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。
在單一管(guan)道流體壓(ya)力(li)(li)(li)工(gong)況下，螺栓荷載(zai)(zai)(zai)、墊片反力(li)(li)(li)和介質(zhi)內(nei)壓(ya)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)合成力(li)(li)(li)矩(ju)會(hui)(hui)引起(qi)法(fa)蘭(lan)產生(sheng)變形（轉角(jiao)）而導致(zhi)密(mi)(mi)封(feng)失(shi)效。但是在工(gong)程實(shi)際，管(guan)道運(yun)行過程中還會(hui)(hui)受(shou)到附加外力(li)(li)(li)及力(li)(li)(li)矩(ju)，法(fa)蘭(lan)接(jie)頭除承受(shou)內(nei)壓(ya)外還要(yao)承受(shou)上(shang)述附加載(zai)(zai)(zai)荷。如果法(fa)蘭(lan)壓(ya)力(li)(li)(li)等級的(de)(de)(de)確定，僅從法(fa)蘭(lan)器材選(xuan)用內(nei)壓(ya)的(de)(de)(de)角(jiao)度考慮(lv)設計往往是不夠的(de)(de)(de)，還需考慮(lv)設備管(guan)道布置、管(guan)道應力(li)(li)(li)等因素。工(gong)程上(shang)法(fa)蘭(lan)密(mi)(mi)封(feng)的(de)(de)(de)失(shi)效常常是施工(gong)不規范或工(gong)程 設計中忽(hu)略(lve)了較大的(de)(de)(de)外載(zai)(zai)(zai)荷而導致(zhi)的(de)(de)(de)，工(gong)程設計中應重(zhong)視對法(fa)蘭(lan)外載(zai)(zai)(zai)荷的(de)(de)(de)校(xiao)核。
法(fa)蘭(lan)密(mi)封(feng)(feng)面與墊(dian)片(pian)之間存(cun)在(zai)(zai)著無(wu)數很(hen)細小(xiao)的(de)流動通道(dao)，介質將可能通過這些細小(xiao)的(de)通道(dao)而(er)(er)泄漏(lou)。密(mi)封(feng)(feng)的(de)基(ji)本(ben)原理就是要使得介質在(zai)(zai)流經這種(zhong)細小(xiao)通道(dao)時的(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)降大于密(mi)封(feng)(feng)腔內、外(wai)的(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)差。法(fa)蘭(lan)在(zai)(zai)力(li)(li)(li)矩作用下(xia)，如果剛度不足，就會形(xing)成對墊(dian)片(pian)壓(ya)(ya)緊力(li)(li)(li)的(de)不均勻，從(cong)而(er)(er)導(dao)致(zhi)在(zai)(zai)墊(dian)片(pian)一側(ce)壓(ya)(ya)緊力(li)(li)(li)較小(xiao)不能形(xing)成有效(xiao)密(mi)封(feng)(feng)，而(er)(er)在(zai)(zai)墊(dian)片(pian)另一側(ce)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)過大導(dao)致(zhi)墊(dian)片(pian)壓(ya)(ya)潰，這就引起了法(fa)蘭(lan)接頭密(mi)封(feng)(feng)的(de)失效(xiao)即泄漏(lou)。
管(guan)道(dao)的(de)法(fa)蘭(lan)(lan)除(chu)承受(shou)內外(wai)壓(ya)外(wai)，還要承受(shou)管(guan)道(dao)及介質(zhi)質(zhi)量、熱(re)膨脹、振動等引起的(de)軸向力(li)和彎矩的(de)作(zuo)用。通常法(fa)蘭(lan)(lan)的(de)設計(ji)，例(li)如ASME B16.5沒有考(kao)慮管(guan)道(dao)外(wai)加(jia)荷載、彎矩等的(de)影響(xiang)，為防止在操(cao)作(zuo)條件下(xia)(xia)發(fa)生泄(xie)漏和可能(neng)出現的(de)損壞事(shi)故，必(bi)要時需要對已經選定的(de)標準法(fa)蘭(lan)(lan)進行可靠性校核，以判斷(duan)是否需要采取進一步的(de)安(an)全措施(shi)。法(fa)蘭(lan)(lan)外(wai)荷載校核方(fang)法(fa)有很多(duo)種，詳(xiang)細講述(shu)見《管(guan)道(dao)應力(li)分(fen)析與工(gong)程應用》一書。下(xia)(xia)面僅對管(guan)道(dao)設計(ji)人員(yuan)需掌握(wo)的(de)基本內容做簡述(shu)。
