某工程管道法蘭在試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)泄漏，管道專業(yè)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為是施工方未擰緊螺栓，但是在施工人員加強(qiáng)了螺栓擰緊度后，法蘭又泄漏。經(jīng)核算發(fā)現(xiàn)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。

  在單一管道流體壓力工況下，螺栓荷載、墊片反力和介質(zhì)內(nèi)壓力的合成力矩會(huì)引起法蘭產(chǎn)生變形（轉(zhuǎn)角）而導(dǎo)致密封失效。但是在工程實(shí)際，管道運(yùn)行過程中還會(huì)受到附加外力及力矩，法蘭接頭除承受內(nèi)壓外還要承受上述附加載荷。如果法蘭壓力等級的確定，僅從法蘭器材選用內(nèi)壓的角度考慮設(shè)計(jì)往往是不夠的，還需考慮設(shè)備管道布置、管道應(yīng)力等因素。工程上法蘭密封的失效常常是施工不規(guī)范或工程 設(shè)計(jì)中忽略了較大的外載荷而導(dǎo)致的，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重視對法蘭外載荷的校核。

  法蘭密封面與墊片之間存在著無數(shù)很細(xì)小的流動(dòng)通道，介質(zhì)將可能通過這些細(xì)小的通道而泄漏。密封的基本原理就是要使得介質(zhì)在流經(jīng)這種細(xì)小通道時(shí)的壓力降大于密封腔內(nèi)、外的壓力差。法蘭在力矩作用下，如果剛度不足，就會(huì)形成對墊片壓緊力的不均勻，從而導(dǎo)致在墊片一側(cè)壓緊力較小不能形成有效密封，而在墊片另一側(cè)壓力過大導(dǎo)致墊片壓潰，這就引起了法蘭接頭密封的失效即泄漏。

  管道的法蘭除承受內(nèi)外壓外，還要承受管道及介質(zhì)質(zhì)量、熱膨脹、振動(dòng)等引起的軸向力和彎矩的作用。通常法蘭的設(shè)計(jì)，例如ASME B16.5沒有考慮管道外加荷載、彎矩等的影響，為防止在操作條件下發(fā)生泄漏和可能出現(xiàn)的損壞事故，必要時(shí)需要對已經(jīng)選定的標(biāo)準(zhǔn)法蘭進(jìn)行可靠性校核，以判斷是否需要采取進(jìn)一步的安全措施。法蘭外荷載校核方法有很多種，詳細(xì)講述見《管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用》一書。下面僅對管道設(shè)計(jì)人員需掌握的基本內(nèi)容做簡述。

1. 當(dāng)量壓力法［Kellogg 當(dāng)量壓力法（Peq法）］

  Kellogg 當(dāng)量壓力法（equivalent pressure method）認(rèn)為法蘭連接處的所有外部載荷均作用在墊片上，軸向應(yīng)力應(yīng)處于安全范圍內(nèi)。在這個(gè)方法中，沒有考慮螺栓力的影響，作用在法蘭上的軸向力和彎矩轉(zhuǎn)化成了當(dāng)量壓力（Peq）。將這兩個(gè)當(dāng)量壓力與設(shè)計(jì)壓力相加得到總的當(dāng)量壓力，并根據(jù)法蘭材料與ASME B16.5中的壓力-溫度等級表進(jìn)行對比。如果總的當(dāng)量壓力小于等級表中相應(yīng)溫度下的許用壓力，即判定法蘭不會(huì)泄漏。此方法簡單可靠，但是過于保守。因?yàn)椋獠枯d荷實(shí)際上并不只作用于墊片，外部載荷在墊片處產(chǎn)生的最大應(yīng)力是在最外邊沿處，而由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力是均勻分布的。

  如圖5.4.1所示，將由于管道所受重力和熱膨脹而產(chǎn)生的作用在法蘭上的軸向力F和彎矩M（M為作用在法蘭上的合力矩）轉(zhuǎn)換成當(dāng)量壓力Pel和Po2,Pe1和Pe2相加得出總的當(dāng)量壓力P。

  將計(jì)算得到的總壓力P1與ASME B16.5中與法蘭材料相關(guān)的對應(yīng)溫度下的壓力進(jìn)行對比。當(dāng)P1小于此壓力時(shí)，理論上認(rèn)為法蘭不會(huì)發(fā)生泄漏，否則，認(rèn)為存在泄漏的可能。

  所需數(shù)據(jù)：法蘭材料、壓力等級、工作壓力、工作溫度、墊片內(nèi)直徑和有效寬度、外部軸向力和外部力矩，可以在下列規(guī)范找到。

  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所采用的法蘭設(shè)計(jì)方法是華脫爾斯法（（E-.D.Waters），沿用至今已達(dá)半個(gè)多世紀(jì)。該方法是簡單理論分析并帶有經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的設(shè)計(jì)方法，是否能可靠保證密封性能存在質(zhì)疑。補(bǔ)充了剛度校核及與其配套的ASME PCC-1《承壓范圍螺栓法蘭連接件的裝配指南》，基本能夠保證工程設(shè)計(jì)的泄漏要求，因此仍被采用。

