某工程管道法蘭(lan)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(guan)道流體壓力(li)(li)工況下，螺栓荷載(zai)、墊(dian)片反力(li)(li)和介(jie)質內(nei)壓力(li)(li)的(de)合成力(li)(li)矩會(hui)(hui)引起法蘭產生(sheng)變形（轉角）而導致(zhi)密(mi)(mi)封(feng)失效。但(dan)是在(zai)工程(cheng)實際，管(guan)道運行過程(cheng)中還(huan)會(hui)(hui)受到附加外力(li)(li)及力(li)(li)矩，法蘭接頭(tou)除承受內(nei)壓外還(huan)要承受上述附加載(zai)荷。如(ru)果法蘭壓力(li)(li)等級(ji)的(de)確(que)定(ding)，僅從法蘭器材選用內(nei)壓的(de)角度考(kao)慮(lv)設(she)計往往是不夠的(de)，還(huan)需(xu)考(kao)慮(lv)設(she)備管(guan)道布置、管(guan)道應力(li)(li)等因素。工程(cheng)上法蘭密(mi)(mi)封(feng)的(de)失效常(chang)常(chang)是施(shi)工不規(gui)范(fan)或工程(cheng) 設(she)計中忽略了較(jiao)大的(de)外載(zai)荷而導致(zhi)的(de)，工程(cheng)設(she)計中應重視(shi)對法蘭外載(zai)荷的(de)校(xiao)核。

  法(fa)(fa)蘭密(mi)封(feng)面與墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)(pian)之間存在(zai)著無(wu)數很細小的(de)(de)流(liu)動通道，介(jie)質將可(ke)能通過這些細小的(de)(de)通道而(er)泄(xie)漏。密(mi)封(feng)的(de)(de)基(ji)本原理就是要使得(de)介(jie)質在(zai)流(liu)經這種細小通道時的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)降(jiang)大(da)于密(mi)封(feng)腔內、外的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)差。法(fa)(fa)蘭在(zai)力(li)(li)矩作用下(xia)，如果剛(gang)度不(bu)足，就會形(xing)成(cheng)(cheng)對墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)(pian)壓(ya)緊力(li)(li)的(de)(de)不(bu)均勻，從而(er)導致在(zai)墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)(pian)一側壓(ya)緊力(li)(li)較小不(bu)能形(xing)成(cheng)(cheng)有效密(mi)封(feng)，而(er)在(zai)墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)(pian)另一側壓(ya)力(li)(li)過大(da)導致墊(dian)(dian)片(pian)(pian)(pian)(pian)壓(ya)潰，這就引(yin)起了法(fa)(fa)蘭接(jie)頭密(mi)封(feng)的(de)(de)失(shi)效即泄(xie)漏。

  管(guan)道(dao)的(de)法(fa)蘭除承受內(nei)外(wai)(wai)壓外(wai)(wai)，還(huan)要(yao)承受管(guan)道(dao)及(ji)介(jie)質(zhi)質(zhi)量(liang)、熱膨脹、振(zhen)動等引(yin)起的(de)軸(zhou)向力(li)(li)和彎矩的(de)作用(yong)。通常法(fa)蘭的(de)設計，例如ASME B16.5沒有考慮(lv)管(guan)道(dao)外(wai)(wai)加荷載、彎矩等的(de)影響，為防止在(zai)操作條件下發生泄漏和可能出現的(de)損(sun)壞事(shi)故(gu)，必要(yao)時(shi)需(xu)要(yao)對已經選(xuan)定的(de)標(biao)準法(fa)蘭進行可靠性(xing)校核，以判斷是否需(xu)要(yao)采取進一步的(de)安全措施(shi)。法(fa)蘭外(wai)(wai)荷載校核方(fang)法(fa)有很多種(zhong)，詳細講述(shu)見《管(guan)道(dao)應力(li)(li)分析(xi)與工程應用(yong)》一書。下面僅對管(guan)道(dao)設計人(ren)員需(xu)掌握的(de)基本內(nei)容做簡述(shu)。

