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(luo)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(dao)流體壓(ya)力工(gong)(gong)況下，螺栓荷載、墊片反力和介質內壓(ya)力的(de)合成力矩(ju)會(hui)引起法蘭產生變形（轉角(jiao)(jiao)）而導致(zhi)密封失(shi)效。但是(shi)在工(gong)(gong)程(cheng)實際(ji)，管(guan)道(dao)運行過程(cheng)中還(huan)(huan)會(hui)受(shou)到附加(jia)外(wai)(wai)力及力矩(ju)，法蘭接頭除(chu)承受(shou)內壓(ya)外(wai)(wai)還(huan)(huan)要承受(shou)上述附加(jia)載荷。如(ru)果法蘭壓(ya)力等級的(de)確(que)定，僅從法蘭器材選用內壓(ya)的(de)角(jiao)(jiao)度考(kao)慮設(she)計(ji)往往是(shi)不夠的(de)，還(huan)(huan)需考(kao)慮設(she)備(bei)管(guan)道(dao)布(bu)置(zhi)、管(guan)道(dao)應力等因素。工(gong)(gong)程(cheng)上法蘭密封的(de)失(shi)效常(chang)常(chang)是(shi)施工(gong)(gong)不規范或工(gong)(gong)程(cheng) 設(she)計(ji)中忽略了較大的(de)外(wai)(wai)載荷而導致(zhi)的(de)，工(gong)(gong)程(cheng)設(she)計(ji)中應重視對法蘭外(wai)(wai)載荷的(de)校核。
法(fa)蘭(lan)(lan)(lan)密(mi)封(feng)面與墊(dian)(dian)片之(zhi)間存(cun)在(zai)(zai)(zai)著(zhu)無(wu)數很細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)流動通道(dao)，介質(zhi)將可(ke)能通過這(zhe)些細(xi)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)通道(dao)而泄(xie)漏。密(mi)封(feng)的(de)(de)(de)基(ji)本原理(li)就(jiu)是要使得介質(zhi)在(zai)(zai)(zai)流經這(zhe)種細(xi)小(xiao)(xiao)通道(dao)時的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力降大(da)(da)于(yu)密(mi)封(feng)腔(qiang)內、外的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力差。法(fa)蘭(lan)(lan)(lan)在(zai)(zai)(zai)力矩作(zuo)用下，如(ru)果(guo)剛度不足，就(jiu)會形成對墊(dian)(dian)片壓(ya)(ya)緊力的(de)(de)(de)不均勻，從而導(dao)致(zhi)在(zai)(zai)(zai)墊(dian)(dian)片一側(ce)壓(ya)(ya)緊力較小(xiao)(xiao)不能形成有效密(mi)封(feng)，而在(zai)(zai)(zai)墊(dian)(dian)片另一側(ce)壓(ya)(ya)力過大(da)(da)導(dao)致(zhi)墊(dian)(dian)片壓(ya)(ya)潰，這(zhe)就(jiu)引起了法(fa)蘭(lan)(lan)(lan)接(jie)頭密(mi)封(feng)的(de)(de)(de)失效即泄(xie)漏。
管(guan)道的(de)(de)(de)(de)法(fa)(fa)蘭(lan)除(chu)承受內外(wai)壓(ya)外(wai)，還要承受管(guan)道及介質質量、熱膨脹、振動等引(yin)起的(de)(de)(de)(de)軸向力和彎矩的(de)(de)(de)(de)作用。通常法(fa)(fa)蘭(lan)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)，例如ASME B16.5沒(mei)有考慮管(guan)道外(wai)加(jia)荷載(zai)、彎矩等的(de)(de)(de)(de)影響，為防止在操(cao)作條件下發生(sheng)泄漏(lou)和可能出(chu)現(xian)的(de)(de)(de)(de)損壞事(shi)故，必要時需要對(dui)已經選定的(de)(de)(de)(de)標準法(fa)(fa)蘭(lan)進行可靠性校核(he)，以判斷是否需要采取(qu)進一步(bu)的(de)(de)(de)(de)安(an)全措施。法(fa)(fa)蘭(lan)外(wai)荷載(zai)校核(he)方法(fa)(fa)有很多種，詳(xiang)細講述見《管(guan)道應力分析與(yu)工程應用》一書。下面僅對(dui)管(guan)道設計(ji)人員需掌(zhang)握的(de)(de)(de)(de)基本內容做簡述。