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(qū)別在于：Division 1 參考ASMESection II Part D Table 1A和1B的許用應(yīng)力（采用最大主應(yīng)力確定）；Division 2參考Table 5A和5B的許用應(yīng)力（采用變形能理論或Von Mises屈服準(zhǔn)則的確定）。Division 2考慮了由于施加在法蘭上的軸向力和彎曲力矩而產(chǎn)生的附加外部力矩。

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

  此校核方法源于ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節(jié)，因此稱為NC 3658.3法，也稱為NC 3658.3最大屈服強(qiáng)度法。這個(gè)方法也是當(dāng)量壓力，但只考慮了彎矩的等效壓力。ASME BPVC III-I-NC卷是關(guān)于核電站部件建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用此方法對法蘭泄漏進(jìn)行校核需要滿足一定的要求。當(dāng)下列2個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，才能使用NC 3658.3法校核法蘭泄漏：

   a. 法蘭、螺栓、墊片符合ASME 1316.5中的要求；

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

  此方法認(rèn)為管道介質(zhì)內(nèi)壓以及由管道變形所產(chǎn)生的彎矩或扭矩都施加在螺栓上，并且假定應(yīng)力都均勻分布在螺栓孔所處圓周上，如果螺栓發(fā)生破壞，則法蘭產(chǎn)生泄漏。根據(jù)ASME BPVC III-1-NC分卷第3658.3節(jié)，滿足式（5.4.1）的要求。

  當(dāng)根據(jù)計(jì)算式得出的值小于等于時(shí)，則認(rèn)為法蘭不會(huì)發(fā)生泄漏，否則認(rèn)為會(huì)發(fā)生泄漏，需要采取方法（如提高法蘭磅級）解決。

  當(dāng)量壓力法不適用于動(dòng)載荷分析。

5. GB/T 20801法蘭外荷載校核方法

  GB/T 20801法蘭外荷載校核列出了4種方法。

  當(dāng)管法蘭承受外加軸向力或外加彎矩時(shí)，可按下列方法之一評估：

  a. 法蘭壓力-溫度額定值-當(dāng)量壓力方法。

  按式（5.4.5）計(jì)算其外加軸向力或外加彎矩的當(dāng)量壓力p。，設(shè)計(jì)壓力與當(dāng)量壓力之和應(yīng)不大于法蘭的壓力-溫度額定值。經(jīng)設(shè)計(jì)者同意，設(shè)計(jì)壓力也可采用相應(yīng)工況下的最大工作壓力。

  b. 泰勒方法-當(dāng)量壓力方法、泰勒方法-當(dāng)量力方法、泰勒方法-修正當(dāng)量力方法。對于法蘭剛度，必要時(shí)還可按GB／T 17186.1的規(guī)定校核法蘭剛度。

6. 法蘭外荷載校核過程

  法蘭應(yīng)放在受外部彎矩盡可能小的地方。并不是每一處法蘭有了外加荷載都需要詳細(xì)的校核。一般情況可根據(jù)管道專業(yè)設(shè)計(jì)人的經(jīng)驗(yàn)，對下列法蘭進(jìn)行詳細(xì)的外荷載校核：

   ①. 法蘭等級在900磅及以上的高壓法蘭連接處；

   ②. 法蘭口徑在24＂及以上的法蘭連接處；

   ③. 承載高溫、劇毒、易燃、易爆等流體的法蘭連接處；

   ④. 根據(jù)管道專業(yè)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為需要詳細(xì)法蘭外荷載校核處；

   ⑤. 其他。

  Kellogg Peg法認(rèn)為法蘭連接處的所有外部載荷均作用在墊片上。NC 3658.3方法認(rèn)為管道介質(zhì)內(nèi)壓以及由管道變形所產(chǎn)生的彎矩和扭矩都施加在螺栓上。而ASME Section VIII方法主要是對法蘭應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算比對。Kellogg Peq 法輸入簡便快捷，而 ASME Section VIII和NC 3658.3方法需要在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查閱大量數(shù)據(jù)。Kellogg Peq法相對較保守，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況有偏差，ASME Section III和NC 3658.3方法相對更精確，與實(shí)際情況更接近。

  在國內(nèi)外一些大型工程公司中一般結(jié)合這幾種方案按以下流程校核法蘭泄漏，都能保證現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行過程的安全穩(wěn)定。首先用Peq方法（Kellogg當(dāng)量壓力法）校核，如果通過，則設(shè)計(jì)法蘭不泄漏；若校核不通過，再用ASME Section VIII方法校核，通過則設(shè)計(jì)法蘭不泄漏，失敗就需要分析具體的原因，修改調(diào)整后再重新校核，直到通過為止。僅螺栓的預(yù)緊應(yīng)力在不論是否有軸向力和彎矩的情況下，均超出許用應(yīng)力值時(shí)，才使用NC3658.3方法進(jìn)行校核。見圖5.4.2所示。法蘭外荷載校核方法詳細(xì)講述見《管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用》、《工業(yè)管道配管設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用》兩書。