1. 當量壓力法(fa)［Kellogg 當量壓力法(fa)（Peq法(fa)）］
Kellogg 當量壓(ya)力(li)(li)法(fa)（equivalent pressure method）認為(wei)法(fa)蘭(lan)連接(jie)處(chu)(chu)的(de)所有(you)外部(bu)載荷(he)(he)均作用(yong)在(zai)墊(dian)片(pian)上，軸(zhou)向應力(li)(li)應處(chu)(chu)于(yu)安(an)全范圍(wei)內。在(zai)這(zhe)個方法(fa)中，沒有(you)考(kao)慮螺栓力(li)(li)的(de)影響，作用(yong)在(zai)法(fa)蘭(lan)上的(de)軸(zhou)向力(li)(li)和彎矩(ju)轉化成(cheng)了當量壓(ya)力(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個當量壓(ya)力(li)(li)與設計壓(ya)力(li)(li)相加得到總(zong)的(de)當量壓(ya)力(li)(li)，并(bing)(bing)根據法(fa)蘭(lan)材料與ASME B16.5中的(de)壓(ya)力(li)(li)-溫(wen)度等(deng)級(ji)表(biao)進行對比。如果(guo)總(zong)的(de)當量壓(ya)力(li)(li)小于(yu)等(deng)級(ji)表(biao)中相應溫(wen)度下的(de)許用(yong)壓(ya)力(li)(li)，即判(pan)定法(fa)蘭(lan)不會泄漏(lou)。此方法(fa)簡單(dan)可靠(kao)，但(dan)是(shi)(shi)過于(yu)保守。因為(wei)，外部(bu)載荷(he)(he)實際上并(bing)(bing)不只(zhi)作用(yong)于(yu)墊(dian)片(pian)，外部(bu)載荷(he)(he)在(zai)墊(dian)片(pian)處(chu)(chu)產(chan)生(sheng)的(de)最大應力(li)(li)是(shi)(shi)在(zai)最外邊沿處(chu)(chu)，而(er)由壓(ya)力(li)(li)產(chan)生(sheng)的(de)應力(li)(li)是(shi)(shi)均勻分布的(de)。
如圖(tu)5.4.1所示，將由于管道所受重(zhong)力(li)和(he)熱(re)膨脹而(er)產生的(de)作用在法蘭上的(de)軸向(xiang)力(li)F和(he)彎矩M（M為(wei)作用在法蘭上的(de)合力(li)矩）轉換成當量壓力(li)Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相加得出總的(de)當量壓力(li)P。
將計算得到的總壓力(li)P1與ASME B16.5中與法(fa)蘭(lan)材料相(xiang)關的對(dui)應溫度下的壓力(li)進行對(dui)比。當(dang)P1小(xiao)于(yu)此壓力(li)時，理論上(shang)認為法(fa)蘭(lan)不會發生泄漏，否則，認為存在泄漏的可能。
所需數據：法蘭材(cai)料、壓力(li)(li)等級(ji)、工作壓力(li)(li)、工作溫度(du)、墊片(pian)內直徑(jing)和有效(xiao)寬度(du)、外(wai)部軸向力(li)(li)和外(wai)部力(li)(li)矩，可以在下列規范找到(dao)。
法蘭(lan)材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫壓(ya)曲線(xian)：ASME B16.5 Table 2，ASME B16.47 Table 3～Table 27。
墊片材料(liao)：ASME B16.5 NONMANDATORY APPENDIX B，ASME B16.47 Table B-1。
墊(dian)片尺寸：ASME B16.20，ASME B16.21。
2. ASME Section VIII Division 1法蘭外荷載校(xiao)核方法
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采用的法蘭設計(ji)方(fang)法是(shi)華脫爾斯法（（E-.D.Waters），沿用至(zhi)今(jin)已達(da)半個(ge)多世(shi)紀。該方(fang)法是(shi)簡單理論分析并帶有經驗性(xing)質(zhi)的設計(ji)方(fang)法，是(shi)否能(neng)可靠保(bao)證密封性(xing)能(neng)存在質(zhi)疑(yi)。補(bu)充了剛度校核及與其配(pei)套的ASME PCC-1《承壓范圍螺栓法蘭連接(jie)件(jian)的裝配(pei)指南》，基本能(neng)夠(gou)保(bao)證工程設計(ji)的泄漏要(yao)求，因此仍被采用。
