耐压试验应力校核别做错！ASME Ⅷ-2与GB/T 4732核心差异详解！

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ASME Ⅷ-2-2023中的规定

内容总结：

（1）ASME规范中：P_m为一次总体薄膜当量应力；P_b为一次弯曲当量应力；S_y为耐压试验温度下材料的屈服强度；β_T为试验条件下规定的载荷系数；γ_min为试验条件下规定的另一个最小载荷系数，其数值规定见Table 4.1.3；

（2）将β_T和γ_min数值代入式4.1.3~4.1.5分别得到水压试验和气压试验条件下应力校核的规定如下表1所示（按GB/T4732的表格型式，以方便对比）。

ASME Ⅷ-2-2025中的规定

主要变化：

（1）直接删除了γ_min参数，简化了公式，笔者认为原因之一是：γ_min为试验条件下规定的最小载荷系数，容易引起歧义和误解，可能会出现人为调大该系数以使应力校核能通过的错误使用，因此2025版删除了该系数，明确了唯一性；

（2）本质未变：由式4.1.3~4.1.5得到的应力校核规定同表1。

GB/T 4732-2024中的规定

GB/T 4732的表3与ASME Ⅷ-2得到的表1做对比可知两者的主要区别如下：

（1）特殊注意：GB/T 4732中S_Ⅰ为一次总体薄膜当量应力（P_m）的代号，S_Ⅲ为一次薄膜（总体或局部）+一次弯曲当量应力（P_L+P_b）的代号。S_Ⅰ~ S_Ⅴ仅是GB为方便称呼统一规定的代号，而ASME中是无此代号规定的，经常会看到按ASME做的分析报告中也用了S_Ⅰ~ S_Ⅴ的代号，这是典型的以GB的思维去做ASME报告，当然也没什么问题，无非是一个代号，但严谨来说不要用于ASME报告中；

（2）液压试验中，GB规定S_Ⅰ≤0.9R，与AMSE的0.95相比，降低了数值，偏保守的取为0.9；S_Ⅲ≤1.35R或2.35R- 1.5S_Ⅰ，数值也相应的由1.425和2.425分别降低到了1.35和2.35，均较AMSE偏保守；

（3）气压试验或气液组合试验应力校核的规定与ASME完全一致；

（4）最核心的差异：

（a）ASME明确规定仅需校核一次总体薄膜当量应力（P_m）和一次总体薄膜+一次弯曲当量应力（P_m+ P_b），且明确了无需校核一次局部薄膜应力（P_L），如下原文所述：

笔者认为原因在于：一次局部薄膜应力具有应力重分布性质，且总体结构不连续处的局部薄膜应力还具备二次应力性质，有自限性，在水压试验条件这种少数一次加载过程中，并不会像一次总体薄膜应力那样对容器造成直接破坏，直接危害性极小，故无需对P_L进行校核。

（b）按GB的规定则是要校核S_Ⅲ（P_L+ P_b），比ASME规定更偏保守。案例说明：接管与壳体连接根部位置，按ASME在耐压试验工况下无需进行应力校核，而按GB则需要定义路径进行应力校核，因该位置有较大的局部薄膜应力成分。另外，该位置的弯曲应力中可能既有一次成分又有二次成分，通常二次成分占主导，而又无法对其成分占比进行区分，若全部按一次弯曲应力进行水压试验工况的应力校核，则会导致进一步的保守，很可能会出现耐压试验应力校核不通过需要加厚的情况。

以上内容仅代表笔者个人观点，限于笔者专业水平有限，文中内容难免有理解不当之处，还请多多包涵和不吝指正！

来源：ANSYS分析设计人

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1PVelite筒体端部应力计算图2SW6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8ASME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！来源：ANSYS分析设计人