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)單一(yi)管道流(liu)體壓力(li)(li)工(gong)況下(xia)，螺(luo)栓荷(he)載、墊片反力(li)(li)和介質內壓力(li)(li)的(de)合(he)成力(li)(li)矩會(hui)(hui)引起法(fa)蘭(lan)產生(sheng)變形（轉角）而導致密封(feng)失(shi)效。但是在(zai)工(gong)程(cheng)實際，管道運行過(guo)程(cheng)中(zhong)還會(hui)(hui)受到附加(jia)外(wai)力(li)(li)及力(li)(li)矩，法(fa)蘭(lan)接頭除承受內壓外(wai)還要承受上述附加(jia)載荷(he)。如果法(fa)蘭(lan)壓力(li)(li)等(deng)級(ji)的(de)確(que)定，僅從(cong)法(fa)蘭(lan)器材選(xuan)用內壓的(de)角度考慮設計往往是不夠(gou)的(de)，還需考慮設備管道布置、管道應(ying)力(li)(li)等(deng)因素。工(gong)程(cheng)上法(fa)蘭(lan)密封(feng)的(de)失(shi)效常常是施工(gong)不規(gui)范或工(gong)程(cheng) 設計中(zhong)忽略了(le)較大的(de)外(wai)載荷(he)而導致的(de)，工(gong)程(cheng)設計中(zhong)應(ying)重(zhong)視對法(fa)蘭(lan)外(wai)載荷(he)的(de)校核。
法(fa)蘭密(mi)封(feng)面與墊片之間存(cun)在(zai)(zai)著無數很細(xi)(xi)小的(de)(de)流動通(tong)道，介質(zhi)將(jiang)可能通(tong)過這些細(xi)(xi)小的(de)(de)通(tong)道而(er)泄(xie)(xie)漏(lou)。密(mi)封(feng)的(de)(de)基本(ben)原理(li)就(jiu)是要使得介質(zhi)在(zai)(zai)流經這種(zhong)細(xi)(xi)小通(tong)道時的(de)(de)壓(ya)力(li)降大(da)(da)于密(mi)封(feng)腔內(nei)、外的(de)(de)壓(ya)力(li)差。法(fa)蘭在(zai)(zai)力(li)矩作用下，如果剛度不足，就(jiu)會形(xing)成(cheng)對墊片壓(ya)緊力(li)的(de)(de)不均勻，從而(er)導致在(zai)(zai)墊片一側壓(ya)緊力(li)較小不能形(xing)成(cheng)有效密(mi)封(feng)，而(er)在(zai)(zai)墊片另(ling)一側壓(ya)力(li)過大(da)(da)導致墊片壓(ya)潰(kui)，這就(jiu)引(yin)起(qi)了法(fa)蘭接頭密(mi)封(feng)的(de)(de)失效即泄(xie)(xie)漏(lou)。
管(guan)(guan)道(dao)(dao)的(de)法(fa)蘭(lan)除承(cheng)受內(nei)外壓(ya)外，還要(yao)(yao)(yao)承(cheng)受管(guan)(guan)道(dao)(dao)及介質質量(liang)、熱膨脹(zhang)、振動等引起(qi)的(de)軸向力和彎(wan)(wan)矩(ju)的(de)作(zuo)用。通(tong)常法(fa)蘭(lan)的(de)設計，例如ASME B16.5沒有考慮管(guan)(guan)道(dao)(dao)外加荷載(zai)、彎(wan)(wan)矩(ju)等的(de)影(ying)響，為防止在操作(zuo)條件下發生(sheng)泄(xie)漏和可能(neng)出現的(de)損壞事故(gu)，必要(yao)(yao)(yao)時需(xu)要(yao)(yao)(yao)對已經選定的(de)標準法(fa)蘭(lan)進(jin)行可靠性校核，以判斷是否(fou)需(xu)要(yao)(yao)(yao)采取進(jin)一(yi)步的(de)安全措施。法(fa)蘭(lan)外荷載(zai)校核方法(fa)有很多(duo)種(zhong)，詳細講述見《管(guan)(guan)道(dao)(dao)應力分(fen)析(xi)與工程應用》一(yi)書。下面(mian)僅對管(guan)(guan)道(dao)(dao)設計人(ren)員需(xu)掌握的(de)基本內(nei)容做簡述。
1. 當(dang)量壓力法［Kellogg 當(dang)量壓力法（Peq法）］
