壓力容器筒體開孔接管薄膜加彎曲應(yīng)力性質(zhì)識別和評定是壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計中一個有爭議的問題，業(yè)內(nèi)的專家對此有各自的觀點，本文先介紹一下他們的觀點，最后給出自己的總結(jié)，供大家參考。

全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會設(shè)計計算方法專業(yè)委員會的《壓力容器工程師設(shè)計指南》第2版第16章提供了一個筒體開孔接管基于有限元應(yīng)力分析設(shè)計的例子，對于薄膜+彎曲應(yīng)力強度沒有按照一次加二次應(yīng)力S_Ⅳ小于3S評定，而是按照一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力S_Ⅲ小于1.5S評定，原文對此分析如下：

在外載荷或內(nèi)壓作用下，殼體上接管或其他開孔附近的彎曲應(yīng)力，既包含有靜力平衡引起的一次應(yīng)力成分，又含有因結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的二次應(yīng)力成分。由于有限元軟件，如ANSYS,只能在線性化處理后給出薄膜+彎曲應(yīng)力的總量，不能進一步細(xì)分這兩種應(yīng)力。那么，對該薄膜+彎曲應(yīng)力的總量，是該按一次應(yīng)力，即S_Ⅲ處理，采用1.5S控制，還是按一次+二次應(yīng)力，即S_Ⅳ處理，采用3S控制？在壓力容器分析設(shè)計中，存在分歧。若按S_Ⅳ處理，把彎曲應(yīng)力中的一次成份處理為二次，結(jié)果可能不安全，同時，則在評定了S_Ⅱ后，無法評定S_Ⅲ，而直接評定S_Ⅳ，這也不滿足分析設(shè)計規(guī)范的要求。但若按S_Ⅲ處理，則認(rèn)為可能偏保守。

由于JB 4732表4-1將該彎曲應(yīng)力分類為二次應(yīng)力，因此，很多設(shè)計者在分類時便依此按S_Ⅳ處理。但實際應(yīng)該如何處理，目前沒有查到有關(guān)的文獻對之作出深入、可信的分析?？紤]到該處的彎曲應(yīng)力總量中含有靜力平衡需要的一次彎曲應(yīng)力和因變形協(xié)調(diào)引起的二次彎曲應(yīng)力，由于兩種成分無法區(qū)分，為滿足JB 4732對各類應(yīng)力強度應(yīng)依次逐級評定的要

求，算例中對薄膜+彎曲應(yīng)力按S_Ⅲ處理，用1.5S來控制，這也是偏安全的處理。

對于采用線彈性應(yīng)力分析設(shè)計的應(yīng)力分類方法可能產(chǎn)生的不確定的情況，可以采用規(guī)范提供的極限載荷分析法代替對一次應(yīng)力的評定。

《壓力容器工程師設(shè)計指南》第2版第16章還介紹了3位業(yè)內(nèi)專家的觀點：

文獻[10]桑如苞《壓力容器圓筒大開孔應(yīng)力分析設(shè)計中的彎曲應(yīng)力》一文認(rèn)為大開孔截面的彎曲應(yīng)力主要屬于一次彎曲應(yīng)力，所以對大開孔邊緣的彎曲應(yīng)力應(yīng)按一次彎曲應(yīng)力處理和評定；

文獻[14]丁伯民的《美國壓力容器規(guī)范分析-ASEⅧ-1和Ⅷ-2》認(rèn)為Pl+Pb≤1.5S不能用于筒體大開孔彎曲應(yīng)力，原因在于這個準(zhǔn)則是基于矩形截面梁在純彎曲條件下的極限載荷公式得到的，而圓筒大開孔承載潛力系數(shù)要大于矩形截面梁的1.5，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同采用1.5S~3.0S來控制Pl+Pb，Pl+Pb≤1.5S可以用于球形封頭或者橢圓封頭中心開孔；

文獻[82]陸明萬的《壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計方法的進展和評述》分析表明筒體大開孔截面承載潛力系數(shù)是2.34，不是矩形截面梁的1.5，筒體大開孔出的一次彎曲應(yīng)力許用值可以提高的2.34S。

《壓力容器工程師設(shè)計指南》第2版第16章在安全系數(shù)的修正中提到了GB/T150分析法中圓柱殼開孔接管S_Ⅱ≤1.5S的強度條件過于保守，標(biāo)準(zhǔn)修改為S_Ⅱ≤2.2 S，同時S_Ⅳ≤2.6S。

