(jian)下發生泄漏和(he)可(ke)能出現的(de)(de)(de)(de)損(sun)壞事故，必要時需(xu)要對已經選定的(de)(de)(de)(de)標準(zhun)法(fa)(fa)蘭(lan)進行可(ke)靠性校(xiao)核，以判(pan)斷是否(fou)需(xu)要采取進一步的(de)(de)(de)(de)安全措施。法(fa)(fa)蘭(lan)外(wai)荷載校(xiao)核方法(fa)(fa)有(you)很多種，詳(xiang)細講述(shu)見(jian)《管道(dao)應(ying)力分析與(yu)工程應(ying)用》一書(shu)。下面(mian)僅對管道(dao)設(she)計人員需(xu)掌握的(de)(de)(de)(de)基本內容做簡述(shu)。
1. 當量壓(ya)力(li)法［Kellogg 當量壓(ya)力(li)法（Peq法）］
Kellogg 當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓力(li)(li)(li)法(fa)（equivalent pressure method）認為(wei)法(fa)蘭連(lian)接(jie)處(chu)的(de)(de)(de)(de)所有外(wai)(wai)部(bu)載荷(he)均(jun)作(zuo)(zuo)用在(zai)墊片上，軸向應(ying)力(li)(li)(li)應(ying)處(chu)于(yu)安(an)全范圍內(nei)。在(zai)這(zhe)個方法(fa)中，沒有考慮(lv)螺栓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，作(zuo)(zuo)用在(zai)法(fa)蘭上的(de)(de)(de)(de)軸向力(li)(li)(li)和彎矩(ju)轉(zhuan)化成了當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓力(li)(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓力(li)(li)(li)與(yu)設計壓力(li)(li)(li)相(xiang)加(jia)得到總(zong)(zong)的(de)(de)(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓力(li)(li)(li)，并根據法(fa)蘭材料與(yu)ASME B16.5中的(de)(de)(de)(de)壓力(li)(li)(li)-溫度等級表進行對比。如果總(zong)(zong)的(de)(de)(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓力(li)(li)(li)小于(yu)等級表中相(xiang)應(ying)溫度下的(de)(de)(de)(de)許用壓力(li)(li)(li)，即判定(ding)法(fa)蘭不會泄漏。此方法(fa)簡(jian)單可靠，但是(shi)(shi)過(guo)于(yu)保(bao)守。因為(wei)，外(wai)(wai)部(bu)載荷(he)實際上并不只作(zuo)(zuo)用于(yu)墊片，外(wai)(wai)部(bu)載荷(he)在(zai)墊片處(chu)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)最大應(ying)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)在(zai)最外(wai)(wai)邊沿處(chu)，而由壓力(li)(li)(li)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)均(jun)勻分布的(de)(de)(de)(de)。
如圖5.4.1所示，將由于管道所受重力和(he)熱(re)膨脹而(er)產生(sheng)的作用在(zai)法蘭上的軸(zhou)向力F和(he)彎矩M（M為作用在(zai)法蘭上的合力矩）轉換成當量壓力Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相加得出總(zong)的當量壓力P。
將計算(suan)得到的(de)(de)總(zong)壓力(li)P1與ASME B16.5中與法蘭材(cai)料相(xiang)關的(de)(de)對應溫(wen)度下的(de)(de)壓力(li)進行對比。當P1小(xiao)于此壓力(li)時，理論上認(ren)為法蘭不(bu)會發生泄漏，否(fou)則，認(ren)為存在泄漏的(de)(de)可能。
所需數據(ju)：法蘭材料、壓力(li)等級、工(gong)作壓力(li)、工(gong)作溫(wen)度(du)、墊片內直徑和有效寬度(du)、外部軸向力(li)和外部力(li)矩(ju)，可以在下列規范找到。
法蘭(lan)材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫壓(ya)曲線(xian)：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(fa)蘭外荷載校核方法(fa)