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(zhu)要區(qu)別(bie)在于：Division 1 參考(kao)ASMESection II Part D Table 1A和(he)1B的(de)(de)許用(yong)應(ying)力(li)(li)（采用(yong)最大主(zhu)應(ying)力(li)(li)確定）；Division 2參考(kao)Table 5A和(he)5B的(de)(de)許用(yong)應(ying)力(li)(li)（采用(yong)變形能理論或Von Mises屈服準(zhun)則(ze)的(de)(de)確定）。Division 2考(kao)慮(lv)了由于施加在法蘭上的(de)(de)軸向力(li)(li)和(he)彎(wan)曲(qu)力(li)(li)矩(ju)而產生的(de)(de)附(fu)加外部力(li)(li)矩(ju)。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法(fa)蘭外荷載(zai)校核方法(fa)
此校(xiao)核方(fang)法源于(yu)ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第(di)3658.3節，因此稱為(wei)NC 3658.3法，也稱為(wei)NC 3658.3最大(da)屈服強度(du)法。這個(ge)方(fang)法也是當量(liang)壓力，但只考慮了彎矩的等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷(juan)是關于(yu)核電站(zhan)部(bu)件建(jian)設標準，采用(yong)此方(fang)法對法蘭(lan)泄漏進行校(xiao)核需要滿足(zu)一定的要求。當下列(lie)2個(ge)條(tiao)件同時滿足(zu)時，才能使用(yong)NC 3658.3法校(xiao)核法蘭(lan)泄漏：
a. 法蘭、螺栓、墊片(pian)符合(he)ASME 1316.5中的要求；
b. 螺(luo)栓(shuan)材料在100F（38℃）下的(de)許(xu)用應力不小于20000psi（138 MPa）。
此方法認為管道介質(zhi)內壓以及(ji)由管道變形(xing)所產生的彎(wan)矩(ju)或扭矩(ju)都施(shi)加在螺(luo)栓(shuan)(shuan)上，并且(qie)假定應力都均勻(yun)分布在螺(luo)栓(shuan)(shuan)孔所處圓周上，如(ru)果螺(luo)栓(shuan)(shuan)發生破(po)壞(huai)，則法蘭產生泄漏。根據ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節(jie)，滿(man)足式(shi)（5.4.1）的要求。
當根據計算式得(de)出的值小于(yu)等于(yu)時，則認為(wei)法蘭不會(hui)(hui)發生泄漏，否(fou)則認為(wei)會(hui)(hui)發生泄漏，需要采取方法（如提高法蘭磅級）解決。
當量(liang)壓力法不適用(yong)于動載荷分析。
5. GB/T 20801法(fa)蘭(lan)外荷(he)載(zai)校(xiao)核方法(fa)
GB/T 20801法(fa)蘭(lan)外荷載校核列出(chu)了4種方法(fa)。
當管法蘭承受外(wai)加軸(zhou)向力(li)或外(wai)加彎矩時，可按下列方法之一評估：
a. 法蘭壓力-溫度額定值-當(dang)量壓力方法。
按式（5.4.5）計(ji)算其外加(jia)軸向力(li)(li)或外加(jia)彎矩的當量壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)p。，設計(ji)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)與當量壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)之和應不(bu)大于法蘭的壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)-溫度額定值。經(jing)設計(ji)者同意，設計(ji)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)也可采(cai)用(yong)相應工況下的最大工作壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)。
