某工程管道法(fa)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(shuan)，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)單一管道(dao)流(liu)體壓力(li)(li)(li)工(gong)(gong)況下，螺栓(shuan)荷載、墊片(pian)反力(li)(li)(li)和介質內壓力(li)(li)(li)的(de)(de)合成力(li)(li)(li)矩會引起法蘭(lan)產生變形（轉角(jiao)）而導(dao)致密(mi)封失效。但是(shi)在(zai)工(gong)(gong)程(cheng)實際，管道(dao)運行過程(cheng)中(zhong)還(huan)會受(shou)到(dao)附(fu)加外(wai)(wai)力(li)(li)(li)及力(li)(li)(li)矩，法蘭(lan)接(jie)頭除(chu)承受(shou)內壓外(wai)(wai)還(huan)要承受(shou)上述(shu)附(fu)加載荷。如果法蘭(lan)壓力(li)(li)(li)等(deng)(deng)級的(de)(de)確定，僅從法蘭(lan)器材選用內壓的(de)(de)角(jiao)度考慮設(she)計往往是(shi)不夠的(de)(de)，還(huan)需(xu)考慮設(she)備(bei)管道(dao)布(bu)置、管道(dao)應力(li)(li)(li)等(deng)(deng)因素。工(gong)(gong)程(cheng)上法蘭(lan)密(mi)封的(de)(de)失效常常是(shi)施工(gong)(gong)不規范或工(gong)(gong)程(cheng) 設(she)計中(zhong)忽略了較(jiao)大的(de)(de)外(wai)(wai)載荷而導(dao)致的(de)(de)，工(gong)(gong)程(cheng)設(she)計中(zhong)應重視對法蘭(lan)外(wai)(wai)載荷的(de)(de)校核。
法蘭密(mi)(mi)封(feng)面與墊片(pian)之間存在著無數(shu)很細小的(de)流(liu)動通(tong)(tong)道，介質(zhi)將可能通(tong)(tong)過(guo)這(zhe)些細小的(de)通(tong)(tong)道而(er)泄(xie)漏。密(mi)(mi)封(feng)的(de)基(ji)本原理就是要使得(de)介質(zhi)在流(liu)經這(zhe)種細小通(tong)(tong)道時的(de)壓(ya)力(li)降大(da)于密(mi)(mi)封(feng)腔內(nei)、外(wai)的(de)壓(ya)力(li)差。法蘭在力(li)矩作用下，如(ru)果剛(gang)度不(bu)足，就會(hui)形成對墊片(pian)壓(ya)緊力(li)的(de)不(bu)均勻，從而(er)導致在墊片(pian)一側(ce)壓(ya)緊力(li)較小不(bu)能形成有效密(mi)(mi)封(feng)，而(er)在墊片(pian)另一側(ce)壓(ya)力(li)過(guo)大(da)導致墊片(pian)壓(ya)潰，這(zhe)就引起(qi)了(le)法蘭接頭(tou)密(mi)(mi)封(feng)的(de)失效即(ji)泄(xie)漏。
管(guan)(guan)(guan)道(dao)的(de)(de)法(fa)蘭除承受內外壓外，還(huan)要(yao)承受管(guan)(guan)(guan)道(dao)及(ji)介質(zhi)質(zhi)量、熱膨脹(zhang)、振動等(deng)引起的(de)(de)軸向力(li)和彎(wan)矩(ju)的(de)(de)作用。通常(chang)法(fa)蘭的(de)(de)設計，例如ASME B16.5沒有考慮管(guan)(guan)(guan)道(dao)外加荷(he)載、彎(wan)矩(ju)等(deng)的(de)(de)影響，為防止(zhi)在(zai)操作條件下發(fa)生泄(xie)漏和可(ke)能出現的(de)(de)損壞(huai)事故，必要(yao)時需(xu)(xu)要(yao)對(dui)已經選定的(de)(de)標準法(fa)蘭進行可(ke)靠性校核(he)，以判斷是否需(xu)(xu)要(yao)采取進一步的(de)(de)安(an)全(quan)措施(shi)。法(fa)蘭外荷(he)載校核(he)方法(fa)有很多(duo)種，詳細(xi)講(jiang)述(shu)見《管(guan)(guan)(guan)道(dao)應(ying)力(li)分析與工程應(ying)用》一書(shu)。下面僅對(dui)管(guan)(guan)(guan)道(dao)設計人員(yuan)需(xu)(xu)掌(zhang)握的(de)(de)基本內容做簡述(shu)。
1. 當量壓力(li)法(fa)(fa)［Kellogg 當量壓力(li)法(fa)(fa)（Peq法(fa)(fa)）］
