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。
在單一管道(dao)流(liu)體壓(ya)力(li)工(gong)況下，螺栓荷(he)載(zai)、墊片反力(li)和(he)介質(zhi)內(nei)(nei)壓(ya)力(li)的(de)合(he)成(cheng)力(li)矩(ju)會(hui)引起法(fa)蘭(lan)產生變形（轉角）而導致(zhi)密(mi)封失效。但是(shi)在工(gong)程(cheng)實際，管道(dao)運(yun)行過程(cheng)中(zhong)還(huan)(huan)會(hui)受到附加外(wai)力(li)及力(li)矩(ju)，法(fa)蘭(lan)接頭除(chu)承受內(nei)(nei)壓(ya)外(wai)還(huan)(huan)要承受上述附加載(zai)荷(he)。如果法(fa)蘭(lan)壓(ya)力(li)等級(ji)的(de)確(que)定，僅從(cong)法(fa)蘭(lan)器材(cai)選用內(nei)(nei)壓(ya)的(de)角度考慮設(she)計(ji)(ji)往(wang)往(wang)是(shi)不夠(gou)的(de)，還(huan)(huan)需考慮設(she)備管道(dao)布置、管道(dao)應(ying)力(li)等因素。工(gong)程(cheng)上法(fa)蘭(lan)密(mi)封的(de)失效常(chang)常(chang)是(shi)施(shi)工(gong)不規范或工(gong)程(cheng) 設(she)計(ji)(ji)中(zhong)忽略了較大的(de)外(wai)載(zai)荷(he)而導致(zhi)的(de)，工(gong)程(cheng)設(she)計(ji)(ji)中(zhong)應(ying)重視對法(fa)蘭(lan)外(wai)載(zai)荷(he)的(de)校核(he)。
法蘭(lan)密封(feng)(feng)(feng)面與墊(dian)(dian)片(pian)(pian)之間(jian)存在(zai)(zai)著無數很細小(xiao)的(de)(de)(de)流(liu)動(dong)通道，介質將可能通過(guo)這些(xie)細小(xiao)的(de)(de)(de)通道而泄(xie)漏。密封(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)基本原(yuan)理就(jiu)(jiu)是要使得(de)介質在(zai)(zai)流(liu)經這種細小(xiao)通道時的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)降大于密封(feng)(feng)(feng)腔(qiang)內、外的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)差。法蘭(lan)在(zai)(zai)力(li)(li)矩作用下，如果剛度不(bu)足，就(jiu)(jiu)會形成對墊(dian)(dian)片(pian)(pian)壓(ya)緊力(li)(li)的(de)(de)(de)不(bu)均勻，從(cong)而導(dao)致在(zai)(zai)墊(dian)(dian)片(pian)(pian)一(yi)側(ce)壓(ya)緊力(li)(li)較小(xiao)不(bu)能形成有效(xiao)密封(feng)(feng)(feng)，而在(zai)(zai)墊(dian)(dian)片(pian)(pian)另(ling)一(yi)側(ce)壓(ya)力(li)(li)過(guo)大導(dao)致墊(dian)(dian)片(pian)(pian)壓(ya)潰(kui)，這就(jiu)(jiu)引起了法蘭(lan)接頭(tou)密封(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)失效(xiao)即(ji)泄(xie)漏。
管(guan)道(dao)的(de)(de)法(fa)蘭除承(cheng)受內(nei)外(wai)壓(ya)外(wai)，還要承(cheng)受管(guan)道(dao)及介質(zhi)(zhi)質(zhi)(zhi)量(liang)、熱膨脹、振動(dong)等引(yin)起(qi)的(de)(de)軸向力和彎矩的(de)(de)作用(yong)(yong)。通常法(fa)蘭的(de)(de)設計(ji)，例(li)如ASME B16.5沒有(you)考慮(lv)管(guan)道(dao)外(wai)加荷載(zai)、彎矩等的(de)(de)影響(xiang)，為防止(zhi)在操作條(tiao)件下發生泄漏(lou)和可(ke)能出(chu)現(xian)的(de)(de)損(sun)壞事故，必(bi)要時需要對(dui)已經選(xuan)定(ding)的(de)(de)標準(zhun)法(fa)蘭進行可(ke)靠性校(xiao)核(he)，以(yi)判斷是否需要采取進一(yi)步(bu)的(de)(de)安全措(cuo)施。法(fa)蘭外(wai)荷載(zai)校(xiao)核(he)方法(fa)有(you)很(hen)多(duo)種，詳細講(jiang)述見《管(guan)道(dao)應(ying)力分析(xi)與工程應(ying)用(yong)(yong)》一(yi)書。下面(mian)僅對(dui)管(guan)道(dao)設計(ji)人員(yuan)需掌握的(de)(de)基本(ben)內(nei)容做(zuo)簡(jian)述。