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采(cai)用(yong)的(de)(de)法(fa)蘭設計方法(fa)是(shi)華(hua)脫爾斯法(fa)（（E-.D.Waters），沿用(yong)至(zhi)今已達半個多世紀。該(gai)方法(fa)是(shi)簡單理論(lun)分析并帶有經驗(yan)性質的(de)(de)設計方法(fa)，是(shi)否(fou)能(neng)可靠保證密(mi)封性能(neng)存(cun)在質疑。補充了剛度(du)校核及與其配套的(de)(de)ASME PCC-1《承壓范圍螺栓法(fa)蘭連接件的(de)(de)裝配指南》，基本能(neng)夠保證工程設計的(de)(de)泄漏要求，因此(ci)仍被采(cai)用(yong)。
3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭外荷(he)載(zai)校核方法
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類似(si)，主要區別在于：Division 1 參(can)考(kao)ASMESection II Part D Table 1A和1B的許用(yong)(yong)應(ying)力(li)（采用(yong)(yong)最大(da)主應(ying)力(li)確定(ding)）；Division 2參(can)考(kao)Table 5A和5B的許用(yong)(yong)應(ying)力(li)（采用(yong)(yong)變形能理論或Von Mises屈(qu)服準則的確定(ding)）。Division 2考(kao)慮了由于施(shi)加在法蘭上(shang)的軸(zhou)向(xiang)力(li)和彎曲力(li)矩(ju)(ju)而產生(sheng)的附加外部力(li)矩(ju)(ju)。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭(lan)外荷(he)載校核方法
此校核方(fang)法源于(yu)ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，因此稱(cheng)為NC 3658.3法，也稱(cheng)為NC 3658.3最大屈服(fu)強度法。這個方(fang)法也是當量(liang)壓(ya)力，但只考慮了彎矩的(de)等(deng)效壓(ya)力。ASME BPVC III-I-NC卷是關(guan)于(yu)核電站(zhan)部(bu)件建設標準，采用此方(fang)法對法蘭泄漏進行校核需(xu)要滿(man)足(zu)(zu)一(yi)定(ding)的(de)要求。當下列2個條件同時(shi)滿(man)足(zu)(zu)時(shi)，才能使用NC 3658.3法校核法蘭泄漏：
a. 法(fa)蘭、螺栓(shuan)、墊(dian)片符合ASME 1316.5中(zhong)的要求；
b. 螺栓材料在100F（38℃）下(xia)的(de)許用應力不(bu)小于20000psi（138 MPa）。
此方法(fa)認為管(guan)道介質(zhi)內壓以及由管(guan)道變形所(suo)產生的彎矩(ju)或扭矩(ju)都施加在螺(luo)(luo)栓(shuan)上，并且(qie)假定應力(li)都均(jun)勻分布在螺(luo)(luo)栓(shuan)孔所(suo)處圓周(zhou)上，如果(guo)螺(luo)(luo)栓(shuan)發(fa)生破壞(huai)，則法(fa)蘭產生泄漏。根據ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，滿足式（5.4.1）的要求。
當(dang)根據計算(suan)式(shi)得(de)出(chu)的值(zhi)小于等于時，則認為法(fa)蘭不(bu)會發(fa)(fa)生泄漏(lou)，否(fou)則認為會發(fa)(fa)生泄漏(lou)，需要(yao)采(cai)取方法(fa)（如提高法(fa)蘭磅(bang)級）解決(jue)。
當(dang)量壓力法不適用于動載荷分析。
5. GB/T 20801法(fa)蘭外荷(he)載校核(he)方(fang)法(fa)
GB/T 20801法(fa)蘭外荷載(zai)校核列(lie)出了4種方法(fa)。
當管(guan)法(fa)蘭承(cheng)受外(wai)加軸向(xiang)力或(huo)外(wai)加彎矩(ju)時(shi)，可(ke)按下列方(fang)法(fa)之一評估(gu)：
a. 法(fa)蘭壓力(li)-溫度額(e)定(ding)值-當量壓力(li)方(fang)法(fa)。
按式（5.4.5）計(ji)(ji)算其外加軸(zhou)向力(li)(li)或外加彎矩的(de)當量壓(ya)(ya)力(li)(li)p。，設(she)計(ji)(ji)壓(ya)(ya)力(li)(li)與當量壓(ya)(ya)力(li)(li)之和應(ying)不大(da)于法蘭的(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)-溫(wen)度額(e)定值。經設(she)計(ji)(ji)者(zhe)同意，設(she)計(ji)(ji)壓(ya)(ya)力(li)(li)也可采用相應(ying)工況下的(de)最大(da)工作壓(ya)(ya)力(li)(li)。
