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。

  在單一(yi)管(guan)(guan)道(dao)流體壓力(li)(li)工(gong)況下，螺栓荷(he)(he)載、墊(dian)片反力(li)(li)和介質內壓力(li)(li)的(de)(de)(de)合成力(li)(li)矩(ju)會(hui)(hui)引起法(fa)蘭(lan)(lan)產生變形(xing)（轉角）而(er)導(dao)致密封(feng)失效。但是在工(gong)程實際(ji)，管(guan)(guan)道(dao)運行過程中還(huan)會(hui)(hui)受(shou)到附加外(wai)力(li)(li)及(ji)力(li)(li)矩(ju)，法(fa)蘭(lan)(lan)接(jie)頭除(chu)承受(shou)內壓外(wai)還(huan)要承受(shou)上(shang)述附加載荷(he)(he)。如(ru)果法(fa)蘭(lan)(lan)壓力(li)(li)等級(ji)的(de)(de)(de)確定，僅從(cong)法(fa)蘭(lan)(lan)器材選用(yong)內壓的(de)(de)(de)角度考(kao)(kao)慮設(she)計往(wang)往(wang)是不(bu)夠的(de)(de)(de)，還(huan)需(xu)考(kao)(kao)慮設(she)備管(guan)(guan)道(dao)布置(zhi)、管(guan)(guan)道(dao)應力(li)(li)等因(yin)素。工(gong)程上(shang)法(fa)蘭(lan)(lan)密封(feng)的(de)(de)(de)失效常(chang)(chang)常(chang)(chang)是施工(gong)不(bu)規(gui)范(fan)或工(gong)程 設(she)計中忽略了(le)較大的(de)(de)(de)外(wai)載荷(he)(he)而(er)導(dao)致的(de)(de)(de)，工(gong)程設(she)計中應重視對法(fa)蘭(lan)(lan)外(wai)載荷(he)(he)的(de)(de)(de)校核。

  法蘭(lan)密(mi)封(feng)(feng)面與墊片(pian)(pian)(pian)之(zhi)間存(cun)在(zai)著(zhu)無數(shu)很(hen)細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)流動(dong)通(tong)(tong)道，介質將可能通(tong)(tong)過這些細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)通(tong)(tong)道而(er)(er)泄漏(lou)。密(mi)封(feng)(feng)的(de)基本原理就(jiu)是要使得介質在(zai)流經這種(zhong)細(xi)小(xiao)(xiao)通(tong)(tong)道時的(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)降大(da)于密(mi)封(feng)(feng)腔內(nei)、外的(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)差。法蘭(lan)在(zai)力(li)(li)矩作(zuo)用下，如果剛度不足，就(jiu)會形成(cheng)對墊片(pian)(pian)(pian)壓(ya)(ya)(ya)緊力(li)(li)的(de)不均(jun)勻(yun)，從而(er)(er)導致(zhi)在(zai)墊片(pian)(pian)(pian)一(yi)側(ce)壓(ya)(ya)(ya)緊力(li)(li)較小(xiao)(xiao)不能形成(cheng)有效密(mi)封(feng)(feng)，而(er)(er)在(zai)墊片(pian)(pian)(pian)另(ling)一(yi)側(ce)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)過大(da)導致(zhi)墊片(pian)(pian)(pian)壓(ya)(ya)(ya)潰，這就(jiu)引起了法蘭(lan)接頭密(mi)封(feng)(feng)的(de)失效即泄漏(lou)。

  管(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)(de)(de)法(fa)(fa)蘭除承受內外壓外，還要(yao)承受管(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)及介質質量、熱膨脹(zhang)、振動(dong)等(deng)引起的(de)(de)(de)軸向(xiang)力和(he)彎矩的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。通常(chang)法(fa)(fa)蘭的(de)(de)(de)設計(ji)(ji)，例如ASME B16.5沒有考(kao)慮管(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)外加荷載(zai)、彎矩等(deng)的(de)(de)(de)影(ying)響，為(wei)防(fang)止在操作(zuo)條件(jian)下(xia)發生泄漏和(he)可能出現的(de)(de)(de)損壞事故，必要(yao)時需(xu)(xu)要(yao)對(dui)已經(jing)選定的(de)(de)(de)標準法(fa)(fa)蘭進行可靠(kao)性校(xiao)核，以(yi)判斷是否(fou)需(xu)(xu)要(yao)采取進一步的(de)(de)(de)安全措(cuo)施。法(fa)(fa)蘭外荷載(zai)校(xiao)核方法(fa)(fa)有很多種，詳(xiang)細講述(shu)見《管(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)應力分析與(yu)工程(cheng)應用(yong)》一書。下(xia)面僅對(dui)管(guan)道(dao)(dao)(dao)(dao)設計(ji)(ji)人員需(xu)(xu)掌握的(de)(de)(de)基本內容做簡述(shu)。

