某工程管道法(fa)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。

  在單一管(guan)(guan)道(dao)(dao)流體(ti)壓力工(gong)況下，螺(luo)栓荷(he)載(zai)、墊(dian)片反(fan)力和介質內壓力的(de)(de)(de)(de)合成(cheng)力矩會引起法蘭(lan)產生變形（轉角）而(er)導(dao)致密封(feng)失效。但是在工(gong)程(cheng)(cheng)實際，管(guan)(guan)道(dao)(dao)運行過程(cheng)(cheng)中(zhong)還(huan)(huan)會受(shou)到(dao)附(fu)加(jia)外力及力矩，法蘭(lan)接(jie)頭除承受(shou)內壓外還(huan)(huan)要承受(shou)上述附(fu)加(jia)載(zai)荷(he)。如(ru)果法蘭(lan)壓力等級的(de)(de)(de)(de)確定，僅從法蘭(lan)器材選用內壓的(de)(de)(de)(de)角度考慮(lv)(lv)設(she)(she)計往往是不夠的(de)(de)(de)(de)，還(huan)(huan)需考慮(lv)(lv)設(she)(she)備管(guan)(guan)道(dao)(dao)布置、管(guan)(guan)道(dao)(dao)應力等因素。工(gong)程(cheng)(cheng)上法蘭(lan)密封(feng)的(de)(de)(de)(de)失效常常是施工(gong)不規范或工(gong)程(cheng)(cheng) 設(she)(she)計中(zhong)忽略了較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)外載(zai)荷(he)而(er)導(dao)致的(de)(de)(de)(de)，工(gong)程(cheng)(cheng)設(she)(she)計中(zhong)應重(zhong)視對法蘭(lan)外載(zai)荷(he)的(de)(de)(de)(de)校核。

  法(fa)蘭密(mi)封(feng)面與墊(dian)片之(zhi)間(jian)存(cun)在著(zhu)無(wu)數很細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)流(liu)動(dong)通(tong)道，介(jie)質將可能(neng)(neng)通(tong)過這(zhe)些(xie)細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)通(tong)道而(er)泄(xie)漏(lou)。密(mi)封(feng)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理就是(shi)要使得介(jie)質在流(liu)經(jing)這(zhe)種(zhong)細(xi)小(xiao)(xiao)通(tong)道時的(de)壓(ya)力降大于密(mi)封(feng)腔內(nei)、外的(de)壓(ya)力差(cha)。法(fa)蘭在力矩(ju)作用下，如果剛度不(bu)足，就會形成對墊(dian)片壓(ya)緊(jin)(jin)力的(de)不(bu)均(jun)勻，從而(er)導致在墊(dian)片一側(ce)壓(ya)緊(jin)(jin)力較小(xiao)(xiao)不(bu)能(neng)(neng)形成有效密(mi)封(feng)，而(er)在墊(dian)片另一側(ce)壓(ya)力過大導致墊(dian)片壓(ya)潰，這(zhe)就引起了法(fa)蘭接頭(tou)密(mi)封(feng)的(de)失效即泄(xie)漏(lou)。

  管道的(de)法蘭除承受內外(wai)(wai)(wai)壓外(wai)(wai)(wai)，還要(yao)承受管道及介質質量(liang)、熱膨脹、振動等引(yin)起的(de)軸向力和(he)彎矩的(de)作(zuo)用。通(tong)常(chang)法蘭的(de)設(she)計，例如(ru)ASME B16.5沒有考慮管道外(wai)(wai)(wai)加荷載、彎矩等的(de)影響，為防(fang)止在操作(zuo)條件下發生泄漏(lou)和(he)可(ke)能出現的(de)損壞事(shi)故(gu)，必(bi)要(yao)時需要(yao)對(dui)已經選定(ding)的(de)標(biao)準法蘭進行(xing)可(ke)靠性(xing)校核(he)，以(yi)判斷(duan)是否(fou)需要(yao)采取(qu)進一(yi)步(bu)的(de)安全措施。法蘭外(wai)(wai)(wai)荷載校核(he)方法有很多種，詳細(xi)講(jiang)述(shu)見《管道應力分析與工程應用》一(yi)書。下面僅對(dui)管道設(she)計人員需掌握的(de)基本內容(rong)做簡(jian)述(shu)。