Kellogg 當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa)（equivalent pressure method）認(ren)為(wei)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)連接處的所有外(wai)部載荷均(jun)作用(yong)在(zai)(zai)墊片上，軸向應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)應(ying)(ying)(ying)處于安全范圍內。在(zai)(zai)這(zhe)個方法(fa)(fa)(fa)中(zhong)，沒有考慮(lv)螺栓力(li)(li)(li)(li)的影響，作用(yong)在(zai)(zai)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)上的軸向力(li)(li)(li)(li)和彎矩轉化成了(le)當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)與設計壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)相加(jia)得到總的當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)，并根(gen)據法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)材料與ASME B16.5中(zhong)的壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)-溫(wen)度(du)等級表進行對比。如果(guo)總的當(dang)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)小于等級表中(zhong)相應(ying)(ying)(ying)溫(wen)度(du)下的許用(yong)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)，即判定法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)不(bu)會泄漏。此(ci)方法(fa)(fa)(fa)簡單可靠，但是(shi)過于保守。因為(wei)，外(wai)部載荷實際(ji)上并不(bu)只作用(yong)于墊片，外(wai)部載荷在(zai)(zai)墊片處產(chan)生的最大應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)是(shi)在(zai)(zai)最外(wai)邊沿處，而由壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)產(chan)生的應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)是(shi)均(jun)勻(yun)分(fen)布的。
如圖5.4.1所(suo)示，將由于管道所(suo)受重(zhong)力和(he)熱膨脹(zhang)而產(chan)生的(de)作(zuo)用在(zai)法蘭上(shang)的(de)軸向力F和(he)彎(wan)矩M（M為作(zuo)用在(zai)法蘭上(shang)的(de)合力矩）轉換成當(dang)量壓力Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相加得(de)出總的(de)當(dang)量壓力P。
將計算得(de)到的(de)總(zong)壓(ya)力P1與ASME B16.5中與法蘭材料(liao)相(xiang)關(guan)的(de)對(dui)應溫度下的(de)壓(ya)力進(jin)行對(dui)比。當P1小于(yu)此壓(ya)力時，理論(lun)上認(ren)為(wei)法蘭不會發生泄漏，否則，認(ren)為(wei)存在(zai)泄漏的(de)可能。
所需數據：法蘭材料、壓(ya)力等級、工作壓(ya)力、工作溫度(du)、墊片內(nei)直(zhi)徑和(he)有效(xiao)寬度(du)、外部軸向力和(he)外部力矩，可以在下列規(gui)范找到(dao)。
法蘭材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫(wen)壓曲(qu)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(chi)寸：ASME B16.20，ASME B16.21。
2. ASME Section VIII Division 1法(fa)(fa)蘭外荷(he)載校核(he)方(fang)法(fa)(fa)
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所(suo)采(cai)用的(de)法蘭設計(ji)方法是華(hua)脫(tuo)爾(er)斯(si)法（（E-.D.Waters），沿用至今已達(da)半個多世紀。該方法是簡單理論分析并帶有經(jing)驗(yan)性質的(de)設計(ji)方法，是否能可靠保證(zheng)密封(feng)性能存(cun)在(zai)質疑。補充了剛度校核(he)及(ji)與(yu)其配套的(de)ASME PCC-1《承壓范(fan)圍螺(luo)栓(shuan)法蘭連接件的(de)裝配指南》，基本(ben)能夠保證(zheng)工(gong)程設計(ji)的(de)泄漏(lou)要(yao)求，因(yin)此仍被采(cai)用。