1. 當量壓力法(fa)［Kellogg 當量壓力法(fa)（Peq法(fa)）］
Kellogg 當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)法(fa)（equivalent pressure method）認為(wei)法(fa)蘭連接處的(de)所有(you)外部載(zai)荷均作用在墊片(pian)(pian)上(shang)，軸向應(ying)力(li)(li)(li)應(ying)處于(yu)(yu)安全(quan)范圍(wei)內。在這(zhe)個方法(fa)中，沒(mei)有(you)考(kao)慮螺栓力(li)(li)(li)的(de)影(ying)響，作用在法(fa)蘭上(shang)的(de)軸向力(li)(li)(li)和彎(wan)矩轉化成了當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)（Peq）。將這(zhe)兩個當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)與設計壓(ya)力(li)(li)(li)相(xiang)加得到(dao)總的(de)當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)，并根(gen)據法(fa)蘭材(cai)料(liao)與ASME B16.5中的(de)壓(ya)力(li)(li)(li)-溫度等級表進行對比。如果總的(de)當(dang)(dang)量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)小于(yu)(yu)等級表中相(xiang)應(ying)溫度下的(de)許用壓(ya)力(li)(li)(li)，即判(pan)定法(fa)蘭不(bu)會泄漏。此(ci)方法(fa)簡單可靠，但是(shi)(shi)過(guo)于(yu)(yu)保(bao)守。因為(wei)，外部載(zai)荷實際上(shang)并不(bu)只作用于(yu)(yu)墊片(pian)(pian)，外部載(zai)荷在墊片(pian)(pian)處產(chan)生(sheng)的(de)最大應(ying)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)在最外邊(bian)沿處，而由(you)壓(ya)力(li)(li)(li)產(chan)生(sheng)的(de)應(ying)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)均勻分布的(de)。
如圖5.4.1所示，將由于管道所受重(zhong)力(li)(li)(li)和(he)(he)(he)熱膨脹而產生的(de)作用在法(fa)蘭上(shang)的(de)軸向力(li)(li)(li)F和(he)(he)(he)彎矩(ju)M（M為作用在法(fa)蘭上(shang)的(de)合(he)力(li)(li)(li)矩(ju)）轉換成當量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)Pel和(he)(he)(he)Po2,Pe1和(he)(he)(he)Pe2相加得出總的(de)當量(liang)壓(ya)力(li)(li)(li)P。
將計算得到(dao)的(de)總壓(ya)(ya)力(li)P1與(yu)ASME B16.5中(zhong)與(yu)法蘭材料(liao)相(xiang)關的(de)對(dui)應溫度下(xia)的(de)壓(ya)(ya)力(li)進行對(dui)比(bi)。當P1小于此(ci)壓(ya)(ya)力(li)時(shi)，理論上認為法蘭不會(hui)發(fa)生泄漏(lou)，否則，認為存在泄漏(lou)的(de)可能。
所需數據：法蘭材料、壓(ya)力(li)等級、工(gong)作壓(ya)力(li)、工(gong)作溫(wen)度(du)、墊片(pian)內直徑(jing)和有效寬(kuan)度(du)、外(wai)部軸向力(li)和外(wai)部力(li)矩，可以(yi)在下列規范(fan)找到。
法蘭材料：ASME B16.5 Table 1A，ASME B16.47 Table 1。
溫壓曲線：ASME B16.5 Table 2，ASME B16.47 Table 3～Table 27。
墊片(pian)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(he)載(zai)校核方(fang)法
