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)(dao)(dao)流體壓(ya)力(li)工況(kuang)下(xia)，螺栓荷(he)載(zai)(zai)(zai)、墊(dian)片反(fan)力(li)和介質內壓(ya)力(li)的合(he)成(cheng)力(li)矩會引起法(fa)蘭(lan)產生變形(xing)（轉(zhuan)角）而導(dao)致密封(feng)失(shi)效。但是(shi)在工程(cheng)實(shi)際，管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)運行過程(cheng)中還(huan)會受(shou)到附加外(wai)力(li)及力(li)矩，法(fa)蘭(lan)接頭除承(cheng)受(shou)內壓(ya)外(wai)還(huan)要承(cheng)受(shou)上述附加載(zai)(zai)(zai)荷(he)。如果法(fa)蘭(lan)壓(ya)力(li)等(deng)級(ji)的確定(ding)，僅從法(fa)蘭(lan)器材選用(yong)內壓(ya)的角度考慮設(she)(she)計往往是(shi)不(bu)夠的，還(huan)需考慮設(she)(she)備管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)布置、管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)應力(li)等(deng)因素。工程(cheng)上法(fa)蘭(lan)密封(feng)的失(shi)效常(chang)常(chang)是(shi)施(shi)工不(bu)規范或工程(cheng) 設(she)(she)計中忽略(lve)了較大的外(wai)載(zai)(zai)(zai)荷(he)而導(dao)致的，工程(cheng)設(she)(she)計中應重視對法(fa)蘭(lan)外(wai)載(zai)(zai)(zai)荷(he)的校核。
法蘭(lan)密封(feng)面(mian)與墊(dian)(dian)片之間存(cun)在著無數(shu)很細(xi)(xi)小(xiao)的(de)流動(dong)通(tong)道，介質將可能通(tong)過這些細(xi)(xi)小(xiao)的(de)通(tong)道而泄漏。密封(feng)的(de)基本原(yuan)理就(jiu)是要使得介質在流經這種(zhong)細(xi)(xi)小(xiao)通(tong)道時的(de)壓力(li)降大于密封(feng)腔(qiang)內、外(wai)的(de)壓力(li)差。法蘭(lan)在力(li)矩作(zuo)用下(xia)，如果剛度不足，就(jiu)會形成對墊(dian)(dian)片壓緊力(li)的(de)不均勻，從而導致(zhi)在墊(dian)(dian)片一(yi)側(ce)壓緊力(li)較小(xiao)不能形成有效(xiao)密封(feng)，而在墊(dian)(dian)片另一(yi)側(ce)壓力(li)過大導致(zhi)墊(dian)(dian)片壓潰，這就(jiu)引起了法蘭(lan)接頭(tou)密封(feng)的(de)失效(xiao)即泄漏。
管(guan)道(dao)的法蘭(lan)(lan)除承受內外(wai)壓外(wai)，還要(yao)(yao)承受管(guan)道(dao)及介質質量(liang)、熱(re)膨(peng)脹、振(zhen)動等引起的軸向(xiang)力和(he)彎矩(ju)的作(zuo)用(yong)(yong)。通常(chang)法蘭(lan)(lan)的設計(ji)，例如ASME B16.5沒有考慮(lv)管(guan)道(dao)外(wai)加荷載(zai)、彎矩(ju)等的影響，為(wei)防止在操作(zuo)條件(jian)下(xia)發生泄漏(lou)和(he)可能(neng)出(chu)現的損壞(huai)事故，必要(yao)(yao)時(shi)需(xu)要(yao)(yao)對已(yi)經選定的標準法蘭(lan)(lan)進(jin)行可靠性(xing)校(xiao)核(he)，以判斷是(shi)否需(xu)要(yao)(yao)采(cai)取進(jin)一步(bu)的安全措施。法蘭(lan)(lan)外(wai)荷載(zai)校(xiao)核(he)方法有很多種，詳細講述見《管(guan)道(dao)應(ying)力分(fen)析與工程應(ying)用(yong)(yong)》一書。下(xia)面(mian)僅對管(guan)道(dao)設計(ji)人員需(xu)掌握的基(ji)本內容做簡述。
1. 當量壓力(li)法［Kellogg 當量壓力(li)法（Peq法）］