b. 泰勒方法(fa)(fa)(fa)-當量(liang)壓(ya)力(li)方法(fa)(fa)(fa)、泰勒方法(fa)(fa)(fa)-當量(liang)力(li)方法(fa)(fa)(fa)、泰勒方法(fa)(fa)(fa)-修(xiu)正(zheng)當量(liang)力(li)方法(fa)(fa)(fa)。對(dui)于法(fa)(fa)(fa)蘭剛度，必要時還可(ke)按(an)GB／T 17186.1的規定(ding)校核法(fa)(fa)(fa)蘭剛度。
6. 法蘭外荷載(zai)校核過(guo)程
法蘭(lan)應放在受外部彎矩盡可能小的(de)地方。并不是(shi)每一(yi)處(chu)法蘭(lan)有了外加荷載(zai)都需要詳細的(de)校(xiao)核(he)。一(yi)般(ban)情(qing)況可根據(ju)管道專業(ye)設計(ji)人的(de)經驗，對(dui)下列法蘭(lan)進行詳細的(de)外荷載(zai)校(xiao)核(he)：
①. 法蘭等級在900磅及以(yi)上的高壓法蘭連(lian)接處；
②. 法蘭口徑(jing)在24＂及以上的法蘭連接(jie)處；
③. 承載高(gao)溫、劇毒(du)、易(yi)燃、易(yi)爆等流體的法蘭連接處；
④. 根據管道(dao)專(zhuan)業(ye)設(she)計人員經驗，認為需要詳細法蘭外荷載校核處；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)(fa)認(ren)為法(fa)(fa)蘭連接處(chu)的(de)所(suo)有(you)外部載荷均作用(yong)在(zai)(zai)墊片(pian)上。NC 3658.3方(fang)法(fa)(fa)認(ren)為管道介(jie)質內壓以及(ji)由(you)管道變形所(suo)產生的(de)彎矩(ju)和(he)扭(niu)矩(ju)都施(shi)加在(zai)(zai)螺栓上。而(er)(er)ASME Section VIII方(fang)法(fa)(fa)主(zhu)要(yao)是(shi)對(dui)法(fa)(fa)蘭應力進行計(ji)算比對(dui)。Kellogg Peq 法(fa)(fa)輸入簡便快捷(jie)，而(er)(er) ASME Section VIII和(he)NC 3658.3方(fang)法(fa)(fa)需要(yao)在(zai)(zai)相(xiang)關標準中查閱大(da)量數(shu)據。Kellogg Peq法(fa)(fa)相(xiang)對(dui)較(jiao)保守，計(ji)算結果與(yu)現(xian)場(chang)實際情況(kuang)有(you)偏差，ASME Section III和(he)NC 3658.3方(fang)法(fa)(fa)相(xiang)對(dui)更精確，與(yu)實際情況(kuang)更接近。
在(zai)(zai)國內外(wai)一些大型工(gong)(gong)程(cheng)公司(si)中(zhong)一般結合這幾(ji)種方案按以(yi)下(xia)流程(cheng)校(xiao)核(he)(he)法(fa)蘭泄(xie)漏(lou)(lou)，都能保證(zheng)現場(chang)實際運(yun)行(xing)過程(cheng)的(de)(de)安(an)全穩定。首(shou)先用(yong)Peq方法(fa)（Kellogg當量壓力(li)(li)法(fa)）校(xiao)核(he)(he)，如果通過，則(ze)(ze)設計(ji)法(fa)蘭不泄(xie)漏(lou)(lou)；若(ruo)校(xiao)核(he)(he)不通過，再用(yong)ASME Section VIII方法(fa)校(xiao)核(he)(he)，通過則(ze)(ze)設計(ji)法(fa)蘭不泄(xie)漏(lou)(lou)，失敗就需(xu)要分析具(ju)體的(de)(de)原因(yin)，修改調整后再重新校(xiao)核(he)(he)，直到通過為止。僅螺(luo)栓的(de)(de)預緊應(ying)(ying)力(li)(li)在(zai)(zai)不論(lun)是否有軸向力(li)(li)和彎(wan)矩的(de)(de)情況下(xia)，均超出許用(yong)應(ying)(ying)力(li)(li)值時，才(cai)使用(yong)NC3658.3方法(fa)進行(xing)校(xiao)核(he)(he)。見圖5.4.2所示。法(fa)蘭外(wai)荷載(zai)校(xiao)核(he)(he)方法(fa)詳細講述見《管(guan)(guan)道應(ying)(ying)力(li)(li)分析與(yu)工(gong)(gong)程(cheng)應(ying)(ying)用(yong)》、《工(gong)(gong)業管(guan)(guan)道配管(guan)(guan)設計(ji)與(yu)工(gong)(gong)程(cheng)應(ying)(ying)用(yong)》兩書。