1. 當量(liang)壓力法(fa)［Kellogg 當量(liang)壓力法(fa)（Peq法(fa)）］

  Kellogg 當量壓力(li)(li)(li)法（equivalent pressure method）認(ren)為(wei)法蘭(lan)(lan)連(lian)接處的(de)(de)所有外(wai)(wai)部載荷均作用(yong)在(zai)(zai)(zai)墊片(pian)上(shang)，軸向(xiang)應(ying)力(li)(li)(li)應(ying)處于(yu)安全范(fan)圍內。在(zai)(zai)(zai)這個方法中(zhong)，沒有考慮螺栓力(li)(li)(li)的(de)(de)影響，作用(yong)在(zai)(zai)(zai)法蘭(lan)(lan)上(shang)的(de)(de)軸向(xiang)力(li)(li)(li)和(he)彎(wan)矩轉(zhuan)化成了當量壓力(li)(li)(li)（Peq）。將這兩個當量壓力(li)(li)(li)與設計壓力(li)(li)(li)相(xiang)加得到總的(de)(de)當量壓力(li)(li)(li)，并(bing)(bing)根(gen)據法蘭(lan)(lan)材料與ASME B16.5中(zhong)的(de)(de)壓力(li)(li)(li)-溫度(du)等(deng)級表(biao)進行對比。如(ru)果(guo)總的(de)(de)當量壓力(li)(li)(li)小于(yu)等(deng)級表(biao)中(zhong)相(xiang)應(ying)溫度(du)下的(de)(de)許用(yong)壓力(li)(li)(li)，即判定法蘭(lan)(lan)不會泄(xie)漏。此方法簡單可靠，但是(shi)過(guo)于(yu)保守。因為(wei)，外(wai)(wai)部載荷實際(ji)上(shang)并(bing)(bing)不只作用(yong)于(yu)墊片(pian)，外(wai)(wai)部載荷在(zai)(zai)(zai)墊片(pian)處產生的(de)(de)最大應(ying)力(li)(li)(li)是(shi)在(zai)(zai)(zai)最外(wai)(wai)邊沿處，而由壓力(li)(li)(li)產生的(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)是(shi)均勻分(fen)布的(de)(de)。

  如圖5.4.1所(suo)示(shi)，將由于管道(dao)所(suo)受重力和(he)熱(re)膨脹而產(chan)生的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用在(zai)法蘭上的(de)(de)(de)軸向力F和(he)彎矩(ju)M（M為作(zuo)(zuo)用在(zai)法蘭上的(de)(de)(de)合(he)力矩(ju)）轉(zhuan)換(huan)成當量壓(ya)力Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相加得(de)出總的(de)(de)(de)當量壓(ya)力P。

  將計算(suan)得到(dao)的(de)總壓(ya)(ya)力(li)P1與ASME B16.5中與法蘭材料相關的(de)對應溫度下的(de)壓(ya)(ya)力(li)進行對比。當P1小于此壓(ya)(ya)力(li)時，理論上認為法蘭不(bu)會發生(sheng)泄(xie)漏，否則，認為存在泄(xie)漏的(de)可(ke)能。

  所需(xu)數據：法蘭材料、壓力(li)等(deng)級、工作(zuo)壓力(li)、工作(zuo)溫度、墊片內直徑和有效寬(kuan)度、外(wai)部軸向力(li)和外(wai)部力(li)矩，可以在下列規范找到。