1. 當量壓(ya)力(li)法［Kellogg 當量壓(ya)力(li)法（Peq法）］

  Kellogg 當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)法(fa)（equivalent pressure method）認為法(fa)蘭(lan)連(lian)接處的(de)(de)所有(you)外部載荷均(jun)作用(yong)在(zai)墊(dian)片(pian)上(shang)，軸向應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)處于安全范圍內。在(zai)這(zhe)個(ge)方法(fa)中，沒有(you)考慮螺栓力(li)的(de)(de)影(ying)響，作用(yong)在(zai)法(fa)蘭(lan)上(shang)的(de)(de)軸向力(li)和(he)彎矩轉化成了當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)（Peq）。將這(zhe)兩(liang)個(ge)當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)與(yu)設計壓(ya)(ya)(ya)力(li)相(xiang)加得到總的(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)，并根據法(fa)蘭(lan)材料與(yu)ASME B16.5中的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)-溫度等級表(biao)進行對(dui)比(bi)。如果總的(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)(liang)壓(ya)(ya)(ya)力(li)小于等級表(biao)中相(xiang)應(ying)(ying)溫度下的(de)(de)許用(yong)壓(ya)(ya)(ya)力(li)，即判定法(fa)蘭(lan)不(bu)會泄漏。此方法(fa)簡單可(ke)靠(kao)，但是過于保守。因為，外部載荷實際(ji)上(shang)并不(bu)只作用(yong)于墊(dian)片(pian)，外部載荷在(zai)墊(dian)片(pian)處產生的(de)(de)最大應(ying)(ying)力(li)是在(zai)最外邊沿處，而由壓(ya)(ya)(ya)力(li)產生的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)是均(jun)勻分布的(de)(de)。

  如圖5.4.1所示，將由于管道所受重力(li)和熱膨脹而產生的作(zuo)用(yong)在(zai)(zai)法蘭上(shang)的軸向力(li)F和彎(wan)矩M（M為作(zuo)用(yong)在(zai)(zai)法蘭上(shang)的合力(li)矩）轉換成當(dang)量壓力(li)Pel和Po2,Pe1和Pe2相加(jia)得出總的當(dang)量壓力(li)P。

  將計算得到的總(zong)壓(ya)力(li)P1與ASME B16.5中與法(fa)(fa)蘭材料相關(guan)的對應溫度下的壓(ya)力(li)進行對比。當P1小于此壓(ya)力(li)時，理論上(shang)認為(wei)法(fa)(fa)蘭不(bu)會發生(sheng)泄漏(lou)，否則，認為(wei)存在泄漏(lou)的可能。

  所需數據：法蘭材料、壓(ya)力(li)等(deng)級、工作壓(ya)力(li)、工作溫度(du)、墊片內直徑(jing)和(he)有(you)效(xiao)寬度(du)、外部(bu)軸(zhou)向力(li)和(he)外部(bu)力(li)矩(ju)，可以在下列規范找到。

  法(fa)蘭材料：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。

  墊片材料：ASME B16.5 NONMANDATORY APPENDIX B，ASME B16.47 Table B-1。

  墊片尺寸(cun)：ASME B16.20，ASME B16.21。

2.  ASME Section VIII Division 1法(fa)蘭(lan)外荷載校核方法(fa)

  ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所(suo)采用的(de)法(fa)蘭設計方法(fa)是(shi)華脫爾斯法(fa)（（E-.D.Waters），沿用至今(jin)已達半個多世紀。該方法(fa)是(shi)簡單理論(lun)分析并帶有經驗性質(zhi)的(de)設計方法(fa)，是(shi)否能可(ke)靠保證(zheng)密(mi)封性能存在質(zhi)疑。補充了剛(gang)度校核及與其配(pei)套的(de)ASME PCC-1《承(cheng)壓范(fan)圍螺栓(shuan)法(fa)蘭連接件的(de)裝配(pei)指南(nan)》，基本能夠保證(zheng)工程設計的(de)泄漏要(yao)求，因此仍(reng)被(bei)采用。