Kellogg 當(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)法（equivalent pressure method）認(ren)為法蘭(lan)連接處(chu)(chu)的(de)(de)(de)所有(you)外部(bu)(bu)(bu)載(zai)荷(he)均作用在墊片上，軸(zhou)向(xiang)(xiang)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)應(ying)(ying)處(chu)(chu)于(yu)安全范圍內。在這(zhe)個(ge)方法中，沒有(you)考慮(lv)螺栓力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)影響，作用在法蘭(lan)上的(de)(de)(de)軸(zhou)向(xiang)(xiang)力(li)(li)(li)和彎矩轉化成(cheng)了(le)當(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個(ge)當(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)與設(she)計(ji)壓(ya)力(li)(li)(li)相(xiang)加得到總(zong)的(de)(de)(de)當(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)，并(bing)根據法蘭(lan)材料(liao)與ASME B16.5中的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)(li)-溫度(du)等(deng)級(ji)表進(jin)行(xing)對比。如果總(zong)的(de)(de)(de)當(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)小于(yu)等(deng)級(ji)表中相(xiang)應(ying)(ying)溫度(du)下的(de)(de)(de)許(xu)用壓(ya)力(li)(li)(li)，即判定法蘭(lan)不會(hui)泄漏。此方法簡單可靠，但是過于(yu)保(bao)守(shou)。因(yin)為，外部(bu)(bu)(bu)載(zai)荷(he)實際上并(bing)不只作用于(yu)墊片，外部(bu)(bu)(bu)載(zai)荷(he)在墊片處(chu)(chu)產生(sheng)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)是在最(zui)外邊沿(yan)處(chu)(chu)，而由壓(ya)力(li)(li)(li)產生(sheng)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)是均勻(yun)分布的(de)(de)(de)。
如圖5.4.1所示，將由于管道所受重(zhong)力(li)(li)和熱膨脹而產生的(de)作用在法蘭上(shang)的(de)軸向(xiang)力(li)(li)F和彎(wan)矩M（M為作用在法蘭上(shang)的(de)合力(li)(li)矩）轉換成當(dang)量壓(ya)力(li)(li)Pel和Po2,Pe1和Pe2相加(jia)得出(chu)總的(de)當(dang)量壓(ya)力(li)(li)P。
將計算(suan)得到(dao)的總壓力P1與ASME B16.5中與法蘭(lan)材(cai)料相關(guan)的對應溫度下的壓力進行對比。當P1小于此(ci)壓力時(shi)，理論(lun)上認為(wei)法蘭(lan)不會發生(sheng)泄(xie)(xie)漏(lou)(lou)，否則，認為(wei)存在泄(xie)(xie)漏(lou)(lou)的可(ke)能(neng)。
所需數(shu)據：法蘭材料、壓力(li)等級、工作(zuo)(zuo)壓力(li)、工作(zuo)(zuo)溫度、墊片內直徑(jing)和(he)(he)有效寬(kuan)度、外部軸(zhou)向力(li)和(he)(he)外部力(li)矩，可以在下列規范找(zhao)到。
法蘭(lan)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法蘭外(wai)荷載校核方(fang)法
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采(cai)用的(de)法(fa)(fa)蘭設計方(fang)法(fa)(fa)是(shi)華(hua)脫爾斯法(fa)(fa)（（E-.D.Waters），沿用至(zhi)今已達半(ban)個多世紀。該方(fang)法(fa)(fa)是(shi)簡單理論(lun)分析并帶有經驗性質的(de)設計方(fang)法(fa)(fa)，是(shi)否能(neng)可靠保(bao)證密(mi)封性能(neng)存在質疑。補充了剛度校核及(ji)與其配(pei)套的(de)ASME PCC-1《承壓范(fan)圍螺栓法(fa)(fa)蘭連接(jie)件的(de)裝配(pei)指南》，基本(ben)能(neng)夠保(bao)證工程(cheng)設計的(de)泄漏要求，因此(ci)仍被采(cai)用。