1. 當量壓力法［Kellogg 當量壓力法（Peq法）］

  Kellogg 當(dang)量(liang)(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)法（equivalent pressure method）認為法蘭連(lian)接處(chu)(chu)的(de)(de)(de)所(suo)有外部載(zai)荷(he)均作(zuo)用(yong)在(zai)墊(dian)片(pian)上(shang)，軸(zhou)向應(ying)力(li)(li)(li)應(ying)處(chu)(chu)于安(an)全范(fan)圍內。在(zai)這個(ge)方法中(zhong)，沒有考(kao)慮螺栓(shuan)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)影響，作(zuo)用(yong)在(zai)法蘭上(shang)的(de)(de)(de)軸(zhou)向力(li)(li)(li)和彎矩轉(zhuan)化成了當(dang)量(liang)(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)（Peq）。將這兩個(ge)當(dang)量(liang)(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)與設(she)計(ji)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)相(xiang)加(jia)得到總的(de)(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，并根(gen)據法蘭材料與ASME B16.5中(zhong)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)-溫(wen)度(du)等級(ji)(ji)表進行(xing)對比。如果(guo)總的(de)(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)小于等級(ji)(ji)表中(zhong)相(xiang)應(ying)溫(wen)度(du)下的(de)(de)(de)許用(yong)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)，即判(pan)定(ding)法蘭不會泄漏(lou)。此方法簡單可(ke)靠，但是過(guo)于保(bao)守。因為，外部載(zai)荷(he)實際上(shang)并不只作(zuo)用(yong)于墊(dian)片(pian)，外部載(zai)荷(he)在(zai)墊(dian)片(pian)處(chu)(chu)產生的(de)(de)(de)最大應(ying)力(li)(li)(li)是在(zai)最外邊沿處(chu)(chu)，而由壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)產生的(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)是均勻分布的(de)(de)(de)。

  如圖5.4.1所(suo)示(shi)，將(jiang)由于管道所(suo)受重力(li)(li)和熱膨脹而產(chan)生(sheng)的(de)(de)作用(yong)在法(fa)蘭上的(de)(de)軸向力(li)(li)F和彎矩M（M為(wei)作用(yong)在法(fa)蘭上的(de)(de)合力(li)(li)矩）轉(zhuan)換成(cheng)當量(liang)(liang)壓力(li)(li)Pel和Po2,Pe1和Pe2相加得(de)出總的(de)(de)當量(liang)(liang)壓力(li)(li)P。

  將(jiang)計算得到的(de)(de)總壓力P1與(yu)ASME B16.5中與(yu)法蘭(lan)(lan)材料相關的(de)(de)對應溫度下(xia)的(de)(de)壓力進行對比。當P1小(xiao)于此壓力時，理論上認為(wei)法蘭(lan)(lan)不會發(fa)生泄漏(lou)，否則，認為(wei)存(cun)在(zai)泄漏(lou)的(de)(de)可能。

  所需數據(ju)：法蘭(lan)材料、壓力等級、工(gong)作壓力、工(gong)作溫度、墊片(pian)內直徑和有(you)效寬度、外部(bu)軸向力和外部(bu)力矩，可以(yi)在下(xia)列規范找(zhao)到。

  法蘭材料：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(dian)片材(cai)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(fa)(fa)蘭(lan)外荷(he)載校核方(fang)法(fa)(fa)

  ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采用的(de)(de)法(fa)(fa)蘭(lan)設(she)計方(fang)法(fa)(fa)是(shi)華脫爾斯法(fa)(fa)（（E-.D.Waters），沿(yan)用至今(jin)已達(da)半個多世(shi)紀(ji)。該方(fang)法(fa)(fa)是(shi)簡(jian)單理論分(fen)析(xi)并帶有(you)經驗(yan)性質的(de)(de)設(she)計方(fang)法(fa)(fa)，是(shi)否能(neng)可(ke)靠(kao)保證密(mi)封(feng)性能(neng)存(cun)在質疑。補(bu)充了(le)剛度校核(he)及與其配套的(de)(de)ASME PCC-1《承壓范(fan)圍螺栓法(fa)(fa)蘭(lan)連接件的(de)(de)裝配指(zhi)南》，基本能(neng)夠保證工程設(she)計的(de)(de)泄漏要求，因此仍被采用。

