ASME規格 (ASME Code) — CAE用語解説

ざっくり言うと「圧力容器やボイラーを安全に設計・製作するためのルールブック」だ。ASME BPVCと呼ばれていて、全部で13のSectionに分かれている。CAEエンジニアが一番お世話になるのはSection VIII（圧力容器）とSection III（原子力機器）だね。

Division 1は「Design by Rule」、つまり公式に数値を代入するだけで設計できるルールベースのアプローチだ。例えば内圧を受ける円筒胴の最小肉厚は $t = \dfrac{PR}{SE - 0.6P}$ で求まる。一方、Division 2は「Design by Analysis」で、FEAを使って詳細に応力を評価する。Division 2の方が許容応力が高い分、解析の手間は大きいよ。

いい質問だね。Division 1の公式は安全側に振ってあるから、結果的に肉厚が厚くなりがちなんだ。例えば化学プラントの大型反応器で肉厚を5mm減らせるだけで、材料費が数千万円変わることもある。Division 2でFEAを使えば、応力を詳細に評価できるから無駄な肉厚を減らせる。ただし、応力線形化をはじめとする評価手順をきちんと踏まないといけない。

FEAで圧力容器を解析すると、肉厚方向に非線形な応力分布が得られるよね。応力線形化では、評価したい断面にStress Classification Line（SCL）を引いて、その応力分布を積分で分解する。一様成分（定数項）が膜応力 $\sigma_m$、線形成分が曲げ応力 $\sigma_b$、そして残りがピーク応力 $\sigma_F$だ。数式で書くと：

実務でめちゃくちゃ迷うポイントだね。基本ルールは「応力が最大になりそうな場所」かつ「肉厚方向に垂直」に引くことだ。典型的にはノズルと胴体の交差部、フランジの付け根、鏡板と胴の接合部なんかが定番。ただし不連続部の特異点は避ける必要があるし、SCLは中立面に対して垂直でないと膜応力と曲げ応力の分離がおかしくなる。AnsysだとPath操作、Abaqusだとfree body cutで応力線形化できるよ。

ASME Section VIIIの応力分類は、破壊モードごとに許容値を変える仕組みだ。整理するとこうなる：

いいところに気づいたね。二次応力は「自己制限性」を持つからだ。例えば熱応力は、材料が少し塑性変形すれば応力が再分配されて、それ以上大きくならない。$P_L + P_b + Q \leq 3S_m$ はシェイクダウン条件と呼ばれていて、繰返し荷重の後に弾性状態に落ち着く（＝交番塑性が起きない）ことを保証している。ただし $3S_m$ を超えると、繰返し塑性変形が蓄積してラチェッティングが起き、最終的に破壊に至る可能性があるんだ。

現場で多いミスをいくつか挙げるね。まず、SCLの位置と方向が不適切なケース。特異点（フィレットなしの角部など）にSCLを引くと応力が無限大に発散して意味がない。次に、応力の種類を取り違えるケース。FEA結果はvon Mises応力で出ることが多いけど、ASME評価では応力強さ（Stress Intensity = Tresca相当）を使う。$S_I = \sigma_1 - \sigma_3$ だから、von Misesとは値が違うので注意が必要だ。あと、荷重の組合せを漏らすこと。内圧だけでなく、自重・熱・地震・風荷重の組合せケースをDesign条件とOperating条件に分けて全部チェックしないといけない。

日本ではJIS B 8265（圧力容器の構造一般事項）やJIS B 8266（圧力容器の設計）が対応規格だけど、内容的にはASME Section VIII Division 1をベースにしている部分が多い。大きな違いは許容応力値の取り方で、ASMEは引張強さの1/3.5、JISは1/4を使う場合がある。最近はFitness-for-Service（供用適性評価）の分野でAPI 579-1/ASME FFS-1も重要になっていて、経年劣化した機器の余寿命評価にはこちらを参照するよ。