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(zai)單(dan)一管道(dao)流體(ti)壓力(li)(li)(li)工(gong)(gong)(gong)況下，螺栓荷(he)載(zai)(zai)(zai)、墊片反力(li)(li)(li)和(he)介質內壓力(li)(li)(li)的(de)合成力(li)(li)(li)矩(ju)(ju)會引起(qi)法(fa)蘭(lan)(lan)產(chan)生變形（轉角(jiao)）而導致(zhi)密封(feng)失(shi)效。但是(shi)(shi)在(zai)工(gong)(gong)(gong)程實際(ji)，管道(dao)運行過程中(zhong)還(huan)會受到附(fu)(fu)加(jia)外(wai)(wai)力(li)(li)(li)及力(li)(li)(li)矩(ju)(ju)，法(fa)蘭(lan)(lan)接頭除承(cheng)受內壓外(wai)(wai)還(huan)要承(cheng)受上述(shu)附(fu)(fu)加(jia)載(zai)(zai)(zai)荷(he)。如(ru)果法(fa)蘭(lan)(lan)壓力(li)(li)(li)等級的(de)確定，僅從法(fa)蘭(lan)(lan)器材選用內壓的(de)角(jiao)度(du)考(kao)慮(lv)設(she)計(ji)往(wang)往(wang)是(shi)(shi)不夠的(de)，還(huan)需(xu)考(kao)慮(lv)設(she)備管道(dao)布置(zhi)、管道(dao)應(ying)力(li)(li)(li)等因素。工(gong)(gong)(gong)程上法(fa)蘭(lan)(lan)密封(feng)的(de)失(shi)效常常是(shi)(shi)施工(gong)(gong)(gong)不規(gui)范或工(gong)(gong)(gong)程 設(she)計(ji)中(zhong)忽略了較大的(de)外(wai)(wai)載(zai)(zai)(zai)荷(he)而導致(zhi)的(de)，工(gong)(gong)(gong)程設(she)計(ji)中(zhong)應(ying)重視對法(fa)蘭(lan)(lan)外(wai)(wai)載(zai)(zai)(zai)荷(he)的(de)校核。
法蘭(lan)密封面與墊(dian)(dian)片之(zhi)間存在(zai)(zai)著無(wu)數很細小(xiao)(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)流(liu)動通(tong)道(dao)，介質將可能(neng)通(tong)過(guo)這(zhe)些細小(xiao)(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)通(tong)道(dao)而(er)泄(xie)漏(lou)。密封的(de)(de)(de)基本(ben)原(yuan)理就(jiu)是要使得介質在(zai)(zai)流(liu)經這(zhe)種(zhong)細小(xiao)(xiao)(xiao)通(tong)道(dao)時的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)降大于密封腔內、外的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)差。法蘭(lan)在(zai)(zai)力(li)矩(ju)作用(yong)下，如果剛度不(bu)足，就(jiu)會形成(cheng)對(dui)墊(dian)(dian)片壓(ya)(ya)緊力(li)的(de)(de)(de)不(bu)均勻，從而(er)導致在(zai)(zai)墊(dian)(dian)片一(yi)側壓(ya)(ya)緊力(li)較小(xiao)(xiao)(xiao)不(bu)能(neng)形成(cheng)有效密封，而(er)在(zai)(zai)墊(dian)(dian)片另一(yi)側壓(ya)(ya)力(li)過(guo)大導致墊(dian)(dian)片壓(ya)(ya)潰(kui)，這(zhe)就(jiu)引起(qi)了法蘭(lan)接頭密封的(de)(de)(de)失效即泄(xie)漏(lou)。
管(guan)(guan)(guan)道(dao)的(de)(de)法(fa)蘭(lan)(lan)除承受內(nei)外壓外，還要(yao)承受管(guan)(guan)(guan)道(dao)及(ji)介質(zhi)質(zhi)量、熱膨脹、振動等引起的(de)(de)軸向力和彎矩(ju)的(de)(de)作用。通常法(fa)蘭(lan)(lan)的(de)(de)設計，例如ASME B16.5沒有考慮管(guan)(guan)(guan)道(dao)外加(jia)荷載、彎矩(ju)等的(de)(de)影響(xiang)，為防止在操作條件下發(fa)生泄(xie)漏和可能出現(xian)的(de)(de)損壞事故，必要(yao)時需(xu)要(yao)對已經選(xuan)定的(de)(de)標準法(fa)蘭(lan)(lan)進行(xing)可靠(kao)性校核(he)，以判斷是否(fou)需(xu)要(yao)采取進一(yi)步的(de)(de)安全措施。法(fa)蘭(lan)(lan)外荷載校核(he)方(fang)法(fa)有很多種，詳細(xi)講述見(jian)《管(guan)(guan)(guan)道(dao)應(ying)力分析與(yu)工程應(ying)用》一(yi)書。下面(mian)僅對管(guan)(guan)(guan)道(dao)設計人員需(xu)掌(zhang)握的(de)(de)基本(ben)內(nei)容做簡述。