ASME Section VIII Division 1 Appendix 2所采(cai)用的(de)(de)法蘭(lan)設計(ji)方(fang)法是華脫爾斯(si)法（（E-.D.Waters），沿用至今已達半個多世紀。該(gai)方(fang)法是簡(jian)單理論(lun)分(fen)析并帶(dai)有經驗性質(zhi)的(de)(de)設計(ji)方(fang)法，是否能(neng)可靠(kao)保證密封(feng)性能(neng)存在質(zhi)疑。補(bu)充了剛度校核及與其(qi)配套的(de)(de)ASME PCC-1《承壓范圍螺栓法蘭(lan)連接件的(de)(de)裝配指南》，基本(ben)能(neng)夠保證工程設計(ji)的(de)(de)泄漏要求，因此(ci)仍被采(cai)用。
3. ASME BPVC VIII Division 2法蘭(lan)外(wai)荷載校核(he)方(fang)法
ASME BPVC VIII Division 2與Division 1類(lei)似，主(zhu)要區(qu)別(bie)在于(yu)：Division 1 參(can)考(kao)(kao)ASMESection II Part D Table 1A和(he)1B的(de)(de)(de)許(xu)用應力(li)（采用最大主(zhu)應力(li)確(que)定）；Division 2參(can)考(kao)(kao)Table 5A和(he)5B的(de)(de)(de)許(xu)用應力(li)（采用變形能理論或(huo)Von Mises屈服準則(ze)的(de)(de)(de)確(que)定）。Division 2考(kao)(kao)慮了由于(yu)施(shi)加在法蘭(lan)上的(de)(de)(de)軸(zhou)向力(li)和(he)彎(wan)曲力(li)矩而產生的(de)(de)(de)附加外(wai)部力(li)矩。
4. ASME Section III Division 1-Subsection NC法(fa)蘭(lan)外荷載校核方(fang)法(fa)
此校核(he)方法源于ASME BPVC III-1-NC分卷第(di)3658.3節，因此稱為NC 3658.3法，也(ye)稱為NC 3658.3最大屈(qu)服強(qiang)度法。這個方法也(ye)是當(dang)量壓力(li)，但只考(kao)慮了彎矩的(de)等效(xiao)壓力(li)。ASME BPVC III-I-NC卷是關于核(he)電站部件建設(she)標準，采用(yong)此方法對法蘭泄漏(lou)(lou)進行校核(he)需要滿(man)足一定的(de)要求。當(dang)下列2個條件同時滿(man)足時，才(cai)能(neng)使用(yong)NC 3658.3法校核(he)法蘭泄漏(lou)(lou)：
a. 法蘭、螺栓、墊片符合ASME 1316.5中(zhong)的要求(qiu)；
b. 螺栓(shuan)材料在100F（38℃）下(xia)的許用應力不小(xiao)于20000psi（138 MPa）。
此方法認為管(guan)道介質內壓以及(ji)由(you)管(guan)道變形所產(chan)生(sheng)的彎矩或扭矩都施加在螺栓上(shang)，并且假定應力都均勻分布(bu)在螺栓孔(kong)所處圓周上(shang)，如果(guo)螺栓發生(sheng)破壞，則法蘭(lan)產(chan)生(sheng)泄(xie)漏。根據ASME BPVC III-1-NC分卷(juan)第3658.3節，滿足(zu)式(shi)（5.4.1）的要求。
當根據計算式(shi)得(de)出的值小于等于時，則(ze)認為法(fa)(fa)蘭不會發生泄漏，否則(ze)認為會發生泄漏，需要(yao)采取方法(fa)(fa)（如提高法(fa)(fa)蘭磅級）解決。
當量壓力法不適用于動載荷分(fen)析。
5. GB/T 20801法(fa)蘭外荷載校(xiao)核方法(fa)
GB/T 20801法(fa)蘭外荷載(zai)校核列出了4種(zhong)方法(fa)。
當管法蘭承受外(wai)加軸向(xiang)力或外(wai)加彎矩(ju)時，可按下列方法之一評估(gu)：
a. 法蘭(lan)壓力(li)-溫度(du)額定值-當量壓力(li)方法。