1. 當(dang)量壓力法［Kellogg 當(dang)量壓力法（Peq法）］
Kellogg 當(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)法(fa)（equivalent pressure method）認為(wei)法(fa)蘭(lan)(lan)連接處的(de)(de)(de)所有外部(bu)載(zai)荷(he)均作用(yong)(yong)(yong)在墊(dian)片上，軸向應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)應(ying)(ying)(ying)處于安全范圍(wei)內。在這(zhe)個(ge)方(fang)法(fa)中(zhong)，沒(mei)有考(kao)慮螺栓力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)影響，作用(yong)(yong)(yong)在法(fa)蘭(lan)(lan)上的(de)(de)(de)軸向力(li)(li)(li)(li)(li)和彎矩轉化(hua)成了當(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個(ge)當(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)與(yu)設計壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)相加得到總的(de)(de)(de)當(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)，并(bing)(bing)根據法(fa)蘭(lan)(lan)材料(liao)與(yu)ASME B16.5中(zhong)的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)-溫度(du)等(deng)級表(biao)進(jin)行對(dui)比。如(ru)果總的(de)(de)(de)當(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)小于等(deng)級表(biao)中(zhong)相應(ying)(ying)(ying)溫度(du)下(xia)的(de)(de)(de)許(xu)用(yong)(yong)(yong)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)，即判定法(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)會泄漏。此方(fang)法(fa)簡單(dan)可(ke)靠，但是(shi)(shi)過于保(bao)守。因為(wei)，外部(bu)載(zai)荷(he)實際上并(bing)(bing)不(bu)只作用(yong)(yong)(yong)于墊(dian)片，外部(bu)載(zai)荷(he)在墊(dian)片處產生的(de)(de)(de)最(zui)大(da)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)在最(zui)外邊沿處，而由(you)壓(ya)力(li)(li)(li)(li)(li)產生的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)均勻分(fen)布的(de)(de)(de)。
如(ru)圖(tu)5.4.1所示，將由(you)于(yu)管(guan)道所受重力(li)和(he)(he)熱膨脹而產生的(de)作用(yong)在法(fa)蘭(lan)上的(de)軸向力(li)F和(he)(he)彎矩(ju)(ju)M（M為作用(yong)在法(fa)蘭(lan)上的(de)合力(li)矩(ju)(ju)）轉換成當(dang)量壓力(li)Pel和(he)(he)Po2,Pe1和(he)(he)Pe2相加得出總(zong)的(de)當(dang)量壓力(li)P。
將(jiang)計算得到的(de)總壓(ya)(ya)力P1與(yu)ASME B16.5中與(yu)法(fa)蘭(lan)材料(liao)相關的(de)對應溫(wen)度下的(de)壓(ya)(ya)力進行對比。當P1小于此壓(ya)(ya)力時(shi)，理(li)論上認(ren)為法(fa)蘭(lan)不會發生泄漏，否則，認(ren)為存(cun)在泄漏的(de)可能。
所需數(shu)據：法蘭材料、壓(ya)力(li)等(deng)級、工(gong)作壓(ya)力(li)、工(gong)作溫度(du)、墊(dian)片內(nei)直徑(jing)和(he)有效寬(kuan)度(du)、外(wai)部軸(zhou)向力(li)和(he)外(wai)部力(li)矩，可以在下(xia)列規(gui)范(fan)找到。
法蘭材(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(dian)片材料：ASME B16.5 NONMANDATORY APPENDIX B，ASME B16.47 Table B-1。