3. ASME BPVC VIII Division 2法(fa)蘭外荷載(zai)校核方法(fa)

  ASME BPVC VIII Division 2與(yu)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(xu)用(yong)(yong)(yong)應(ying)力(li)(li)(li)（采(cai)用(yong)(yong)(yong)最大主應(ying)力(li)(li)(li)確定）；Division 2參(can)考(kao)Table 5A和5B的許(xu)用(yong)(yong)(yong)應(ying)力(li)(li)(li)（采(cai)用(yong)(yong)(yong)變形(xing)能理(li)論或Von Mises屈服準則的確定）。Division 2考(kao)慮了由于施加(jia)(jia)在法蘭上的軸向力(li)(li)(li)和彎曲力(li)(li)(li)矩(ju)而產(chan)生的附(fu)加(jia)(jia)外(wai)部(bu)力(li)(li)(li)矩(ju)。

4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外荷載校(xiao)核(he)方法

  此校(xiao)核(he)方(fang)法(fa)(fa)(fa)源(yuan)于ASME BPVC III-1-NC分(fen)卷第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(fu)強(qiang)度法(fa)(fa)(fa)。這個方(fang)法(fa)(fa)(fa)也(ye)是當(dang)量壓力，但只考慮(lv)了(le)彎矩的(de)等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是關于核(he)電站部件(jian)建設標準，采用此方(fang)法(fa)(fa)(fa)對法(fa)(fa)(fa)蘭泄(xie)漏進行校(xiao)核(he)需要(yao)滿足一定的(de)要(yao)求。當(dang)下列2個條件(jian)同時滿足時，才能使用NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)校(xiao)核(he)法(fa)(fa)(fa)蘭泄(xie)漏：

   a. 法(fa)蘭、螺栓、墊片符合ASME 1316.5中的要求；

   b. 螺栓材料(liao)在100F（38℃）下的許用應力不小于20000psi（138 MPa）。

  此(ci)方法(fa)(fa)認(ren)為管道(dao)介質內(nei)壓(ya)以及由管道(dao)變(bian)形所(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的彎矩或(huo)扭矩都施(shi)加在螺栓上(shang)，并且假定應力都均(jun)勻(yun)分(fen)布(bu)在螺栓孔所(suo)處圓周上(shang)，如果螺栓發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)破壞，則法(fa)(fa)蘭產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)泄漏(lou)。根(gen)據ASME BPVC III-1-NC分(fen)卷第3658.3節，滿足式(shi)（5.4.1）的要求。

  當根據計算(suan)式得出的值(zhi)小(xiao)于等于時(shi)，則(ze)認(ren)為法蘭(lan)不會發生泄漏，否則(ze)認(ren)為會發生泄漏，需要采取方法（如提高(gao)法蘭(lan)磅級）解決(jue)。

  當量壓力法不(bu)適(shi)用于動載荷分析。

5. GB/T 20801法(fa)蘭外荷載(zai)校核方法(fa)

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

  當管法(fa)蘭承受外加軸向力或(huo)外加彎矩時，可(ke)按下列方法(fa)之一評估：

  a. 法(fa)蘭壓力-溫度額定值-當量壓力方法(fa)。

  按(an)式（5.4.5）計算其(qi)外加軸向力或外加彎矩(ju)的當量(liang)壓(ya)力p。，設(she)計壓(ya)力與當量(liang)壓(ya)力之(zhi)和應不大于法蘭的壓(ya)力-溫度額定值(zhi)。經設(she)計者(zhe)同(tong)意，設(she)計壓(ya)力也可采(cai)用相應工況下的最(zui)大工作壓(ya)力。

  b. 泰勒方(fang)(fang)法(fa)-當(dang)(dang)量壓力方(fang)(fang)法(fa)、泰勒方(fang)(fang)法(fa)-當(dang)(dang)量力方(fang)(fang)法(fa)、泰勒方(fang)(fang)法(fa)-修正當(dang)(dang)量力方(fang)(fang)法(fa)。對于法(fa)蘭(lan)剛度(du)(du)，必(bi)要時(shi)還可按GB／T 17186.1的規(gui)定校(xiao)核法(fa)蘭(lan)剛度(du)(du)。