按式（5.4.5）計(ji)算其(qi)外(wai)加(jia)軸向力(li)(li)(li)(li)或外(wai)加(jia)彎矩的(de)(de)當量壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)p。，設計(ji)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)與當量壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)之和應不大于(yu)法蘭的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)-溫度額定(ding)值。經設計(ji)者同意，設計(ji)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)也可采用(yong)相應工況下的(de)(de)最大工作壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)(li)。
b. 泰(tai)勒方法-當量壓(ya)力方法、泰(tai)勒方法-當量力方法、泰(tai)勒方法-修(xiu)正當量力方法。對于法蘭剛度，必要時還可按(an)GB／T 17186.1的(de)規定(ding)校核法蘭剛度。
6. 法蘭外荷載校核過程
法蘭(lan)應放在受外(wai)部彎矩盡可(ke)能小的地方(fang)。并不是每一(yi)處法蘭(lan)有了(le)外(wai)加荷載(zai)都需要詳細的校核(he)。一(yi)般情況可(ke)根據管(guan)道專業設計(ji)人的經驗，對下列法蘭(lan)進(jin)行詳細的外(wai)荷載(zai)校核(he)：
①. 法蘭等級在900磅及以上的高(gao)壓法蘭連接處；
②. 法(fa)蘭口徑在24＂及以上的(de)法(fa)蘭連接處；
③. 承載高溫、劇毒、易燃(ran)、易爆等流體的法(fa)蘭連接處；
④. 根據管道專(zhuan)業設計人員經驗，認為需要詳細法蘭(lan)外(wai)荷載校(xiao)核(he)處(chu)；
⑤. 其他。
Kellogg Peg法(fa)(fa)認為(wei)法(fa)(fa)蘭(lan)連接處的所有外(wai)部載荷均作用在墊(dian)片上。NC 3658.3方法(fa)(fa)認為(wei)管道(dao)介質(zhi)內壓(ya)以及由管道(dao)變(bian)形所產生(sheng)的彎矩和扭(niu)矩都(dou)施加(jia)在螺栓上。而(er)ASME Section VIII方法(fa)(fa)主(zhu)要是對(dui)法(fa)(fa)蘭(lan)應(ying)力進行計算(suan)比對(dui)。Kellogg Peq 法(fa)(fa)輸入簡便快捷，而(er) ASME Section VIII和NC 3658.3方法(fa)(fa)需要在相關標準(zhun)中查(cha)閱大量(liang)數據(ju)。Kellogg Peq法(fa)(fa)相對(dui)較(jiao)保守(shou)，計算(suan)結果(guo)與現場實際情況(kuang)有偏差，ASME Section III和NC 3658.3方法(fa)(fa)相對(dui)更精確，與實際情況(kuang)更接近。
在國內外一些大型(xing)工程(cheng)公司中一般結合這幾種方(fang)案(an)按(an)以下流程(cheng)校(xiao)核(he)法(fa)蘭(lan)泄(xie)漏，都能保(bao)證現場實際運行(xing)過(guo)程(cheng)的安全(quan)穩定。首先用(yong)(yong)(yong)Peq方(fang)法(fa)（Kellogg當量壓力(li)(li)法(fa)）校(xiao)核(he)，如果通(tong)過(guo)，則(ze)(ze)設計(ji)法(fa)蘭(lan)不(bu)(bu)泄(xie)漏；若校(xiao)核(he)不(bu)(bu)通(tong)過(guo)，再用(yong)(yong)(yong)ASME Section VIII方(fang)法(fa)校(xiao)核(he)，通(tong)過(guo)則(ze)(ze)設計(ji)法(fa)蘭(lan)不(bu)(bu)泄(xie)漏，失敗(bai)就需要分析具(ju)體的原因，修改(gai)調整后再重新校(xiao)核(he)，直到通(tong)過(guo)為止。僅螺栓的預緊應(ying)力(li)(li)在不(bu)(bu)論是(shi)否有軸向力(li)(li)和(he)彎矩(ju)的情況下，均(jun)超出許用(yong)(yong)(yong)應(ying)力(li)(li)值時，才使用(yong)(yong)(yong)NC3658.3方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)校(xiao)核(he)。見(jian)圖5.4.2所示。法(fa)蘭(lan)外荷載校(xiao)核(he)方(fang)法(fa)詳(xiang)細(xi)講述見(jian)《管(guan)道應(ying)力(li)(li)分析與工程(cheng)應(ying)用(yong)(yong)(yong)》、《工業(ye)管(guan)道配管(guan)設計(ji)與工程(cheng)應(ying)用(yong)(yong)(yong)》兩書。