墊片(pian)尺寸(cun)：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(suo)采用的法(fa)蘭設(she)計方法(fa)是華(hua)脫爾(er)斯法(fa)（（E-.D.Waters），沿(yan)用至今已達半個(ge)多(duo)世(shi)紀。該(gai)方法(fa)是簡單理(li)論分析(xi)并帶有經驗性(xing)質(zhi)的設(she)計方法(fa)，是否能可靠保(bao)證密封性(xing)能存在(zai)質(zhi)疑。補充了剛(gang)度(du)校(xiao)核及與其配套的ASME PCC-1《承(cheng)壓范(fan)圍螺栓法(fa)蘭連接件(jian)的裝(zhuang)配指南》，基本能夠保(bao)證工程設(she)計的泄漏要(yao)求(qiu)，因此(ci)仍被(bei)采用。
3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭外(wai)荷載校核方法
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類似，主要(yao)區(qu)別(bie)在(zai)于(yu)：Division 1 參考ASMESection II Part D Table 1A和1B的(de)(de)許(xu)用應力（采用最大主應力確定(ding)）；Division 2參考Table 5A和5B的(de)(de)許(xu)用應力（采用變形能理(li)論或(huo)Von Mises屈服準則(ze)的(de)(de)確定(ding)）。Division 2考慮了由(you)于(yu)施(shi)加(jia)在(zai)法蘭上的(de)(de)軸向力和彎曲力矩而產生的(de)(de)附加(jia)外部力矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外荷載校核方法
此校(xiao)核(he)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)源于ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，因此稱為NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)，也稱為NC 3658.3最大屈服強度法(fa)(fa)(fa)。這(zhe)個方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)也是(shi)當(dang)(dang)量(liang)壓力，但只考慮了彎矩的等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是(shi)關于核(he)電站部件建(jian)設標準，采用(yong)此方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)對法(fa)(fa)(fa)蘭泄(xie)漏進行校(xiao)核(he)需要(yao)(yao)滿(man)足一定(ding)的要(yao)(yao)求。當(dang)(dang)下列2個條(tiao)件同時滿(man)足時，才能使(shi)用(yong)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(xu)用(yong)應力不小于(yu)20000psi（138 MPa）。
此(ci)方法認為管道介(jie)質內壓(ya)以及由(you)管道變形所(suo)產生(sheng)的(de)彎矩或(huo)扭矩都施加在(zai)(zai)螺栓上，并且假定應力都均勻分布(bu)在(zai)(zai)螺栓孔(kong)所(suo)處圓周上，如果(guo)螺栓發生(sheng)破壞，則法蘭產生(sheng)泄(xie)漏。根據ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，滿足式（5.4.1）的(de)要求(qiu)。
當(dang)根據計算式(shi)得出(chu)的值小于等(deng)于時，則認為法蘭不會發生(sheng)泄漏，否(fou)則認為會發生(sheng)泄漏，需要采取(qu)方法（如提高(gao)法蘭磅級）解(jie)決。
當量(liang)壓力法不適用于動載(zai)荷(he)分析。
5. GB/T 20801法(fa)蘭外(wai)荷載校核(he)方(fang)法(fa)
GB/T 20801法蘭外荷載校核(he)列出(chu)了4種方法。
當管法(fa)蘭承受外加(jia)軸向力或外加(jia)彎矩時(shi)，可按下列方法(fa)之(zhi)一(yi)評估：
a. 法蘭(lan)壓力-溫度額定(ding)值-當量壓力方(fang)法。
按(an)式(shi)（5.4.5）計(ji)算(suan)其外(wai)加軸向(xiang)力(li)(li)或(huo)外(wai)加彎矩的當(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)p。，設(she)計(ji)壓(ya)力(li)(li)與當(dang)(dang)量壓(ya)力(li)(li)之和(he)應(ying)不大于法蘭的壓(ya)力(li)(li)-溫(wen)度額定(ding)值。經設(she)計(ji)者同意，設(she)計(ji)壓(ya)力(li)(li)也可(ke)采用相應(ying)工(gong)況下的最大工(gong)作壓(ya)力(li)(li)。