  法蘭材(cai)料(liao)：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法蘭外荷載校核方法

  ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采(cai)用(yong)的(de)法(fa)(fa)蘭(lan)設計方(fang)法(fa)(fa)是(shi)華脫爾斯法(fa)(fa)（（E-.D.Waters），沿(yan)用(yong)至今已達(da)半(ban)個(ge)多世紀(ji)。該方(fang)法(fa)(fa)是(shi)簡單理論分析并(bing)帶有(you)經(jing)驗性質(zhi)的(de)設計方(fang)法(fa)(fa)，是(shi)否能(neng)可靠(kao)保(bao)證密(mi)封(feng)性能(neng)存在質(zhi)疑。補充(chong)了剛度校核及(ji)與(yu)其配套的(de)ASME PCC-1《承壓(ya)范(fan)圍螺栓法(fa)(fa)蘭(lan)連接(jie)件的(de)裝配指南(nan)》，基本能(neng)夠保(bao)證工程設計的(de)泄漏要(yao)求，因此仍被采(cai)用(yong)。

3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭外荷載校核方法

  ASME BPVC VIII Division 2與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)(de)許用應(ying)力（采用最大主應(ying)力確定(ding)）；Division 2參考(kao)Table 5A和5B的(de)(de)許用應(ying)力（采用變(bian)形能理論(lun)或Von Mises屈服準則的(de)(de)確定(ding)）。Division 2考(kao)慮(lv)了由于施加在法(fa)蘭上的(de)(de)軸向力和彎曲力矩而產生的(de)(de)附(fu)加外部力矩。

4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外(wai)荷載校核(he)方法

  此校核(he)(he)方(fang)法(fa)(fa)源于ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第3658.3節，因此稱為NC 3658.3法(fa)(fa)，也稱為NC 3658.3最大屈服強度法(fa)(fa)。這個方(fang)法(fa)(fa)也是(shi)(shi)當量壓力(li)，但只考慮了(le)彎矩(ju)的等效壓力(li)。ASME BPVC III-I-NC卷(juan)是(shi)(shi)關于核(he)(he)電站(zhan)部件建設標準(zhun)，采用(yong)此方(fang)法(fa)(fa)對法(fa)(fa)蘭(lan)泄漏進(jin)行校核(he)(he)需要(yao)滿足一定(ding)的要(yao)求。當下(xia)列2個條件同時滿足時，才能使用(yong)NC 3658.3法(fa)(fa)校核(he)(he)法(fa)(fa)蘭(lan)泄漏：

   a. 法蘭、螺(luo)栓、墊(dian)片(pian)符(fu)合(he)ASME 1316.5中的要求；

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

  此方法(fa)認(ren)為管道介(jie)質內壓以及由管道變形所(suo)(suo)產生的彎(wan)矩或扭矩都施加在螺栓上，并且假定(ding)應(ying)力都均勻分(fen)布(bu)在螺栓孔(kong)所(suo)(suo)處圓周上，如果螺栓發生破壞，則法(fa)蘭產生泄漏(lou)。根據ASME BPVC III-1-NC分(fen)卷第3658.3節，滿(man)足式(shi)（5.4.1）的要求。

  當(dang)根據計(ji)算式得出的值小(xiao)于(yu)等于(yu)時，則認為法(fa)蘭不(bu)會發(fa)(fa)生泄漏，否(fou)則認為會發(fa)(fa)生泄漏，需要采(cai)取方法(fa)（如提高(gao)法(fa)蘭磅級(ji)）解(jie)決。

  當量壓力法(fa)不適(shi)用于動載荷分析。

5. GB/T 20801法(fa)蘭(lan)外荷(he)載校(xiao)核方法(fa)

  GB/T 20801法(fa)蘭外荷(he)載(zai)校核列出了4種方法(fa)。

  當管法蘭承受外加軸向力或外加彎矩時，可按下(xia)列(lie)方法之一評估：

  a. 法(fa)蘭壓力-溫度額(e)定值-當量壓力方法(fa)。

  按式（5.4.5）計算其(qi)外加軸向力(li)或外加彎矩的(de)當量壓力(li)p。，設(she)計壓力(li)與當量壓力(li)之和應(ying)不大(da)于法蘭的(de)壓力(li)-溫(wen)度額定值(zhi)。經設(she)計者(zhe)同意(yi)，設(she)計壓力(li)也可(ke)采用相(xiang)應(ying)工(gong)況下的(de)最大(da)工(gong)作壓力(li)。

  b. 泰勒方法-當量(liang)壓力方法、泰勒方法-當量(liang)力方法、泰勒方法-修正(zheng)當量(liang)力方法。對于法蘭(lan)剛度(du)，必要時(shi)還可按GB／T 17186.1的規定校核法蘭(lan)剛度(du)。