1. 當量壓力(li)法(fa)(fa)［Kellogg 當量壓力(li)法(fa)(fa)（Peq法(fa)(fa)）］
Kellogg 當量(liang)壓(ya)(ya)力(li)法(fa)(fa)(fa)（equivalent pressure method）認(ren)為法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)連接處(chu)的所有外(wai)部載(zai)荷(he)均作用(yong)(yong)在(zai)(zai)墊片(pian)上(shang)，軸向應力(li)應處(chu)于安全范(fan)圍內。在(zai)(zai)這(zhe)個方法(fa)(fa)(fa)中(zhong)，沒有考(kao)慮螺栓力(li)的影響(xiang)，作用(yong)(yong)在(zai)(zai)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)上(shang)的軸向力(li)和彎矩轉化成(cheng)了當量(liang)壓(ya)(ya)力(li)（Peq）。將這(zhe)兩(liang)個當量(liang)壓(ya)(ya)力(li)與設計壓(ya)(ya)力(li)相(xiang)加得到總的當量(liang)壓(ya)(ya)力(li)，并根據法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)材料與ASME B16.5中(zhong)的壓(ya)(ya)力(li)-溫度(du)等級表進行(xing)對比。如果總的當量(liang)壓(ya)(ya)力(li)小(xiao)于等級表中(zhong)相(xiang)應溫度(du)下的許用(yong)(yong)壓(ya)(ya)力(li)，即判定法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)不會泄漏(lou)。此(ci)方法(fa)(fa)(fa)簡(jian)單可(ke)靠，但是(shi)過于保守。因為，外(wai)部載(zai)荷(he)實(shi)際(ji)上(shang)并不只作用(yong)(yong)于墊片(pian)，外(wai)部載(zai)荷(he)在(zai)(zai)墊片(pian)處(chu)產生的最大(da)應力(li)是(shi)在(zai)(zai)最外(wai)邊沿處(chu)，而由壓(ya)(ya)力(li)產生的應力(li)是(shi)均勻(yun)分(fen)布的。
如圖5.4.1所(suo)示，將由于管道所(suo)受重力(li)和(he)(he)熱膨(peng)脹(zhang)而產生的作用(yong)在法蘭上的軸向(xiang)力(li)F和(he)(he)彎矩M（M為作用(yong)在法蘭上的合(he)力(li)矩）轉換成當(dang)(dang)量壓(ya)力(li)Pel和(he)(he)Po2,Pe1和(he)(he)Pe2相加得出總(zong)的當(dang)(dang)量壓(ya)力(li)P。
將計算得(de)到的(de)(de)總(zong)壓力P1與(yu)ASME B16.5中與(yu)法(fa)蘭材料相關的(de)(de)對應溫度(du)下(xia)的(de)(de)壓力進行對比。當P1小于此壓力時，理論(lun)上認(ren)為法(fa)蘭不(bu)會發生泄漏，否則(ze)，認(ren)為存在泄漏的(de)(de)可能。
所需(xu)數據：法蘭材(cai)料、壓力(li)(li)等級、工作(zuo)壓力(li)(li)、工作(zuo)溫度、墊片(pian)內直(zhi)徑和有效寬(kuan)度、外(wai)部軸向力(li)(li)和外(wai)部力(li)(li)矩，可以在下列規范(fan)找到(dao)。
法蘭(lan)材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫壓(ya)曲線：ASME B16.5 Table 2，ASME B16.47 Table 3～Table 27。
墊(dian)片材料(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)蘭(lan)外荷(he)載校(xiao)核方法(fa)