b. 泰(tai)勒(le)方(fang)法(fa)(fa)(fa)-當(dang)量(liang)壓力方(fang)法(fa)(fa)(fa)、泰(tai)勒(le)方(fang)法(fa)(fa)(fa)-當(dang)量(liang)力方(fang)法(fa)(fa)(fa)、泰(tai)勒(le)方(fang)法(fa)(fa)(fa)-修正當(dang)量(liang)力方(fang)法(fa)(fa)(fa)。對于法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)剛度，必要(yao)時(shi)還(huan)可按GB／T 17186.1的規定校核法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)剛度。
6. 法蘭外荷載(zai)校核過程
法(fa)蘭(lan)(lan)應放(fang)在受外部彎矩盡可能小的(de)地(di)方。并不是(shi)每一(yi)(yi)處法(fa)蘭(lan)(lan)有了外加(jia)荷(he)載都需要詳細(xi)的(de)校核(he)。一(yi)(yi)般情況可根據(ju)管道專(zhuan)業設計(ji)人(ren)的(de)經驗，對下列法(fa)蘭(lan)(lan)進行詳細(xi)的(de)外荷(he)載校核(he)：
①. 法(fa)蘭等(deng)級在900磅及(ji)以(yi)上的高(gao)壓法(fa)蘭連接處；
②. 法蘭(lan)口徑在24＂及(ji)以上(shang)的法蘭(lan)連接處；
③. 承載高溫、劇毒、易燃、易爆等流(liu)體(ti)的(de)法蘭(lan)連接處(chu)；
④. 根據管道專業設計(ji)人員(yuan)經驗(yan)，認為需要詳細法蘭外荷(he)載校核處；
⑤. 其他(ta)。
Kellogg Peg法(fa)認為法(fa)蘭連接(jie)處的所有外部載荷均作(zuo)用在(zai)墊片上。NC 3658.3方(fang)法(fa)認為管道(dao)介質(zhi)內壓以及由管道(dao)變形所產生的彎矩和(he)(he)扭矩都施加在(zai)螺栓(shuan)上。而ASME Section VIII方(fang)法(fa)主(zhu)要是對(dui)(dui)法(fa)蘭應力(li)進行計算比(bi)對(dui)(dui)。Kellogg Peq 法(fa)輸入簡便(bian)快捷(jie)，而 ASME Section VIII和(he)(he)NC 3658.3方(fang)法(fa)需要在(zai)相(xiang)(xiang)關(guan)標準中查閱大量數據(ju)。Kellogg Peq法(fa)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)較保守(shou)，計算結果與現場實(shi)際(ji)(ji)情況有偏差(cha)，ASME Section III和(he)(he)NC 3658.3方(fang)法(fa)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)更精(jing)確，與實(shi)際(ji)(ji)情況更接(jie)近。
在(zai)國內外(wai)一(yi)些(xie)大型工程公司中一(yi)般結合這幾種方(fang)(fang)案按以(yi)下(xia)(xia)流程校(xiao)(xiao)(xiao)核法(fa)(fa)蘭(lan)泄漏(lou)，都能保證現場實際運行(xing)過程的安(an)全(quan)穩定。首先用(yong)Peq方(fang)(fang)法(fa)(fa)（Kellogg當(dang)量(liang)壓力法(fa)(fa)）校(xiao)(xiao)(xiao)核，如果通過，則設(she)(she)計法(fa)(fa)蘭(lan)不泄漏(lou)；若(ruo)校(xiao)(xiao)(xiao)核不通過，再用(yong)ASME Section VIII方(fang)(fang)法(fa)(fa)校(xiao)(xiao)(xiao)核，通過則設(she)(she)計法(fa)(fa)蘭(lan)不泄漏(lou)，失敗(bai)就需要(yao)分(fen)(fen)析(xi)具體的原因，修(xiu)改調整后再重新(xin)校(xiao)(xiao)(xiao)核，直到通過為止(zhi)。僅螺(luo)栓的預緊(jin)應(ying)(ying)(ying)力在(zai)不論是否有軸向力和彎矩(ju)的情況下(xia)(xia)，均超出(chu)許用(yong)應(ying)(ying)(ying)力值時，才使用(yong)NC3658.3方(fang)(fang)法(fa)(fa)進(jin)行(xing)校(xiao)(xiao)(xiao)核。見圖(tu)5.4.2所(suo)示。法(fa)(fa)蘭(lan)外(wai)荷載校(xiao)(xiao)(xiao)核方(fang)(fang)法(fa)(fa)詳細講述見《管道應(ying)(ying)(ying)力分(fen)(fen)析(xi)與工程應(ying)(ying)(ying)用(yong)》、《工業管道配管設(she)(she)計與工程應(ying)(ying)(ying)用(yong)》兩書。