3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭外(wai)荷(he)載校核方法
ASME BPVC VIII Division 2與(yu)Division 1類似，主要區別在于：Division 1 參考(kao)ASMESection II Part D Table 1A和1B的(de)許用(yong)(yong)應力(li)(li)(li)（采用(yong)(yong)最(zui)大(da)主應力(li)(li)(li)確定）；Division 2參考(kao)Table 5A和5B的(de)許用(yong)(yong)應力(li)(li)(li)（采用(yong)(yong)變(bian)形能(neng)理論或(huo)Von Mises屈服(fu)準則的(de)確定）。Division 2考(kao)慮了由于施加(jia)在法(fa)蘭(lan)上(shang)的(de)軸向力(li)(li)(li)和彎曲力(li)(li)(li)矩而產(chan)生的(de)附加(jia)外部力(li)(li)(li)矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外荷載校核方法
此校核(he)方(fang)法源于ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，因此稱為NC 3658.3法，也稱為NC 3658.3最大屈服強度法。這個方(fang)法也是當(dang)(dang)量(liang)壓力，但只考慮了彎矩(ju)的(de)等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是關于核(he)電站部件(jian)建設(she)標準，采用此方(fang)法對法蘭泄(xie)漏進行校核(he)需(xu)要滿(man)(man)足一定的(de)要求。當(dang)(dang)下列2個條件(jian)同時滿(man)(man)足時，才(cai)能使用NC 3658.3法校核(he)法蘭泄(xie)漏：
a. 法蘭、螺(luo)栓、墊(dian)片符合ASME 1316.5中的要求；
b. 螺栓材料在100F（38℃）下的(de)許用應力(li)不小于(yu)20000psi（138 MPa）。
此方法認為管(guan)道(dao)介質內壓以及(ji)由管(guan)道(dao)變形所(suo)產(chan)生(sheng)的彎矩或扭矩都施(shi)加在螺栓上，并且假定(ding)應(ying)力都均勻分布(bu)在螺栓孔所(suo)處(chu)圓周上，如果螺栓發生(sheng)破壞，則法蘭產(chan)生(sheng)泄(xie)漏。根據ASME BPVC III-1-NC分卷第(di)3658.3節，滿足式（5.4.1）的要求。
當根(gen)據計算式得出的值小于等于時，則認為法蘭不會(hui)發(fa)生泄漏(lou)，否則認為會(hui)發(fa)生泄漏(lou)，需要采取方法（如提高法蘭磅級）解決。
當量壓力法不適用于(yu)動載(zai)荷(he)分析(xi)。
5. GB/T 20801法(fa)蘭外荷載校(xiao)核方法(fa)
GB/T 20801法蘭外荷(he)載校核列出(chu)了4種方法。
當(dang)管法(fa)蘭承受(shou)外加軸向力或外加彎矩(ju)時，可按下(xia)列方(fang)法(fa)之一評估：
a. 法(fa)蘭壓(ya)力-溫度額定值-當量壓(ya)力方法(fa)。
按(an)式（5.4.5）計算其外加軸向力(li)或外加彎矩的(de)(de)當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)p。，設(she)計壓(ya)(ya)力(li)與當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)之和(he)應(ying)不大于(yu)法蘭的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)-溫度額定值。經設(she)計者同意，設(she)計壓(ya)(ya)力(li)也可(ke)采用相(xiang)應(ying)工(gong)況下的(de)(de)最大工(gong)作壓(ya)(ya)力(li)。
b. 泰(tai)勒方(fang)(fang)法(fa)-當(dang)量壓力(li)方(fang)(fang)法(fa)、泰(tai)勒方(fang)(fang)法(fa)-當(dang)量力(li)方(fang)(fang)法(fa)、泰(tai)勒方(fang)(fang)法(fa)-修正當(dang)量力(li)方(fang)(fang)法(fa)。對于法(fa)蘭(lan)剛度，必要時還可按GB／T 17186.1的(de)規定校核法(fa)蘭(lan)剛度。