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采(cai)用的法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)設(she)計方法(fa)(fa)(fa)是華脫爾斯法(fa)(fa)(fa)（（E-.D.Waters），沿(yan)用至今已達(da)半個多世紀。該(gai)方法(fa)(fa)(fa)是簡單(dan)理論分析(xi)并帶(dai)有(you)經驗性質(zhi)的設(she)計方法(fa)(fa)(fa)，是否能可靠保(bao)證密封性能存在質(zhi)疑。補充了剛度(du)校核及與其配(pei)套的ASME PCC-1《承壓范圍螺(luo)栓(shuan)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)連接件的裝配(pei)指南》，基本能夠(gou)保(bao)證工程設(she)計的泄漏要求，因此仍(reng)被采(cai)用。
3. ASME BPVC VIII Division 2法(fa)蘭外荷載校核方法(fa)
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類似，主要區別在于：Division 1 參考ASMESection II Part D Table 1A和1B的(de)許用(yong)應(ying)力(li)（采(cai)用(yong)最大(da)主應(ying)力(li)確(que)定(ding)）；Division 2參考Table 5A和5B的(de)許用(yong)應(ying)力(li)（采(cai)用(yong)變(bian)形能理(li)論或Von Mises屈服(fu)準(zhun)則(ze)的(de)確(que)定(ding)）。Division 2考慮(lv)了(le)由(you)于施加(jia)在法蘭上的(de)軸向(xiang)力(li)和彎曲力(li)矩而產生的(de)附加(jia)外(wai)部力(li)矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法(fa)(fa)蘭外荷載校(xiao)核方(fang)法(fa)(fa)
此校核(he)方(fang)法(fa)(fa)(fa)源于ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，因此稱為(wei)NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)，也稱為(wei)NC 3658.3最大屈服(fu)強度法(fa)(fa)(fa)。這個方(fang)法(fa)(fa)(fa)也是(shi)當量壓力，但只考(kao)慮了(le)彎矩(ju)的(de)等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是(shi)關于核(he)電站部(bu)件建設標準，采用此方(fang)法(fa)(fa)(fa)對法(fa)(fa)(fa)蘭泄漏進行校核(he)需要滿足一定的(de)要求。當下列2個條件同時滿足時，才能使用NC 3658.3法(fa)(fa)(fa)校核(he)法(fa)(fa)(fa)蘭泄漏：
a. 法蘭、螺(luo)栓、墊片符(fu)合ASME 1316.5中的要求；
b. 螺栓材料在100F（38℃）下的(de)許用(yong)應力不(bu)小于20000psi（138 MPa）。
此方法認為(wei)管道介質(zhi)內(nei)壓(ya)以及由管道變形(xing)所產(chan)生的彎矩或扭矩都施加(jia)在(zai)螺栓(shuan)上，并且假定(ding)應力都均勻(yun)分布(bu)在(zai)螺栓(shuan)孔(kong)所處圓周上，如果螺栓(shuan)發(fa)生破壞，則法蘭產(chan)生泄漏。根據(ju)ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節，滿足式（5.4.1）的要求。
當根(gen)據計算式得出的值小(xiao)于等于時(shi)，則(ze)(ze)認(ren)為法(fa)蘭不會發生泄(xie)漏(lou)，否則(ze)(ze)認(ren)為會發生泄(xie)漏(lou)，需(xu)要采取方法(fa)（如提高法(fa)蘭磅級）解決。
當量壓力法不適用于動載荷(he)分析。
5. GB/T 20801法蘭(lan)外荷載校核方法
GB/T 20801法(fa)蘭(lan)外荷載校核列出了4種(zhong)方法(fa)。
當管法(fa)(fa)蘭承受(shou)外(wai)加(jia)軸向力或(huo)外(wai)加(jia)彎矩(ju)時，可按下列(lie)方(fang)法(fa)(fa)之一評估(gu)：
a. 法蘭(lan)壓(ya)力-溫度額定值(zhi)-當量壓(ya)力方法。
按式（5.4.5）計(ji)算其外加(jia)軸(zhou)向力(li)或外加(jia)彎矩(ju)的當(dang)量(liang)壓力(li)p。，設計(ji)壓力(li)與(yu)當(dang)量(liang)壓力(li)之和應(ying)不大(da)于法蘭的壓力(li)-溫度(du)額定值(zhi)。經設計(ji)者(zhe)同(tong)意，設計(ji)壓力(li)也可采(cai)用(yong)相應(ying)工況下的最(zui)大(da)工作壓力(li)。
