管道载荷引起的应力究竟该怎么划类和评定？

当然，随着新理论新方法的持续发展，尤其是有限元法在压力容器行业的发展和应用，并结合成熟的商业软件如Ansys，Abaqus，NozzlePro等，使得有限元计算越来越普及并应用于解决常规计算无法解决的一些问题，为大型和复杂压力容器设计方案的优化提供了有力的解决途径。本文今天探讨的问题是大家都很熟知的知识点，也是大多数分析设计人员入门时候拿来练手的最基础的模型，就是管口载荷计算的问题，但今天探讨的是关于管道附加载荷产生的应力的划类及评定问题，因为这是一个争议点所在，也可能会成为SAD答辩中有些老师可能会提问的问题，即管道附加载荷对接管与壳体根部产生的应力究竟该按一次应力评定还是按照二次应力评定？

管道附加载荷产生的应力属于二次应力？

连接于两容器之间的管道由于工作温度的影响管道的热胀冷缩是不可避免的，当管道操作温度高于常温时受热膨胀作用的管道犹如连接在两容器管口间的一根压缩弹簧，它对两容器管口产生一定的推力。如果容器管口部位经受不住这种弹簧力的作用，则管道这个弹簧就会轴向伸长，随之使容器管口引起一定的塑性变形，这种因管道热膨胀使容器管口产生大变形的现象即所谓的跟随效应。

当管道长度较长时，由跟随效应引起的容器管口部位的变形可以达到相当严重的程度，甚至造成容器的破坏，所以容器管口应避免跟随效应的发生。防止跟随效应发生的条件是容器管口应具有足够的强度以保证在管道轴向推力作用下材料不发生塑性变形，因此当容器管口在管道推力等作用下的应力按一次应力进行控制，就能确保容器管口能经得住管道的推力作用而不发生塑性变形，从而避免了跟随效应的发生。

如果容器管口经不住管道推力的作用，即其应力不按一次应力进行控制的话，则跟随效应就会发生，必会引起一定的塑性变形。由于管道这种轴向推力等是由温度载荷引起，所以由此产生的应力归属二次应力。对于二次应力作用要防止的失效问题是确保其安定性，为此如能确保容器管口在管道热膨胀推力作用下的应力控制在安定性范围内，则也是允许的。所以如果容器管口的应力不按一次应力进行控制跟随效应就要发生，要防止跟随效应可能带来的强度问题—安定性问题，就要对容器管口部位进行安定性分析，即对其二次应力进行计算和评定。 

综上所述，基于应力产生的原因和性质，此应力划为二次应力是毋庸置疑的。原因在于：

（1）这种应力是由管道热载荷引起的总体热应力；

（2）应力的产生是为满足接管与壳体连接处自身变形协调或连续性所需；

（3）允许此应力引起局部塑性变形，但不能导致安定性失效。

争议性所在？

从上面的理解来看，管道载荷产生的应力确属二次应力，那么为什么会出现争议呢？争议的焦点又是因为什么呢？争议性在于该应力是通过何种方法计算得到的：

方法1：由于二次应力是因变形协调产生的，所以它的计算基础是变形，分析的目的是考察其变形是否会在加载和卸载过程中发生交替的塑性变形，即是否会发生失去安定后的大应变。为此应将管道和与其两端相连的设备作为一个整体根据管道的热膨胀量，按照管道和两容器的相应刚度通过变形协调计算出热载荷导致的容器管口处的变形和应力，基于变形计算出的管口应力才属于二次应力并需将控制在安定范围内，以防止在加卸载过程中的交替塑性变形的发生。 

方法2：由于管道专业在计算管道热载荷推力时，设备尚未设计出来，因此上述的整体安定分析是不现实的，目前工程上通用的做法是两步分析法：第一步管道应力分析专业基于一定的假设计算管道对设备管口的推力，其假设是将管道两端设为固定端，施加管道热载荷后计算管道中产生的应力，并由此计算出管道对设备管口的推力并提供给设备专业，第二步设备专业将此管道载荷作用到管口上然后进行应力分析并最终将此应力以二次应力进行控制。

上述两种方法的区别：

方法1 是将设备与管道作为一个整体模型来基于变形求解出应力，采用此法计算出来的应力无疑属于二次应力并相应的按二次应力来控制防止安定性失效，这种安定性分析是正确的；

方法2 是采用假设的两步分析法，采用基于一定假设的管道载荷值来进行应力求解，采用此法计算的应力是否仍能按照二次应力来控制并保证安定性？这便是争议的焦点。争议性的观点认为：以上两种计算应力的方法存在着本质上的区别，整体安定性分析是以管道和设备管口间的变形协调为基础，而两步分析法则是以管道和设备管口间的力平衡为基础的，如果也以此作为二次应力来评定的话并不能保证安定性，原因在于两步分析法并不涉及到变形分析，这种不以变形为基础的分析是不符合安定分析要求的，因此这种分析是无效的，即对管口的安定性是无法保证的。

综上，以变形为基础的整体模型求解的应力才是二次应力；而以力的平衡为基础的两步分析法求解的应力从定义的角度来说应属于一次应力，但从其管道载荷的角度来说又应该属于二次应力，所以严格意义来讲，两步分析法得到的应力性质既不是准确的 “一次应力”，也不是准确的“二次应力”，都需要打个引号。

既然是非准确的“一次应力”或“二次应力”，那么评定的时候究竟该怎么评定呢？基于上述分析，通过现有的假设计算出来的管道载荷作为我们设备管口载荷条件来计算的局部应力，如果按一次应力来评定的话，防止的失效模式不发生过大的弹性变形或塑性变形进而导致的塑性垮塌，如果按二次应力来评定的话按上文观点是无法保证安定性失效的，是不安全的。虽然其应力性质并不明确且应力值也并非准确的，但终归是要应用于工程设计来指导设计，所以也只能从工程可接受的范围内来判断评定是保守的还是不安全的，进而做出保守的评定，以保证设备和结构的安全。需要特殊说明的一点是本文中所谓的一次应力和二次应力主要指的是弯曲应力部分，即应该按SⅢ≤1.5Sm，还是按SⅣ≤3Sm来评定？本文中的分析已表明如果按SⅣ≤3Sm来评定的话，也就是允许发生塑性变形，但是安定性的评定是极其不准确的，所以极大的可能是不能保证安定性的，存在不安全的隐患；但是如果按SⅢ≤1.5Sm肯定是严格了很多，限制其产生过大的弹性变形或塑性变形，也就是发生安定性失效的可能性得到了极大的降低，所以从工程角度来说，是能够保证结构的安全性的，但按此评定是否又会对绝大多数结构造成过于保守的结果呢？

最后需说明一点的是以上内容仅是从理论基础方面来分析和提出的异议，当然这部分理论如果真这么精打细算的话，单独区分出管道载荷产生的应力在软件方面也难区分，另外操作也会更繁琐，在工程应用上显然是不方便的也是不切实际的,而且现在工程应用中都是以二次应力来评定的似乎也都是大家可以接受和认同的事情，但有争议也是一件好事，能够让我们更好的了解内在理论原理用以以后更好的指导设计。以上内容来源于桑如苞老师发表于2016年的论文，并结合自己的学习和理解，限于笔者文笔和专业水平有限，文中涉及到个人观点的部分未必正确，仅供讨论。