Kellogg 當(dang)(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)法(fa)(fa)(fa)(fa)（equivalent pressure method）認為法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)(lan)連(lian)接處的所有外(wai)(wai)部(bu)(bu)載(zai)(zai)(zai)荷均(jun)作(zuo)用在墊(dian)片(pian)上，軸向應(ying)(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)(ying)處于(yu)(yu)安(an)全范圍內。在這(zhe)個(ge)方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)中(zhong)，沒有考慮螺栓力(li)的影響，作(zuo)用在法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)(lan)上的軸向力(li)和彎(wan)矩轉化(hua)成了當(dang)(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)（Peq）。將(jiang)這(zhe)兩個(ge)當(dang)(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)與設計(ji)壓(ya)力(li)相加(jia)得到總的當(dang)(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)，并根據(ju)法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)(lan)材料與ASME B16.5中(zhong)的壓(ya)力(li)-溫度等(deng)級表進行對比。如果總的當(dang)(dang)(dang)(dang)量壓(ya)力(li)小于(yu)(yu)等(deng)級表中(zhong)相應(ying)(ying)(ying)溫度下(xia)的許用壓(ya)力(li)，即判定法(fa)(fa)(fa)(fa)蘭(lan)(lan)(lan)不(bu)會泄(xie)漏(lou)。此方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)簡單(dan)可靠，但是過(guo)于(yu)(yu)保守。因(yin)為，外(wai)(wai)部(bu)(bu)載(zai)(zai)(zai)荷實際上并不(bu)只作(zuo)用于(yu)(yu)墊(dian)片(pian)，外(wai)(wai)部(bu)(bu)載(zai)(zai)(zai)荷在墊(dian)片(pian)處產生(sheng)的最(zui)大應(ying)(ying)(ying)力(li)是在最(zui)外(wai)(wai)邊沿處，而由壓(ya)力(li)產生(sheng)的應(ying)(ying)(ying)力(li)是均(jun)勻(yun)分布的。
如圖5.4.1所示，將由于管道所受重力(li)和(he)熱膨脹而產生的(de)(de)作(zuo)用(yong)在法(fa)蘭上(shang)的(de)(de)軸(zhou)向(xiang)力(li)F和(he)彎矩(ju)M（M為作(zuo)用(yong)在法(fa)蘭上(shang)的(de)(de)合力(li)矩(ju)）轉換成(cheng)當量壓(ya)力(li)Pel和(he)Po2,Pe1和(he)Pe2相加得出總的(de)(de)當量壓(ya)力(li)P。
將(jiang)計算得(de)到的(de)總壓(ya)力P1與(yu)ASME B16.5中與(yu)法蘭(lan)(lan)材料相關的(de)對應(ying)溫度下的(de)壓(ya)力進行對比。當P1小于此壓(ya)力時，理論上(shang)認為法蘭(lan)(lan)不會(hui)發(fa)生(sheng)泄漏，否則，認為存在泄漏的(de)可能。
所需數據：法蘭(lan)材料、壓力(li)等級、工(gong)作壓力(li)、工(gong)作溫度、墊(dian)片內直徑和有效寬度、外部軸向力(li)和外部力(li)矩(ju)，可(ke)以在下列規(gui)范找到。
法蘭材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫壓曲線(xian)：ASME B16.5 Table 2，ASME B16.47 Table 3～Table 27。
墊片(pian)材(cai)料：ASME B16.5 NONMANDATORY APPENDIX B，ASME B16.47 Table B-1。
墊(dian)片尺寸(cun)：ASME B16.20，ASME B16.21。
2. ASME Section VIII Division 1法(fa)蘭外荷載校(xiao)核方法(fa)
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采用的(de)法蘭設計方法是華脫(tuo)爾斯法（（E-.D.Waters），沿用至今(jin)已達(da)半(ban)個多世紀。該(gai)方法是簡單理(li)論(lun)分析并帶有經驗性質(zhi)的(de)設計方法，是否(fou)能(neng)可靠保(bao)證密封性能(neng)存在質(zhi)疑。補充了剛(gang)度(du)校核及與其配套的(de)ASME PCC-1《承壓范(fan)圍螺栓法蘭連(lian)接(jie)件的(de)裝配指南》，基(ji)本(ben)能(neng)夠保(bao)證工程設計的(de)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(fang)法(fa)