6. 法蘭外(wai)荷載校核過程(cheng)

  法(fa)蘭應放(fang)在受外部彎(wan)矩(ju)盡可能小的(de)(de)地方。并不是每一(yi)處法(fa)蘭有了外加荷載都需要詳細的(de)(de)校核(he)。一(yi)般(ban)情況可根據管道專業設計人的(de)(de)經驗，對下列法(fa)蘭進行詳細的(de)(de)外荷載校核(he)：

   ①. 法蘭(lan)等級在(zai)900磅及(ji)以(yi)上(shang)的高壓法蘭(lan)連接處(chu)；

   ②. 法蘭(lan)口徑在(zai)24＂及以(yi)上(shang)的法蘭(lan)連接處；

   ③. 承載高溫(wen)、劇毒、易燃(ran)、易爆等流體的法蘭(lan)連接處；

   ④. 根據(ju)管道(dao)專(zhuan)業設計人員經(jing)驗，認為需要(yao)詳細法蘭外荷載校核處；

   ⑤. 其他(ta)。

  Kellogg Peg法(fa)(fa)認(ren)為法(fa)(fa)蘭連(lian)接處的所(suo)有外部載荷均作用在(zai)墊(dian)片上。NC 3658.3方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)認(ren)為管道(dao)介質內壓以(yi)及由管道(dao)變形所(suo)產生的彎矩(ju)和(he)扭矩(ju)都施加在(zai)螺栓上。而ASME Section VIII方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)主(zhu)要是對法(fa)(fa)蘭應(ying)力進行計算(suan)比對。Kellogg Peq 法(fa)(fa)輸入簡(jian)便快捷，而 ASME Section VIII和(he)NC 3658.3方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)需要在(zai)相(xiang)關標(biao)準(zhun)中查(cha)閱大量數(shu)據。Kellogg Peq法(fa)(fa)相(xiang)對較保守，計算(suan)結(jie)果與現場實際情況有偏差，ASME Section III和(he)NC 3658.3方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)相(xiang)對更精確，與實際情況更接近。

  在國內(nei)外一些大型(xing)工程(cheng)公司中一般結合這幾種(zhong)方(fang)(fang)案按(an)以下流程(cheng)校(xiao)(xiao)核(he)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)泄漏，都能保證現場實際運行過(guo)(guo)程(cheng)的(de)安(an)全穩(wen)定。首先用Peq方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)（Kellogg當量壓(ya)力(li)(li)法(fa)(fa)(fa)）校(xiao)(xiao)核(he)，如果(guo)通過(guo)(guo)，則(ze)設計(ji)(ji)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)泄漏；若(ruo)校(xiao)(xiao)核(he)不(bu)通過(guo)(guo)，再用ASME Section VIII方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)校(xiao)(xiao)核(he)，通過(guo)(guo)則(ze)設計(ji)(ji)法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)不(bu)泄漏，失敗就需要分析具(ju)體的(de)原因，修改調整后再重新校(xiao)(xiao)核(he)，直(zhi)到(dao)通過(guo)(guo)為止(zhi)。僅螺栓的(de)預緊應力(li)(li)在不(bu)論是否(fou)有軸(zhou)向力(li)(li)和彎矩的(de)情況下，均超出許用應力(li)(li)值時，才使用NC3658.3方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)進行校(xiao)(xiao)核(he)。見圖(tu)5.4.2所示。法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)外荷載(zai)校(xiao)(xiao)核(he)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)詳細講述見《管(guan)道應力(li)(li)分析與工程(cheng)應用》、《工業管(guan)道配管(guan)設計(ji)(ji)與工程(cheng)應用》兩書。