b. 泰(tai)勒方(fang)法(fa)-當量(liang)壓力(li)方(fang)法(fa)、泰(tai)勒方(fang)法(fa)-當量(liang)力(li)方(fang)法(fa)、泰(tai)勒方(fang)法(fa)-修正當量(liang)力(li)方(fang)法(fa)。對(dui)于法(fa)蘭(lan)剛度(du)，必要時還可按GB／T 17186.1的(de)規定校(xiao)核法(fa)蘭(lan)剛度(du)。
6. 法(fa)蘭外荷載校(xiao)核過程
法蘭應放在受(shou)外部彎矩盡(jin)可能小(xiao)的地(di)方(fang)。并不是每一處法蘭有(you)了外加荷載都(dou)需(xu)要詳細的校(xiao)核(he)。一般情況可根據管道(dao)專業設計人(ren)的經驗，對下(xia)列法蘭進行詳細的外荷載校(xiao)核(he)：
①. 法蘭(lan)等級在(zai)900磅及(ji)以(yi)上(shang)的高(gao)壓法蘭(lan)連(lian)接處；
②. 法蘭口(kou)徑(jing)在(zai)24＂及以上的法蘭連接處；
③. 承(cheng)載高(gao)溫、劇毒、易(yi)燃、易(yi)爆(bao)等(deng)流體的法蘭連接處；
④. 根據管道專業設計人員經(jing)驗，認為需(xu)要詳細法蘭外荷載校(xiao)核處(chu)；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)認(ren)為法(fa)蘭連接處(chu)的所有外部(bu)載荷均作(zuo)用在(zai)墊(dian)片上。NC 3658.3方(fang)法(fa)認(ren)為管道介(jie)質內壓以及(ji)由管道變形所產生的彎矩(ju)和扭矩(ju)都(dou)施加在(zai)螺栓上。而ASME Section VIII方(fang)法(fa)主要是(shi)對(dui)法(fa)蘭應(ying)力進行(xing)計(ji)算比對(dui)。Kellogg Peq 法(fa)輸(shu)入(ru)簡便快捷，而 ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)法(fa)需要在(zai)相關(guan)標(biao)準(zhun)中查閱大量(liang)數(shu)據(ju)。Kellogg Peq法(fa)相對(dui)較(jiao)保守，計(ji)算結果與現場實際(ji)情況有偏差(cha)，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)法(fa)相對(dui)更(geng)精(jing)確，與實際(ji)情況更(geng)接近。
在國內外(wai)一些(xie)大(da)型工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)公司中一般結(jie)合這幾種方案按以下流程(cheng)(cheng)校(xiao)核法(fa)蘭泄(xie)(xie)(xie)漏，都(dou)能保證現場實(shi)際運行(xing)過程(cheng)(cheng)的(de)(de)安全穩定(ding)。首(shou)先(xian)用(yong)(yong)(yong)Peq方法(fa)（Kellogg當量(liang)壓力法(fa)）校(xiao)核，如果通(tong)過，則設(she)(she)(she)計法(fa)蘭不(bu)泄(xie)(xie)(xie)漏；若校(xiao)核不(bu)通(tong)過，再用(yong)(yong)(yong)ASME Section VIII方法(fa)校(xiao)核，通(tong)過則設(she)(she)(she)計法(fa)蘭不(bu)泄(xie)(xie)(xie)漏，失敗就需要分析具體的(de)(de)原因(yin)，修改調整(zheng)后再重(zhong)新校(xiao)核，直到通(tong)過為止。僅螺(luo)栓的(de)(de)預緊應力在不(bu)論是否有軸向力和彎矩的(de)(de)情況下，均超出許(xu)用(yong)(yong)(yong)應力值時，才(cai)使用(yong)(yong)(yong)NC3658.3方法(fa)進行(xing)校(xiao)核。見圖5.4.2所示。法(fa)蘭外(wai)荷載校(xiao)核方法(fa)詳細講述(shu)見《管道應力分析與工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)應用(yong)(yong)(yong)》、《工(gong)(gong)業管道配管設(she)(she)(she)計與工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)應用(yong)(yong)(yong)》兩(liang)書。