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類似，主要區別(bie)在于：Division 1 參考(kao)ASMESection II Part D Table 1A和(he)1B的(de)(de)許(xu)(xu)用(yong)(yong)(yong)應(ying)力（采用(yong)(yong)(yong)最大主應(ying)力確定）；Division 2參考(kao)Table 5A和(he)5B的(de)(de)許(xu)(xu)用(yong)(yong)(yong)應(ying)力（采用(yong)(yong)(yong)變形能理論或Von Mises屈服準則的(de)(de)確定）。Division 2考(kao)慮(lv)了由于施加在法蘭上的(de)(de)軸向力和(he)彎(wan)曲力矩而產生的(de)(de)附加外部力矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法(fa)蘭外荷(he)載校核方法(fa)
此校(xiao)核(he)方法(fa)源于ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第(di)3658.3節(jie)，因此稱為(wei)NC 3658.3法(fa)，也(ye)稱為(wei)NC 3658.3最大屈服強度(du)法(fa)。這個方法(fa)也(ye)是當量壓力，但(dan)只考慮了彎矩的(de)等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷(juan)是關于核(he)電站部件(jian)建設標準，采用(yong)此方法(fa)對(dui)法(fa)蘭泄(xie)漏(lou)進行校(xiao)核(he)需要滿足一定的(de)要求。當下列2個條(tiao)件(jian)同時滿足時，才能使用(yong)NC 3658.3法(fa)校(xiao)核(he)法(fa)蘭泄(xie)漏(lou)：
a. 法(fa)蘭、螺栓、墊片符(fu)合ASME 1316.5中的要求；
b. 螺(luo)栓材料在(zai)100F（38℃）下的許用(yong)應力(li)不小于20000psi（138 MPa）。
此(ci)方(fang)法認(ren)為(wei)管(guan)道介質內壓以(yi)及由(you)管(guan)道變形所產生的(de)彎矩(ju)或扭矩(ju)都(dou)施加在(zai)螺栓(shuan)上(shang)，并且(qie)假定應力都(dou)均勻分(fen)布在(zai)螺栓(shuan)孔所處圓周上(shang)，如果螺栓(shuan)發生破壞(huai)，則法蘭產生泄漏。根(gen)據ASME BPVC III-1-NC分(fen)卷第3658.3節，滿足式（5.4.1）的(de)要求(qiu)。
當根據計算式(shi)得出(chu)的值小于等于時，則認(ren)為法(fa)蘭不會發生(sheng)泄漏(lou)，否則認(ren)為會發生(sheng)泄漏(lou)，需要采取方法(fa)（如(ru)提高(gao)法(fa)蘭磅級(ji)）解決。
當量壓力法不適(shi)用于(yu)動載荷分析。
5. GB/T 20801法(fa)蘭外(wai)荷載校核方法(fa)
GB/T 20801法(fa)蘭外(wai)荷載校(xiao)核列出了4種方(fang)法(fa)。
當管(guan)法蘭承(cheng)受外加軸向力或外加彎矩時，可按下列方法之一(yi)評估：
a. 法(fa)蘭壓力(li)-溫(wen)度額定值(zhi)-當量壓力(li)方(fang)法(fa)。
按式（5.4.5）計(ji)算其外加(jia)軸向力(li)或外加(jia)彎矩的(de)當量壓(ya)力(li)p。，設(she)計(ji)壓(ya)力(li)與當量壓(ya)力(li)之(zhi)和應不大(da)于法蘭的(de)壓(ya)力(li)-溫度(du)額定值。經設(she)計(ji)者(zhe)同意，設(she)計(ji)壓(ya)力(li)也可采用(yong)相應工況下的(de)最(zui)大(da)工作壓(ya)力(li)。