b. 泰(tai)勒方(fang)法(fa)(fa)(fa)-當(dang)量壓力方(fang)法(fa)(fa)(fa)、泰(tai)勒方(fang)法(fa)(fa)(fa)-當(dang)量力方(fang)法(fa)(fa)(fa)、泰(tai)勒方(fang)法(fa)(fa)(fa)-修正當(dang)量力方(fang)法(fa)(fa)(fa)。對(dui)于法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)剛度，必(bi)要時還可(ke)按GB／T 17186.1的(de)規定校核法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)剛度。
6. 法蘭外荷載校核過程
法(fa)(fa)蘭(lan)應放在受外部彎矩盡可(ke)能小的(de)(de)地方(fang)。并不是每(mei)一處法(fa)(fa)蘭(lan)有了外加荷載(zai)都需要詳(xiang)細(xi)的(de)(de)校(xiao)核(he)。一般(ban)情況可(ke)根據管道專業(ye)設計人的(de)(de)經驗(yan)，對下列法(fa)(fa)蘭(lan)進行詳(xiang)細(xi)的(de)(de)外荷載(zai)校(xiao)核(he)：
①. 法蘭等級在900磅及(ji)以上的高(gao)壓法蘭連接處(chu)；
②. 法(fa)(fa)蘭口徑在(zai)24＂及以(yi)上的法(fa)(fa)蘭連接處；
③. 承(cheng)載高溫、劇毒、易燃、易爆等流(liu)體的法蘭連接處(chu)；
④. 根據(ju)管(guan)道(dao)專業設計人(ren)員(yuan)經驗，認為需要詳細法蘭外荷載校核處；
⑤. 其(qi)他。
Kellogg Peg法(fa)(fa)認為(wei)法(fa)(fa)蘭(lan)連接(jie)處的所有外(wai)部載(zai)荷均(jun)作用在(zai)墊片(pian)上。NC 3658.3方法(fa)(fa)認為(wei)管道介(jie)質內壓(ya)以及由管道變形所產生的彎(wan)矩(ju)(ju)和(he)扭矩(ju)(ju)都施加在(zai)螺栓上。而(er)ASME Section VIII方法(fa)(fa)主要(yao)是(shi)對法(fa)(fa)蘭(lan)應力進行(xing)計算比對。Kellogg Peq 法(fa)(fa)輸入簡(jian)便快捷，而(er) ASME Section VIII和(he)NC 3658.3方法(fa)(fa)需要(yao)在(zai)相關標(biao)準中查閱大量(liang)數據。Kellogg Peq法(fa)(fa)相對較保守，計算結果與現場實(shi)際(ji)情況有偏差，ASME Section III和(he)NC 3658.3方法(fa)(fa)相對更(geng)精確，與實(shi)際(ji)情況更(geng)接(jie)近。
在國內外(wai)(wai)一些大型(xing)工(gong)程(cheng)(cheng)公司中一般結合這幾種方案按以下(xia)流程(cheng)(cheng)校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)法(fa)(fa)蘭(lan)泄漏，都能保證現場實際運(yun)行過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的(de)安全(quan)穩定。首先用(yong)Peq方法(fa)(fa)（Kellogg當量壓力法(fa)(fa)）校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)，如果通過(guo)(guo)，則設計法(fa)(fa)蘭(lan)不泄漏；若(ruo)校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)不通過(guo)(guo)，再(zai)用(yong)ASME Section VIII方法(fa)(fa)校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)，通過(guo)(guo)則設計法(fa)(fa)蘭(lan)不泄漏，失敗就需(xu)要分(fen)析具體的(de)原因，修改調(diao)整(zheng)后再(zai)重新校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)，直到通過(guo)(guo)為(wei)止。僅(jin)螺栓的(de)預緊應(ying)力在不論是否有軸向(xiang)力和(he)彎矩的(de)情況下(xia)，均超出許用(yong)應(ying)力值時，才使用(yong)NC3658.3方法(fa)(fa)進行校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)。見圖5.4.2所(suo)示。法(fa)(fa)蘭(lan)外(wai)(wai)荷載校(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)方法(fa)(fa)詳細講述見《管(guan)道應(ying)力分(fen)析與工(gong)程(cheng)(cheng)應(ying)用(yong)》、《工(gong)業(ye)管(guan)道配(pei)管(guan)設計與工(gong)程(cheng)(cheng)應(ying)用(yong)》兩書。