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ASMESection II Part D Table 1A和(he)1B的許用(yong)應力(li)（采(cai)用(yong)最大主應力(li)確定）；Division 2參考Table 5A和(he)5B的許用(yong)應力(li)（采(cai)用(yong)變形(xing)能理論或Von Mises屈服準則的確定）。Division 2考慮了由(you)于施(shi)加在法(fa)蘭(lan)上的軸(zhou)向力(li)和(he)彎(wan)曲力(li)矩而產生的附加外(wai)部(bu)力(li)矩。

4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法蘭外荷載校(xiao)核方法

  此校(xiao)核(he)(he)方法(fa)(fa)源于(yu)ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第(di)3658.3節，因此稱(cheng)為(wei)NC 3658.3法(fa)(fa)，也(ye)(ye)稱(cheng)為(wei)NC 3658.3最大屈(qu)服強度法(fa)(fa)。這個(ge)方法(fa)(fa)也(ye)(ye)是當量壓力，但只考慮了(le)彎(wan)矩的(de)等(deng)效(xiao)壓力。ASME BPVC III-I-NC卷(juan)是關于(yu)核(he)(he)電站部件建設標準(zhun)，采用(yong)此方法(fa)(fa)對法(fa)(fa)蘭泄(xie)漏進行(xing)校(xiao)核(he)(he)需要滿足(zu)(zu)一定的(de)要求。當下列2個(ge)條件同時滿足(zu)(zu)時，才能使用(yong)NC 3658.3法(fa)(fa)校(xiao)核(he)(he)法(fa)(fa)蘭泄(xie)漏：

   a. 法(fa)蘭、螺栓、墊片符合ASME 1316.5中的(de)要(yao)求；

   b. 螺栓材料在(zai)100F（38℃）下的許(xu)用應(ying)力不(bu)小于20000psi（138 MPa）。

  此方法(fa)認為管(guan)道(dao)介質內壓以及由管(guan)道(dao)變形所(suo)產生(sheng)的彎矩或(huo)扭矩都(dou)施加在(zai)螺栓(shuan)上，并且假定應力(li)都(dou)均勻分布在(zai)螺栓(shuan)孔所(suo)處圓周上，如果螺栓(shuan)發生(sheng)破壞，則法(fa)蘭產生(sheng)泄漏。根據ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第(di)3658.3節，滿足式（5.4.1）的要求(qiu)。

  當根據計(ji)算式得出的值小(xiao)于等于時(shi)，則認為(wei)法(fa)蘭不會(hui)(hui)發生泄(xie)漏，否則認為(wei)會(hui)(hui)發生泄(xie)漏，需要采取方(fang)法(fa)（如提高法(fa)蘭磅級）解(jie)決。

  當量壓力法不適用于動(dong)載荷分析。

5. GB/T 20801法蘭外荷載(zai)校核(he)方法

  GB/T 20801法(fa)蘭(lan)外荷載校(xiao)核列出了4種(zhong)方法(fa)。

  當管法蘭承受(shou)外加(jia)軸向力或(huo)外加(jia)彎矩(ju)時，可按下列方法之一評估：

  a. 法(fa)蘭壓(ya)(ya)力(li)-溫度額定值-當量壓(ya)(ya)力(li)方法(fa)。

  按式（5.4.5）計算其(qi)外(wai)加(jia)軸(zhou)向力或外(wai)加(jia)彎矩的(de)當量壓力p。，設(she)計壓力與當量壓力之(zhi)和應不大于法(fa)蘭的(de)壓力-溫度額(e)定值(zhi)。經設(she)計者同(tong)意，設(she)計壓力也可(ke)采用(yong)相應工(gong)況下的(de)最(zui)大工(gong)作壓力。

  b. 泰(tai)勒(le)方(fang)法(fa)-當(dang)量壓(ya)力方(fang)法(fa)、泰(tai)勒(le)方(fang)法(fa)-當(dang)量力方(fang)法(fa)、泰(tai)勒(le)方(fang)法(fa)-修正當(dang)量力方(fang)法(fa)。對于法(fa)蘭剛(gang)度，必要時(shi)還可按GB／T 17186.1的規定(ding)校核法(fa)蘭剛(gang)度。