總結(jié)一下《壓力容器工程師設(shè)計指南》提到了3種處理方法和3位專家對彎曲應(yīng)力的判斷。提到的3種方法分別是：（1）S_Ⅱ≤1.5S加S_Ⅳ≤3.0S；（2）S_Ⅱ≤1.5S加S_Ⅲ≤1.5S（保守評定了S_Ⅳ≤3.0S）（3）S_Ⅱ≤2.2S加S_Ⅳ≤2.6S。3位專家認(rèn)為的彎曲應(yīng)力適用的限制準(zhǔn)則分別為：（1）S_Ⅲ≤1.5S；（2）S_Ⅲ≤1.5S~3.0S；（3）S_Ⅲ≤2.34S。

作為一個工程師有自己的實踐經(jīng)驗和判斷。接觸到的開孔接管應(yīng)力分析薄膜加彎曲應(yīng)力大多是按照S_Ⅳ≤3.0S，比如Paulin Research Group公司（PRG）的Nozzle Pro（簡稱NP）采用的就是第1種準(zhǔn)則，最bug是這個程序加載管端載荷的方法用的是類似于通用有限元程序中的剛性面域法，國內(nèi)的相關(guān)研究證實了這種方法會使計算結(jié)果偏小，之前驗證過這個軟件計算的應(yīng)力比NSAS和GB/T150開孔分析法都要小，接管越短反而應(yīng)力越小越容易校核通過。國內(nèi)的北京希格瑪有限元技術(shù)公司的NSAS是比較符合壓力容器行業(yè)的習(xí)慣和要求，采用全實體模型，網(wǎng)格劃分十分規(guī)整，堪稱完美，可以選擇加管法蘭，同一個接管NSAS算出來應(yīng)力的比NP要高（不少），管端載荷加載方法不同影響很大，NSAS可以考慮法蘭，更加符合實際情況，更加合理。采用同樣的應(yīng)力限制準(zhǔn)則，NP算得過的，NSAS可能算不過，因為前者計算得到的應(yīng)力比后者小得多。

是不是NP就是錯的呢？？？在過去的8年時間里面，單位用NP做的開孔補強設(shè)計沒有一例發(fā)生危險，這個軟件不但壓力容器專業(yè)在用管道專業(yè)也在用。如果不看應(yīng)力計算的大小，而看最終的筒體接管厚度，NP與GB/T150分析法可能比較接近，因為NP采用的準(zhǔn)則是S_Ⅱ≤1.5 S和S_Ⅳ≤3.0S，S_Ⅱ≤1.5 S相對S_Ⅱ≤2.2S保守好多，1.5倍的關(guān)系，但是NP的應(yīng)力偏低(好多)，開孔補強確定的厚度接近GB/T150分析法。因此，NP的驗算采用極限分析法更合適，或者GB/T150分析法，不排除PRG考慮了彈性分析方法的保守型而采用這種管端載荷加載方法。之前褚工有發(fā)文章認(rèn)為NP不太適合厚壁鍛管分析。

北京西格瑪?shù)挠邢拊浖?/span>NSAS網(wǎng)絡(luò)版?zhèn)€人注冊使用很方便，不用購買軟件！??！使用門檻相對大型通用商業(yè)有限元軟件是極低的（壓力容器專業(yè)買個夠用的模塊起步70多萬吧），NSAS單個接管收費5塊起步（別說你用不起），這是前所未有的創(chuàng)新。從壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計工程師的角度看NSAS技術(shù)完美，使用成本極低，個人比較推薦NSAS（NP(NOZZLE PRO)其實非常的先進）。要知道大約10年之前，具有SAD設(shè)計資質(zhì)的設(shè)計院或者高校做單個大開孔分析收費是1萬左右（鍋容委的應(yīng)力分析業(yè)務(wù)3萬起步），現(xiàn)在也得3000塊吧，用NSAS調(diào)整2把計算通過也不過花費15塊，報告是一鍵生成的，分分鐘搞定大開孔。請注意NSAS默認(rèn)的應(yīng)力評定準(zhǔn)則是保守的，同一方位3條路徑中間那條的結(jié)果是按一次應(yīng)力評定的，這個可以修改設(shè)置。希格瑪?shù)墓こ處熃忉屧u定準(zhǔn)則可以修改是因為不同用戶的觀點不一致，可以按照本行業(yè)或者單位的需求設(shè)置。

