设计疑惑：为什么ASME换热器的筒体计算往往需要局部加厚？
设计疑惑？
筒体与管板连接处是个典型的高应力区，这一点在FEA报告中非常直观，在ASME换热器设计时经常会出现由于筒体与管板连接处局部应力校核不通过而需要加厚的情况，这看起来很合理，真是这样吗？如果是，为什么从没见过GB/T151校核筒体与管板连接处的局部应力。多做就一定合理吗，不做就不合理吗？
笔者的看法：ASME是比较保守的，其实不太合理，GB/T151的做法经过了理论验证与实践检验，看似简单，实则更高明。
原因认为？
筒体与管板连接处局部应力是采用板壳理论计算的，ASME方法提供有公式可以直接计算，像PVelite、COMPRESS出的计算书都包含相应内容（如图1的PV计算书所示）。GB/T151并没有提供相关公式，GB/T151的管板设计方法是GB/T4732(JB4732)的简化版，GB/T4732(JB4732)也没有提供相关公式，但依据板壳理论是可以计算的，比如SW6中固定管板的JB4732算法就包含了筒体与管板连接处局部应力校核：管壳程筒体端部应力校核，轴向薄膜应力和薄膜加弯曲应力（如图2所示）。
图1 PVelite 筒体端部应力计算
图2 SW6 筒体端部应力计算
所以，可以肯定的是不存在国标不能校核的问题。问题出在板壳理论计算筒体端部的弯曲应力存在保守性，国内专家认为理论解过于保守，校核意义不大，通过限定结构使用范围以及规定最小过渡圆弧保证结构的安定性。相关的研究详见薛明德教授《圆柱形压力容器平封头的应力分析》一文。文中研究了过渡圆弧对筒体端部一次加二次应力影响，发现解析解太保守了，比有限元数值解高30%~70%，如图3所示。这就是为什么经常ASME的筒体因为端部应力校核不通过需要加厚，而GB/T151不会出现这种情况。
图3 解析解和数值解的对比
论文进一步验证
后来的论文研究也进一步验证了这一点，比如《关于固定管板热交换器壳程圆筒轴向应力的讨论》与《换热器筒体轴向总应力校核方法的一点改进》两篇论文中的结论，分别如图4和图5所示：理论解析解大多数情况下比有限元解偏保守。
图4 《关于固定管板热交换器壳程圆筒轴向应力的讨论》文中的结论
图5 《换热器筒体轴向总应力校核方法的一点改进》文中的结论
结论
为什么解析解保守？因为板壳理论未考虑实际过渡圆弧的影响，如果是坡口焊缝加角焊缝，也未考虑角焊缝的作用。下图6中的直角FEA模型与理论公式是对应的，圆弧模型是实际结构，上图3中的FEA即是分别采用了这两种模型进行的有限元数值解与解析解的比较，确认了解析解的保守性。
图6 直角模型与圆弧模型
直观地判断，危险的位置应该在圆弧边缘或者角焊缝边缘（如图7所示），FEA经验也能支持这一点。板壳理论可以考虑边缘载荷的衰减性，也可以计算圆弧边缘或者角焊缝边缘筒体的薄膜加弯曲应力，发现这样做确实可以降低理论解的保守性，但是只是有限的降低保守性，无法解决过度保守性。
图7 危险部位
ASME方法已经采用板壳理论保守地保证并校核了筒体与管板连接处局部应力，但没有考虑管板凸肩处的过渡圆弧对筒体与管板连接处局部应力的影响，规定最小过渡圆弧实则没什么必要性。按照ASME的规定凸肩管板过渡圆弧参照平盖的，平盖带过渡圆弧跟安定性有关系，公式不校核，通过结构设计来保证，但ASME管板设计方法已经校核了一次加二次应力，额外对圆弧要求与平盖相同，毫无疑问更安全，换句话也可以说更保守，如图8所示。
图8 ASME带凸肩管板过渡圆弧要求
rmin是根据筒体厚度划分的，以38为界限划分两档，对于一些中低压小直径的换热器，筒体厚度20mm以下，过渡圆弧10mm，其实是偏大的，比如筒体10mm，过渡圆弧也要求10mm，同样情况下GB/T151可能只要5mm。过大的圆弧会对换热器布管产生一定影响。
最后总结下来就是ASME方法更保守，筒体更厚，管板外径更大；小直径情况下rmin要求会减少布管面积，当r不满足最小值要求时，只能FEA了，有点过度设计、劳民伤财了。
以上内容为笔者个人理解和总结，如有不当之处，还请不吝指教！