6. 法蘭外荷載校核過程

  法蘭(lan)(lan)應放(fang)在受外部(bu)彎矩盡(jin)可能小的(de)(de)地方。并(bing)不是每一處法蘭(lan)(lan)有(you)了外加荷(he)(he)載(zai)都需要詳細的(de)(de)校(xiao)核。一般情況可根(gen)據管道(dao)專業設計人的(de)(de)經(jing)驗，對下列法蘭(lan)(lan)進行詳細的(de)(de)外荷(he)(he)載(zai)校(xiao)核：

   ①. 法蘭等級在(zai)900磅及以上(shang)的高壓法蘭連接處(chu)；

   ②. 法蘭口徑在24＂及以(yi)上(shang)的(de)法蘭連接處；

   ③. 承載(zai)高溫、劇毒、易燃、易爆等流體的法蘭連(lian)接(jie)處；

   ④. 根據管道專業設計(ji)人員(yuan)經驗，認(ren)為需要詳(xiang)細法(fa)蘭(lan)外荷載校核處；

   ⑤. 其他。

  Kellogg Peg法認為法蘭連接處的所有外部載荷均作(zuo)用(yong)在墊片上(shang)。NC 3658.3方(fang)法認為管(guan)道介質內壓以(yi)及由管(guan)道變(bian)形(xing)所產生的彎矩和扭矩都施加在螺(luo)栓(shuan)上(shang)。而ASME Section VIII方(fang)法主要是對(dui)法蘭應力進行計(ji)算比對(dui)。Kellogg Peq 法輸入簡便快捷(jie)，而 ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)法需要在相(xiang)關(guan)標(biao)準中查(cha)閱大量數據。Kellogg Peq法相(xiang)對(dui)較(jiao)保守，計(ji)算結果與現場實際(ji)情(qing)況(kuang)有偏差，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)法相(xiang)對(dui)更精確(que)，與實際(ji)情(qing)況(kuang)更接近。

  在(zai)(zai)國內(nei)外(wai)一(yi)些大(da)型工程(cheng)(cheng)公(gong)司中一(yi)般結合(he)這幾(ji)種方(fang)案按以下流(liu)程(cheng)(cheng)校(xiao)(xiao)核(he)法蘭(lan)泄漏，都(dou)能(neng)保證現場實際運行(xing)(xing)過程(cheng)(cheng)的安全(quan)穩定。首先用(yong)Peq方(fang)法（Kellogg當量壓力(li)(li)法）校(xiao)(xiao)核(he)，如果通(tong)過，則設(she)計法蘭(lan)不(bu)泄漏；若(ruo)校(xiao)(xiao)核(he)不(bu)通(tong)過，再用(yong)ASME Section VIII方(fang)法校(xiao)(xiao)核(he)，通(tong)過則設(she)計法蘭(lan)不(bu)泄漏，失敗就(jiu)需(xu)要(yao)分析具體的原(yuan)因，修改(gai)調整后再重新校(xiao)(xiao)核(he)，直(zhi)到通(tong)過為止。僅(jin)螺(luo)栓(shuan)的預緊應(ying)力(li)(li)在(zai)(zai)不(bu)論是否有軸向力(li)(li)和彎矩的情(qing)況下，均超(chao)出許用(yong)應(ying)力(li)(li)值時，才使(shi)用(yong)NC3658.3方(fang)法進(jin)行(xing)(xing)校(xiao)(xiao)核(he)。見圖5.4.2所示(shi)。法蘭(lan)外(wai)荷載(zai)校(xiao)(xiao)核(he)方(fang)法詳(xiang)細講(jiang)述見《管道應(ying)力(li)(li)分析與工程(cheng)(cheng)應(ying)用(yong)》、《工業管道配管設(she)計與工程(cheng)(cheng)應(ying)用(yong)》兩書。