最全的接管局部应力计算方法及理论基础
在压力容器设计中，经常会遇到设备管口由于外载荷（力和弯矩）较大而要核算接管局部应力。工程设计人员要知道接管局部应力计算有哪些方法、每种方法的适用范围、理论基础等，方便针对具体结构尺寸选择合适的计算方法。只有掌握了这些局部应力计算方法和理论基础才能更好的应用于工程实践，知道软件为什么无法计算，有针对性的去调整，而不是手足无措。
压力容器壳体结构开孔连接接管，削弱了壳体本身强度，同时也破坏了结构的连续性，再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力以及壳体材质和制造缺陷等因素的综合作用，使壳体与接管连接处往往成为压力容器破坏的原发部位。对开孔接管的设计，首先需要进行开孔补强计算；其次要在外荷载作用下计算壳体与接管连接处的局部应力。工程中常用的计算接管局部应力方法有WRC107和WRC297公报、CSCBPV-TD001-2013、EN13445、有限元法等。
早期，WRC107公报适用于柱壳上和凸形封头上圆形、方形、矩形附件等，该方法认为壳体为弹性薄壳理论，不考虑开孔，也不考虑接管壁厚对壳体应力的影响；WRC107公报中用于支管受推力与弯矩的设计方法的理论依据来源于Bijlaard，其力学模型是中部一个矩形域上受分布法向载荷的两端简支无孔闭合圆柱壳，其求解方程为主坐标系中的Timishenko方程。但是该方法存在一定的局限性：一是只计算球壳与圆柱壳的应力，而不能考虑与壳体连接的接管应力；二是只考虑了圆柱壳与圆形实体连接的结构，没有包括圆柱壳与接管连接结构。
后来，美国Steele教授提出了WRC297公报，以受支管轴拉力与弯矩的两正交相贯圆柱壳作为力学模型，采用n-s坐标系中的扁壳方程作为开孔圆柱壳的定解方程，对交贯线给予精确描述，给出了近似的理论解。WRC297公报弥补了WRC107公报的不足，完善了圆柱壳接管局部应力计算，该方法适用于小开孔率情况，但其计算的精度相对较高，得到了大多数工程设计人员的认可。
在化工部标准HG/T20582《钢制化工容器强度计算规定》中给出了局部应力计算的方法。在27章中给出了外载荷通过接管或实心附件对球壳引起的局部应力计算；在28章中给出了外载荷通过开孔接管对圆筒（包括和圆筒连接处的接管）引起的局部应力计算，该两个章节分别对应WRC107和WRC297公报。该标准分别从使用的范围、参数条件、符号说明、局部应力的计算（如何通过图表查取相关参数）、局部应力的校核等进行了详细阐述。
方法理论基础为弹性薄壳理论，以修正的Morley方程代替前人所采用的扁壳方程作为圆柱壳开孔问题的定解方程，该方程具有与薄壳理论同等量级的精度。而对于支管，考虑了内压与6种支管外载荷分量作用的7种载荷工况。主壳与支管都是精确的圆柱壳方程，采用的是精确方程，精确求解。该方法的评定准则是基于塑性极限压力的基础上得出来的，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定性要求来保证开孔安全，其计算的薄膜应力按照2.2倍许用应力控制，而一次加二次应力强度按照2.6倍许用应力控制。该方法具有适用参数范围广、考虑载荷条件全面、计算精度高等特点，为圆筒径向大开孔接管应力分析和结构设计、优化提供了快捷、可靠的途径和依据。但该方法只适用于不偏心接管，且不能考虑补强圈的作用。
EN13445是不同于以上三种方法的另一种局部应力计算方法。该方法首先将设计载荷与极限载荷的比值控制在规定范围内，其次，再按照安定性理论，对壳体和接管上的最大表面应力（薄膜应力+弯曲应力）进行校核。该方法需要校核以下两部分工作：第一部分，计算作用于接管上的最大允许轴向力Fz和最大允许弯矩MB，分别计算实际载荷与最大允许载荷的比值。分别将轴向力比值、弯矩的比值以及轴向力比值和弯矩的比值之和分别限制在小于或等于1；最大允许载荷与壳体和接管材料的许用应力有关，且没考虑压力载荷和温差载荷；第二部分，计算各载荷作用下壳体与接管连接区域产生的最大表面应力，控制在3倍许用应力之内。第一部分校核实际上对应于应力分类概念的强度条件中的一次应力的强度条件，而第二部分校核则对应于一次加二次应力的强度条件。该方法作为壳体强度评定的依据是足够安全的，但由于太过保守，不能作为接管强度评定的依据。因此，工程技术人员很少采用该标准进行接管局部应力计算。
以上方法均已编制到设备设计的相关计算软件中，设计者可以根据结构的尺寸参数选择合适的计算方法来完成局部应力计算，这是接管局部应力计算最快捷的方法。当以上方法均不适用时，以采用有限元进行详细的应力分析和应力线性化，并按照分析设计标准JB4732进行应力强度评定，也可以按照ASME Ⅷ-2的载荷工况组合和载荷系数进行极限载荷分析或弹—塑性应力分析，该方法避免了应力分类，求解结果更加接近实际。有限元方法没有结构尺寸的限制，还可以用于平盖、锥壳等开孔结构的应力分析。
局部应力分析的理论和方法已经编制到了设备设计的相关计算软件中，作为工程设计人员来说，一般首选采用软件来进行局部应力校核，这样可以大大提高工作效率。但很多情况下，由于结构尺寸超界，无法获得线性插值，导致无法进行局部应力校核。在这种情况下，需要采用有限元方法进行详细的应力分析、应力线性化和强度评定。而对于如何将线性化的结果得到的薄膜加弯曲应力进一步划分为一次应力或二次应力，一直是国内外工程师关注的热点。如果将二次应力划分为一次应力，这种保守的处理方法有时会导致结构应力评定不合格，进而为了通过应力评定而改变设计结构与设计尺寸，造成经济上的浪费；如果将一次应力误判为二次应力，这样设计的结构有可能会造成灾难性的后果。因此，应力线性化后应力成分的划分成了分析设计中的重要问题。
然而，非弹性分析法（极限载荷分析与弹—塑性分析）是对基于弹性应力分析方法的合理补充，有效的弥补了应力线性化与应力分类法中的不足，会在压力容器设计中得到广泛应用。对于一些大直径的薄壁结构，可以采用壳单元建模，不仅简化了模型，还减少了计算量。弹性应力分类法存在应力成分划分难题，成为分析结果是否可靠的关键难点。同时，弹性应力分类法也没有能够很好地找到与计算机软硬件技术和有限元技术发展的结合点，反而成为有限元应用与分析设计方法结合的瓶颈。随着新版分析设计标准的修订，将非弹性分析的理论和方法也纳入进来，在不久的将来，应力分类法、极限载荷分析以及弹-塑性分析将在压力容器的设计中发挥同等重要作用。