6. 法蘭外荷載校核過(guo)程
法蘭(lan)應放在(zai)受(shou)外(wai)部彎矩盡(jin)可能小的(de)地方(fang)。并不是每一處(chu)法蘭(lan)有了外(wai)加荷載都需要(yao)詳(xiang)細的(de)校核(he)。一般情況可根據管(guan)道專業設計人的(de)經驗，對(dui)下列法蘭(lan)進行(xing)詳(xiang)細的(de)外(wai)荷載校核(he)：
①. 法(fa)蘭等級在900磅及(ji)以上的高(gao)壓(ya)法(fa)蘭連(lian)接處(chu)；
②. 法(fa)蘭口徑在24＂及以上(shang)的法(fa)蘭連接處；
③. 承載(zai)高溫(wen)、劇毒(du)、易燃(ran)、易爆等流體的法蘭(lan)連接處(chu)；
④. 根據(ju)管(guan)道專(zhuan)業設(she)計人員經驗，認為需要詳細(xi)法蘭外荷載(zai)校(xiao)核處；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)認為法(fa)蘭連接處的(de)所有外部載荷均作(zuo)用(yong)在墊片(pian)上。NC 3658.3方(fang)法(fa)認為管(guan)道介(jie)質(zhi)內壓以及由管(guan)道變形(xing)所產生的(de)彎(wan)矩(ju)和扭矩(ju)都施(shi)加(jia)在螺(luo)栓上。而ASME Section VIII方(fang)法(fa)主(zhu)要是對法(fa)蘭應力(li)進行計(ji)算比對。Kellogg Peq 法(fa)輸入簡便快捷，而 ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)法(fa)需要在相關標準中查(cha)閱大量(liang)數據。Kellogg Peq法(fa)相對較保守(shou)，計(ji)算結果與(yu)(yu)現場實際情況有偏差，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)法(fa)相對更精(jing)確，與(yu)(yu)實際情況更接近(jin)。
在國內(nei)外一(yi)些大(da)型工(gong)程公司中一(yi)般(ban)結合這幾(ji)種方(fang)案按以(yi)下(xia)流程校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)法(fa)蘭(lan)泄(xie)漏，都能保證(zheng)現場實(shi)際(ji)運行(xing)過(guo)程的安(an)全穩定。首先用Peq方(fang)法(fa)（Kellogg當(dang)量壓力(li)法(fa)）校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)，如果(guo)通過(guo)，則設(she)(she)計(ji)法(fa)蘭(lan)不(bu)泄(xie)漏；若校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)不(bu)通過(guo)，再(zai)用ASME Section VIII方(fang)法(fa)校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)，通過(guo)則設(she)(she)計(ji)法(fa)蘭(lan)不(bu)泄(xie)漏，失敗(bai)就需要分析具(ju)體(ti)的原因，修改(gai)調整(zheng)后再(zai)重新校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)，直(zhi)到通過(guo)為(wei)止。僅(jin)螺栓的預緊(jin)應(ying)力(li)在不(bu)論是否有軸向力(li)和彎矩的情況下(xia)，均(jun)超出許用應(ying)力(li)值時，才使用NC3658.3方(fang)法(fa)進行(xing)校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)。見(jian)圖5.4.2所(suo)示(shi)。法(fa)蘭(lan)外荷載校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)方(fang)法(fa)詳細講述見(jian)《管(guan)(guan)(guan)道(dao)應(ying)力(li)分析與(yu)工(gong)程應(ying)用》、《工(gong)業(ye)管(guan)(guan)(guan)道(dao)配管(guan)(guan)(guan)設(she)(she)計(ji)與(yu)工(gong)程應(ying)用》兩書(shu)。