b. 泰勒(le)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)-當(dang)量(liang)壓力(li)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)、泰勒(le)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)-當(dang)量(liang)力(li)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)、泰勒(le)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)-修正當(dang)量(liang)力(li)方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)。對于法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)剛(gang)(gang)度，必要時(shi)還可(ke)按GB／T 17186.1的(de)規定(ding)校核法(fa)(fa)(fa)蘭(lan)剛(gang)(gang)度。
6. 法蘭外荷(he)載(zai)校核(he)過程
法蘭(lan)應放在受(shou)外部彎矩盡可能小的(de)地方。并不(bu)是每一(yi)處法蘭(lan)有了外加荷(he)載都(dou)需要詳(xiang)細(xi)的(de)校核。一(yi)般情況可根據管(guan)道專業設計(ji)人的(de)經驗，對下(xia)列法蘭(lan)進行詳(xiang)細(xi)的(de)外荷(he)載校核：
①. 法蘭(lan)等(deng)級在900磅及以上的高壓法蘭(lan)連接處；
②. 法(fa)蘭(lan)口(kou)徑在24＂及(ji)以上(shang)的(de)法(fa)蘭(lan)連接(jie)處；
③. 承(cheng)載(zai)高(gao)溫(wen)、劇毒、易(yi)燃、易(yi)爆等流體的(de)法蘭連接處；
④. 根(gen)據管道專業設計人員經驗(yan)，認為(wei)需要詳細法蘭(lan)外荷載校核處(chu)；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)認(ren)為法(fa)蘭(lan)連接處的所(suo)有外(wai)部(bu)載荷均作用在墊(dian)片上。NC 3658.3方(fang)法(fa)認(ren)為管道介質內壓以及由管道變形(xing)所(suo)產生(sheng)的彎(wan)矩(ju)和扭矩(ju)都施加在螺栓上。而ASME Section VIII方(fang)法(fa)主(zhu)要是對(dui)法(fa)蘭(lan)應力進行計算(suan)(suan)比對(dui)。Kellogg Peq 法(fa)輸入簡便快捷，而 ASME Section VIII和NC 3658.3方(fang)法(fa)需(xu)要在相關標準(zhun)中查閱(yue)大量數(shu)據(ju)。Kellogg Peq法(fa)相對(dui)較保守，計算(suan)(suan)結果與現場實(shi)(shi)際(ji)情況有偏差，ASME Section III和NC 3658.3方(fang)法(fa)相對(dui)更精確，與實(shi)(shi)際(ji)情況更接近。
在國內(nei)外一(yi)些大(da)型工(gong)(gong)程公司中一(yi)般結(jie)合這幾(ji)種(zhong)方案按以下流程校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)法蘭(lan)泄漏(lou)(lou)，都能保證現場實(shi)際(ji)運行過程的安(an)全(quan)穩(wen)定(ding)。首先(xian)用(yong)Peq方法（Kellogg當量壓力法）校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)，如(ru)果(guo)通(tong)過，則(ze)設計法蘭(lan)不泄漏(lou)(lou)；若校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)不通(tong)過，再用(yong)ASME Section VIII方法校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)，通(tong)過則(ze)設計法蘭(lan)不泄漏(lou)(lou)，失敗(bai)就需要分析具體的原因，修改(gai)調整后(hou)再重(zhong)新(xin)校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)，直(zhi)到通(tong)過為(wei)止(zhi)。僅螺栓的預緊應(ying)(ying)力在不論是否有軸向力和(he)彎矩(ju)的情況下，均超出(chu)許用(yong)應(ying)(ying)力值時，才使用(yong)NC3658.3方法進行校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)。見圖5.4.2所示。法蘭(lan)外荷載校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)核(he)(he)(he)(he)方法詳細講(jiang)述見《管道(dao)應(ying)(ying)力分析與(yu)(yu)工(gong)(gong)程應(ying)(ying)用(yong)》、《工(gong)(gong)業(ye)管道(dao)配管設計與(yu)(yu)工(gong)(gong)程應(ying)(ying)用(yong)》兩書。