3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭(lan)外荷載(zai)校核方法
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類似，主(zhu)要(yao)區別在于：Division 1 參考ASMESection II Part D Table 1A和1B的許用應力(li)(li)（采用最大主(zhu)應力(li)(li)確定）；Division 2參考Table 5A和5B的許用應力(li)(li)（采用變形能(neng)理論或Von Mises屈服(fu)準(zhun)則的確定）。Division 2考慮了由于施(shi)加在法蘭上的軸向力(li)(li)和彎曲力(li)(li)矩(ju)(ju)而(er)產生的附加外(wai)部力(li)(li)矩(ju)(ju)。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外荷載校核方(fang)法
此校核方(fang)法(fa)(fa)源于ASME BPVC III-1-NC分卷第(di)3658.3節，因此稱為(wei)NC 3658.3法(fa)(fa)，也(ye)稱為(wei)NC 3658.3最大屈(qu)服(fu)強(qiang)度法(fa)(fa)。這個方(fang)法(fa)(fa)也(ye)是(shi)當(dang)(dang)量(liang)壓力，但只考慮(lv)了彎矩的(de)等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是(shi)關于核電站部件(jian)建(jian)設(she)標準，采用此方(fang)法(fa)(fa)對法(fa)(fa)蘭泄(xie)漏進(jin)行校核需(xu)要(yao)滿(man)足(zu)一定的(de)要(yao)求。當(dang)(dang)下列2個條(tiao)件(jian)同時滿(man)足(zu)時，才能(neng)使用NC 3658.3法(fa)(fa)校核法(fa)(fa)蘭泄(xie)漏：
a. 法(fa)蘭、螺(luo)栓、墊片(pian)符(fu)合ASME 1316.5中的要求(qiu)；
b. 螺栓(shuan)材料在(zai)100F（38℃）下(xia)的許用應力(li)不(bu)小于20000psi（138 MPa）。
此方法認(ren)為管道(dao)介質內壓(ya)以及由管道(dao)變形所(suo)產(chan)生的彎矩(ju)或扭矩(ju)都(dou)施加(jia)在螺栓(shuan)上(shang)，并且假定應力(li)都(dou)均勻分布在螺栓(shuan)孔(kong)所(suo)處圓周上(shang)，如果螺栓(shuan)發生破壞，則(ze)法蘭產(chan)生泄漏(lou)。根(gen)據ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第3658.3節，滿足式(shi)（5.4.1）的要求。
當根據計算(suan)式得出(chu)的(de)值小于等于時，則認(ren)為法(fa)(fa)蘭不會發(fa)生泄漏，否則認(ren)為會發(fa)生泄漏，需要采取方法(fa)(fa)（如提高(gao)法(fa)(fa)蘭磅級）解決(jue)。
當量(liang)壓力法(fa)不適用于動載(zai)荷分(fen)析。
5. GB/T 20801法蘭外荷載校核方法
GB/T 20801法蘭外荷載(zai)校核列(lie)出(chu)了4種方法。
當(dang)管法蘭承受外(wai)加(jia)軸向力或外(wai)加(jia)彎矩時，可按下列方(fang)法之一評估(gu)：
a. 法(fa)蘭壓(ya)力(li)-溫(wen)度額定值-當量壓(ya)力(li)方法(fa)。
按式(shi)（5.4.5）計(ji)算其外(wai)加軸向力(li)(li)(li)或外(wai)加彎矩的(de)當量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)p。，設計(ji)壓(ya)力(li)(li)(li)與當量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)之和應不大于法蘭的(de)壓(ya)力(li)(li)(li)-溫度(du)額定值。經設計(ji)者(zhe)同意，設計(ji)壓(ya)力(li)(li)(li)也可采用相應工況下(xia)的(de)最大工作壓(ya)力(li)(li)(li)。