6. 法(fa)蘭(lan)外荷載校核過程(cheng)

  法蘭(lan)應放在受外部彎矩盡可能小的(de)地(di)方。并不是每一(yi)處法蘭(lan)有了外加荷(he)載(zai)都(dou)需要(yao)詳(xiang)細的(de)校核(he)。一(yi)般情況可根據管道專業設(she)計(ji)人的(de)經驗，對下(xia)列(lie)法蘭(lan)進行(xing)詳(xiang)細的(de)外荷(he)載(zai)校核(he)：

   ①. 法蘭(lan)等(deng)級在900磅及以上(shang)的高壓法蘭(lan)連接處；

   ②. 法蘭口徑在24＂及以上(shang)的法蘭連接處；

   ③. 承(cheng)載(zai)高(gao)溫、劇毒、易燃、易爆等流(liu)體的法(fa)蘭(lan)連(lian)接處(chu)；

   ④. 根據管(guan)道專業(ye)設計人員經驗，認為(wei)需要詳(xiang)細法蘭外荷載(zai)校核處(chu)；

   ⑤. 其他。

  Kellogg Peg法(fa)(fa)認為法(fa)(fa)蘭連(lian)接處的所有(you)外部載荷(he)均作用在(zai)墊(dian)片上。NC 3658.3方(fang)(fang)法(fa)(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(ju)和扭矩(ju)都施加在(zai)螺栓上。而(er)ASME Section VIII方(fang)(fang)法(fa)(fa)主要是對(dui)(dui)法(fa)(fa)蘭應力進行計(ji)算比對(dui)(dui)。Kellogg Peq 法(fa)(fa)輸入簡便快捷，而(er) ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)(fang)法(fa)(fa)需要在(zai)相關(guan)標準中查閱大量數據(ju)。Kellogg Peq法(fa)(fa)相對(dui)(dui)較保守，計(ji)算結果(guo)與(yu)現場實際(ji)情(qing)況有(you)偏差(cha)，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)(fang)法(fa)(fa)相對(dui)(dui)更(geng)精確，與(yu)實際(ji)情(qing)況更(geng)接近(jin)。

  在國內外(wai)一些大(da)型(xing)工(gong)(gong)程(cheng)公司中一般結合這幾種方(fang)案按以下(xia)(xia)流程(cheng)校(xiao)(xiao)核(he)(he)法(fa)蘭(lan)(lan)泄(xie)漏，都能保證現場實際(ji)運行過(guo)(guo)(guo)程(cheng)的安全穩(wen)定。首先用(yong)(yong)(yong)Peq方(fang)法(fa)（Kellogg當(dang)量壓力法(fa)）校(xiao)(xiao)核(he)(he)，如(ru)果通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)，則設計(ji)法(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)泄(xie)漏；若校(xiao)(xiao)核(he)(he)不(bu)通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)，再用(yong)(yong)(yong)ASME Section VIII方(fang)法(fa)校(xiao)(xiao)核(he)(he)，通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)則設計(ji)法(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)泄(xie)漏，失敗就需要分(fen)析具體的原因，修改調整后再重(zhong)新校(xiao)(xiao)核(he)(he)，直到通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)為止。僅螺栓(shuan)的預緊應(ying)力在不(bu)論是否有軸向力和(he)彎矩的情(qing)況下(xia)(xia)，均超出許用(yong)(yong)(yong)應(ying)力值時(shi)，才使用(yong)(yong)(yong)NC3658.3方(fang)法(fa)進行校(xiao)(xiao)核(he)(he)。見(jian)圖(tu)5.4.2所(suo)示。法(fa)蘭(lan)(lan)外(wai)荷載(zai)校(xiao)(xiao)核(he)(he)方(fang)法(fa)詳細講述見(jian)《管(guan)道應(ying)力分(fen)析與工(gong)(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)(yong)(yong)》、《工(gong)(gong)業管(guan)道配(pei)管(guan)設計(ji)與工(gong)(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)(yong)(yong)》兩書。