介紹NSAS這么多，其實想說說基于工程實踐的判斷方法。等面積補強法的安全性是毋庸置疑的，人人都可以用NSAS做有限元分析驗證等面積補強法的計算結(jié)果，挑選幾個等面積補強法校核通過的筒體開孔，再用NSAS算算看薄膜加彎曲是多大，薄膜加彎曲達到數(shù)值肯定是安全數(shù)值，可以確定的是很多的開孔接管薄膜加彎曲應(yīng)力都超過1.5S，算他幾十個（100塊20個），估計對這事你也不糾結(jié)了。如果不想花錢用WRC107和WRC297也可以（準(zhǔn)頭差），管口載荷輸個極小值就可以，PV和SW6.0都能做。秦叔經(jīng)老師之前有研究過分析設(shè)計方法的經(jīng)濟性問題，見《壓力容器分析設(shè)計方法的安全性和經(jīng)濟性討論》。希格瑪公司的人之前也有發(fā)論文《應(yīng)用于圓筒徑向開孔接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的極限載荷法和應(yīng)力分類法之比較》研究過這個問題。

GB/T150開孔補強分析法設(shè)計準(zhǔn)則是S_Ⅱ≤2.2 S和S_Ⅳ≤2.6S，它的這個設(shè)計準(zhǔn)則是基于塑性極限和安定分析得出的，制定時是被證明和驗證過的，95年進入JB4732，11年進去GB/T150，應(yīng)該說很權(quán)威了。標(biāo)準(zhǔn)實施后業(yè)內(nèi)也不止一個人用有限元驗證過分析法的正確性。都已經(jīng)Pl≤2.2S了，還要要求Pl+Pb≤1.5S？？?。

最后總結(jié)一下：（1）開孔接管一次薄膜加一次彎曲用1.5S限制本身就是保守的，這個準(zhǔn)則其實不適用開孔接管，開孔接管應(yīng)該是2.34S（陸明萬引用霍奇《結(jié)構(gòu)的塑性分析》）；（2）彈性分析應(yīng)力線性化無法分離一次彎曲應(yīng)力和二次應(yīng)力，即便是放寬到2.34S也沒法評定一次薄膜加一次彎曲，無解；（3）工程中大量開孔接管采用S_Ⅱ≤1.5S和S_Ⅳ≤3.0S是安全的，可以明確S_Ⅱ≤1.5S是保守的；（3）等面積補強法校核通過的開孔接管，薄膜加彎曲如果按照S_Ⅲ≤1.5S校核大概率是通不過的，確實不經(jīng)濟（S_Ⅱ≤1.5S也是保守的）（4）GB/T150開孔補強分析法設(shè)計準(zhǔn)則是S_Ⅱ≤2.2S和S_Ⅳ≤2.6S，這個目前是最權(quán)威的，也最具經(jīng)濟性；（5）超出分析法適用范圍可以采用極限分析校核，載荷放大1.5倍計算收斂即可認(rèn)為包括一次薄膜加一次彎曲在的一次應(yīng)力符合要求，針對應(yīng)力劃分搞不清楚的情況塑性方法挺合適的，這個方法沒爭議。建議采用線性單元即可，殼單元也可以試試，降低設(shè)計保守性，同時盡可能壓低設(shè)計計算成本；（6）如果是分析設(shè)計答辯碰到老師問這個問題，你可以說你用分析法或者極限分析校核通過了。

上面提到的幾種方法GB/T150開孔補強分析法是最優(yōu)的，無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性還是計算成本的經(jīng)濟性，但適用結(jié)構(gòu)范圍有限制；有限元分析時采用極限分析校核一次應(yīng)力加彈性分析校核一次加二次應(yīng)力（S_Ⅳ≤3.0S）經(jīng)濟性才能與分析法接近，這種組合分析的辦法計算成本相對極限分析加彈塑性分析低，并且適用結(jié)構(gòu)無限制。

彈性應(yīng)力分類設(shè)計方法可以看成極限分析和彈塑性分析的低計算成本替代方法，帶來計算成本的經(jīng)濟性的同時也帶來保守性和不確定性。碰到彈性分析產(chǎn)生不確定的情況或者你不好把握，采用塑性分析方法是ASME和新版分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所推薦的。筒體開孔接管極限分析計算規(guī)模不大，普及起來比較容易。注意極限分析時屈服強度按照ASME應(yīng)取1.5S。

16-17年河北工業(yè)大學(xué)高炳軍教授團隊已經(jīng)把極限分析應(yīng)用到了DN4600大型換熱器換熱器管頭焊縫的評價上，有限元模型總單元數(shù)多達7895194個，總節(jié)點數(shù)為9483492個。極限分析有效避免了彈性方法的保守性，這對制造成本的控制有十分明顯的益處，同時也說明不要輕易把彈性應(yīng)力分類設(shè)計方法的結(jié)果作為管頭設(shè)計的唯一依據(jù)，GB/T151的工程經(jīng)驗以及塑性方法的結(jié)果有時是很有必要考慮。這篇文章的計算規(guī)模可以進一步降低，比如換熱器采用實體單元-線體單元組合的方法，這個方法在外文文章里面已經(jīng)有報道了。