b. 泰(tai)勒方(fang)法-當(dang)量(liang)壓力(li)方(fang)法、泰(tai)勒方(fang)法-當(dang)量(liang)力(li)方(fang)法、泰(tai)勒方(fang)法-修正當(dang)量(liang)力(li)方(fang)法。對于(yu)法蘭(lan)剛度(du)，必要時還可按(an)GB／T 17186.1的規定校核法蘭(lan)剛度(du)。
6. 法蘭外(wai)荷載(zai)校(xiao)核過程
法(fa)蘭(lan)應放在(zai)受外(wai)部彎矩盡可(ke)能小的(de)地方。并不是每一處法(fa)蘭(lan)有了外(wai)加(jia)荷載都(dou)需(xu)要詳細的(de)校(xiao)核。一般情況(kuang)可(ke)根據管道專業設計(ji)人的(de)經驗，對下列法(fa)蘭(lan)進(jin)行詳細的(de)外(wai)荷載校(xiao)核：
①. 法(fa)蘭(lan)等(deng)級在900磅及以(yi)上(shang)的高壓法(fa)蘭(lan)連接處；
②. 法蘭口(kou)徑(jing)在24＂及以(yi)上的法蘭連接處；
③. 承載高溫、劇毒、易燃、易爆等流體(ti)的法蘭連(lian)接處；
④. 根據管道專業設計(ji)人員(yuan)經驗，認為需要(yao)詳細(xi)法蘭外荷載校核處；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)認為法(fa)蘭(lan)連接處的所(suo)有外(wai)部載荷均作(zuo)用(yong)在(zai)墊片上。NC 3658.3方(fang)法(fa)認為管道(dao)介質內壓以(yi)及由管道(dao)變形所(suo)產生的彎矩和扭矩都施加在(zai)螺栓(shuan)上。而(er)ASME Section VIII方(fang)法(fa)主(zhu)要是對法(fa)蘭(lan)應力(li)進(jin)行計(ji)算比(bi)對。Kellogg Peq 法(fa)輸入簡便(bian)快捷，而(er) ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)法(fa)需(xu)要在(zai)相關標準中(zhong)查閱(yue)大(da)量數據(ju)。Kellogg Peq法(fa)相對較保守，計(ji)算結果與(yu)現場實際情(qing)況(kuang)有偏差，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)法(fa)相對更(geng)精確，與(yu)實際情(qing)況(kuang)更(geng)接近(jin)。
在(zai)國內(nei)外一些大型(xing)工(gong)程(cheng)公(gong)司中(zhong)一般結合這幾種方(fang)案按以下流程(cheng)校(xiao)核(he)(he)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)泄(xie)漏(lou)，都能保證現場(chang)實際運行過(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)的安全穩定(ding)。首先用Peq方(fang)法(fa)(fa)(fa)（Kellogg當量壓力(li)法(fa)(fa)(fa)）校(xiao)核(he)(he)，如果通過(guo)(guo)(guo)(guo)，則設(she)計(ji)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)不(bu)泄(xie)漏(lou)；若校(xiao)核(he)(he)不(bu)通過(guo)(guo)(guo)(guo)，再用ASME Section VIII方(fang)法(fa)(fa)(fa)校(xiao)核(he)(he)，通過(guo)(guo)(guo)(guo)則設(she)計(ji)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)不(bu)泄(xie)漏(lou)，失敗就需要(yao)分析(xi)具體的原因，修改(gai)調整后再重新(xin)校(xiao)核(he)(he)，直到通過(guo)(guo)(guo)(guo)為(wei)止。僅螺栓的預(yu)緊應力(li)在(zai)不(bu)論是(shi)否有軸向力(li)和彎矩的情況(kuang)下，均超出(chu)許用應力(li)值時，才使用NC3658.3方(fang)法(fa)(fa)(fa)進(jin)行校(xiao)核(he)(he)。見圖5.4.2所示。法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)外荷載(zai)校(xiao)核(he)(he)方(fang)法(fa)(fa)(fa)詳細(xi)講述(shu)見《管道(dao)應力(li)分析(xi)與工(gong)程(cheng)應用》、《工(gong)業管道(dao)配(pei)管設(she)計(ji)與工(gong)程(cheng)應用》兩書(shu)。
